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區(qū)分故障電流和諧波電流的新方法

摘要：通過分析電力系統(tǒng)故障運(yùn)行狀態(tài)和諧波運(yùn)行狀態(tài)間存在的差異，提出了區(qū)分短路電流及諧波電流的方法，通過增加控制繼電保護(hù)動(dòng)作的開關(guān)量信號(hào)，有效地改善了電力系統(tǒng)中電流保護(hù)的性能，并用電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：序分量理論；短路故障；諧波；開關(guān)量信號(hào)；PSCAD

目前，幾乎所有的繼電保護(hù)裝置，尤其是量度繼電器，其閥值的設(shè)置都是基于對各電氣量，在系統(tǒng)正常運(yùn)行和故障運(yùn)行的兩種不同運(yùn)行狀態(tài)下，存在的差別進(jìn)行分析，并沒有考慮不正常運(yùn)行狀態(tài)的運(yùn)行特性。而在實(shí)際系統(tǒng)中，常使用頻率測試儀以實(shí)現(xiàn)對故障電流、電壓和不正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的電流、電壓的區(qū)分。然而，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是可控硅技術(shù)的應(yīng)用，使得系統(tǒng)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生大量的諧波，對電力系統(tǒng)構(gòu)成了嚴(yán)重的危害，尤其是給繼電保護(hù)等自動(dòng)化裝置的正常運(yùn)行造成很大的影響。就繼電保護(hù)本身而言，它區(qū)分故障狀態(tài)和由諧波引起的不正常運(yùn)行狀態(tài)的能力很差?？梢?，如何快速、有效地區(qū)分電力系統(tǒng)故障運(yùn)行狀態(tài)和不正常運(yùn)行狀態(tài)，尤其是短路故障和諧波狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)裝置正確、可靠地動(dòng)作變得非常重要。

1 系統(tǒng)在不正常運(yùn)行狀態(tài)（諧波）和故障運(yùn)行狀態(tài)（短路）時(shí)的主要特征

1.1 不正常運(yùn)行狀態(tài)（諧波）時(shí)系統(tǒng)的主要特征

在一個(gè)平衡的三相系統(tǒng)中，單頻率諧波分量只能是完全正序的，或完全零序的，或完全負(fù)序的，這一點(diǎn)可以從相電流的傅里葉級(jí)數(shù)展開式中看出，并且可以得出下述結(jié)果：

•基波以及4次、7次、……諧波是正序的；

•2次、5次、8次、……諧波是負(fù)序的；

•3倍數(shù)次（3次、6次、9次、……）諧波是零序的。

需要指出的是：

•如果存在諧波，那么即使系統(tǒng)是平衡的，也存在零序和負(fù)序電流；

•由于平衡的3倍數(shù)次諧波電流是零序的，因此不能流入三角形連接電路中或中性點(diǎn)不接地的星形聯(lián)結(jié)電路中。

1.2 故障運(yùn)行狀態(tài)（短路）時(shí)系統(tǒng)的主要特征

單相短路接地：假設(shè)系統(tǒng)在f點(diǎn)發(fā)生a相單相短路接地故障時(shí)，其故障時(shí)轉(zhuǎn)換為ａ相電流的各序分量的邊界條件為：流過f點(diǎn)處各序電流大小相等，方向相同。

兩相相間短路：假設(shè)系統(tǒng)在f點(diǎn)發(fā)生b、c兩相相間短路，則其故障時(shí)轉(zhuǎn)換為ａ相電流的各序分量的邊界條件為：流過f點(diǎn)處的零序電流為零；負(fù)序分量和正序分量大小相等，且方向相反。

兩相接地短路：假設(shè)系統(tǒng)在f點(diǎn)發(fā)生b、c兩相接地短路，則其故障時(shí)轉(zhuǎn)換為ａ相電流各序分量的邊界條件為：流過f點(diǎn)的各序電流分量的矢量和為零。

三相短路：假設(shè)系統(tǒng)在f點(diǎn)發(fā)生a、b、c三相接地短路，則其故障時(shí)轉(zhuǎn)換為ａ相電流各序分量的邊界條件為：流過f點(diǎn)的負(fù)序電流和零序電流為零，而正序電流與f點(diǎn)處的系統(tǒng)電流大小相等方向相同。

2 區(qū)分不正常運(yùn)行狀態(tài)（諧波）和故障運(yùn)行狀態(tài)（短路）的方法

根據(jù)上述分析，可以得出系統(tǒng)運(yùn)行在不同工況時(shí)，回路中相序電流的特征，從而得出圖1所示一種可以區(qū)分系統(tǒng)不正常運(yùn)行狀態(tài)（諧波）和故障運(yùn)行狀態(tài)（短路）的方法。

圖1 區(qū)分系統(tǒng)不正常運(yùn)行狀態(tài)（諧波）和故障運(yùn)行狀態(tài)（短路）的方法
I1為正序電流；I2為負(fù)序電流；I0為零序電流；I為系統(tǒng)電流

