区分故障电流和谐波电流的新方法

电力18讯：    
天津理工大学  徐晓宁 周雪松 马幼捷  

摘要：通过分析电力系统故障运行状态和谐波运行状态间存在的差异，提出了区分短路电流及谐波电流的方法，通过增加控制继电保护动作的开关量信号，有效地改善了电力系统中电流保护的性能，并用电力系统仿真软件PSCAD进行了仿真验证。

关键词：序分量理论；短路故障；谐波；开关量信号；PSCAD

中图分类号：TM726 文献标志码：B 文章编号：1003-0867(2008)04-0014-02

目前，几乎所有的继电保护装置，尤其是量度继电器，其阀值的设置都是基于对各电气量，在系统正常运行和故障运行的两种不同运行状态下，存在的差别进行分析，并没有考虑不正常运行状态的运行特性。而在实际系统中，常使用频率测试仪以实现对故障电流、电压和不正常运行状态时的电流、电压的区分。然而，随着电力电子技术的发展，尤其是可控硅技术的应用，使得系统在运行过程中产生大量的谐波，对电力系统构成了严重的危害，尤其是给继电保护等自动化装置的正常运行造成很大的影响。就继电保护本身而言，它区分故障状态和由谐波引起的不正常运行状态的能力很差。可见，如何快速、有效地区分电力系统故障运行状态和不正常运行状态，尤其是短路故障和谐波状态，以实现继电保护装置正确、可靠地动作变得非常重要。

1 系统在不正常运行状态（谐波）和故障运行状态（短路）时的主要特征

1.1 不正常运行状态（谐波）时系统的主要特征

在一个平衡的三相系统中，单频率谐波分量只能是完全正序的，或完全零序的，或完全负序的，这一点可以从相电流的傅里叶级数展开式中看出，并且可以得出下述结果：

•基波以及4次、7次、……谐波是正序的；

•2次、5次、8次、……谐波是负序的；

•3倍数次（3次、6次、9次、……）谐波是零序的。

需要指出的是：

•如果存在谐波，那么即使系统是平衡的，也存在零序和负序电流；

•由于平衡的3倍数次谐波电流是零序的，因此不能流入三角形连接电路中或中性点不接地的星形联结电路中。

1.2 故障运行状态（短路）时系统的主要特征

单相短路接地：假设系统在f点发生a相单相短路接地故障时，其故障时转换为ａ相电流的各序分量的边界条件为：流过f点处各序电流大小相等，方向相同。

两相相间短路：假设系统在f点发生b、c两相相间短路，则其故障时转换为ａ相电流的各序分量的边界条件为：流过f点处的零序电流为零；负序分量和正序分量大小相等，且方向相反。

两相接地短路：假设系统在f点发生b、c两相接地短路，则其故障时转换为ａ相电流各序分量的边界条件为：流过f点的各序电流分量的矢量和为零。

三相短路：假设系统在f点发生a、b、c三相接地短路，则其故障时转换为ａ相电流各序分量的边界条件为：流过f点的负序电流和零序电流为零，而正序电流与f点处的系统电流大小相等方向相同。

2 区分不正常运行状态（谐波）和故障运行状态（短路）的方法

根据上述分析，可以得出系统运行在不同工况时，回路中相序电流的特征，从而得出图1所示一种可以区分系统不正常运行状态（谐波）和故障运行状态（短路）的方法。


图1 区分系统不正常运行状态（谐波）和故障运行状态（短路）的方法
I1为正序电流；I2为负序电流；I0为零序电流；I为系统电流

3 继电保护性能的改善及计算机仿真

由前述可见，通过比较系统中存在的相序电流，即可达到区分各次谐波及各类短路故障的目的。进一步说，可以将继电保护装置中，测量比较环节和逻辑判断环节中的开关量控制信号，由原来的一个（基波电流或基波电压比较信号）增加为两个，即：

•区分系统正常运行状态和故障运行状态（短路）的开关量信号，即以基波电流为整定参考值的阀值信号；

•区分系统不正常运行状态（谐波）和故障运行状态（短路）的开关量信号，即以各序电流间的相互比较为参考的判断信号。

也就是说，继电保护装置在以下两种情况才会动作：

•系统中发生某种短路故障，且当故障电流超过整定的阀值电流时，保护动作；

•系统由于某种原因存在某次谐波，且当该次谐波的谐波含量超过规定值时，保护动作。

以天津市某大型企业的配电系统为例，图2为天津某公司配电系统的等值电路。

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