3 繼電保護(hù)性能的改善及計(jì)算機(jī)仿真

由前述可見，通過比較系統(tǒng)中存在的相序電流，即可達(dá)到區(qū)分各次諧波及各類短路故障的目的。進(jìn)一步說，可以將繼電保護(hù)裝置中，測量比較環(huán)節(jié)和邏輯判斷環(huán)節(jié)中的開關(guān)量控制信號(hào)，由原來的一個(gè)（基波電流或基波電壓比較信號(hào)）增加為兩個(gè)，即：

•區(qū)分系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)和故障運(yùn)行狀態(tài)（短路）的開關(guān)量信號(hào)，即以基波電流為整定參考值的閥值信號(hào)；

•區(qū)分系統(tǒng)不正常運(yùn)行狀態(tài)（諧波）和故障運(yùn)行狀態(tài)（短路）的開關(guān)量信號(hào)，即以各序電流間的相互比較為參考的判斷信號(hào)。

也就是說，繼電保護(hù)裝置在以下兩種情況才會(huì)動(dòng)作：

•系統(tǒng)中發(fā)生某種短路故障，且當(dāng)故障電流超過整定的閥值電流時(shí)，保護(hù)動(dòng)作；

•系統(tǒng)由于某種原因存在某次諧波，且當(dāng)該次諧波的諧波含量超過規(guī)定值時(shí)，保護(hù)動(dòng)作。

以天津市某大型企業(yè)的配電系統(tǒng)為例，圖2為天津某公司配電系統(tǒng)的等值電路。

圖2 天津鋼管有限責(zé)任公司配電系統(tǒng)的等值電路
假設(shè)，10kV母線出線端的電流保護(hù)B1、B2的動(dòng)作閥值為Iz=1200A，B2為電力電子開關(guān)。當(dāng)B支路在負(fù)荷端發(fā)生短路故障，該線路電流增加，使得母線電壓下降，此時(shí)K閉合，無功補(bǔ)償裝置作用補(bǔ)償母線電壓。經(jīng)計(jì)算，由于無功補(bǔ)償?shù)氖褂茫瑫?huì)給正常運(yùn)行的系統(tǒng)帶來一定的諧波污染，以5次諧波為主

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式中L1、L2、L3——支路A、B線路及其負(fù)荷的等效感抗；

L0——無功補(bǔ)償裝置的等效感抗；

C——無功補(bǔ)償裝置的等效容抗。

然而，在無功補(bǔ)償裝置補(bǔ)償母線電壓的同時(shí)，它所引起的5次諧波使A支路（非故障線路）的電流瞬時(shí)增加，計(jì)算可得5次諧波作用下，流過A支路的電流*大值為：IAmax=1588.6A>1200A，此時(shí)電流保護(hù)B1動(dòng)作，從而擴(kuò)大了事故的范圍。圖3為諧波作用下支路A電流和繼電保護(hù)動(dòng)作狀態(tài)仿真圖。

圖3 諧波作用下的電流和繼電保護(hù)動(dòng)作狀態(tài)仿真圖
如果將上述的可區(qū)分故障電流和諧波電流的方法運(yùn)用到此系統(tǒng)中，即如前所述將繼電保護(hù)裝置中，測量比較環(huán)節(jié)和邏輯判斷環(huán)節(jié)中的開關(guān)量控制信號(hào)，由原來的一個(gè)（基波電流或基波電壓比較信號(hào)）增加為兩個(gè)，其邏輯關(guān)系如圖4所示。

圖4 繼電保護(hù)裝置邏輯判斷環(huán)節(jié)的邏輯關(guān)系圖
假設(shè)，10kV母線出線端的電流保護(hù)B1、B2的動(dòng)作閥值仍然為Iz=1200A，K為電力電子開關(guān)，此時(shí)設(shè)置諧波含量的比較值，即當(dāng)諧波電流占系統(tǒng)電流的比值大于30%時(shí)，繼電保護(hù)跳閘，否則不跳。

繼電保護(hù)根據(jù)是否有諧波導(dǎo)致的電流決定是否動(dòng)作，且通過此種方法可以得知此次的繼電保護(hù)跳閘，是由系統(tǒng)中存在的某次的諧波電流含量引起的，而不是由于故障電流導(dǎo)致的。

此種方法的實(shí)施，同樣不會(huì)影響系統(tǒng)某支路僅發(fā)生故障時(shí)繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作。

將相序分量理論應(yīng)用到區(qū)分電力系統(tǒng)故障運(yùn)行狀態(tài)和不正常運(yùn)行狀態(tài)中，找出了一種可以正確區(qū)分兩者，尤其是諧波電流和短路故障電流的方法；

增加繼電保護(hù)裝置的邏輯判斷環(huán)節(jié)中的控制信號(hào)，不但沒有影響系統(tǒng)中的繼電保護(hù)裝置，而且還可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)不正常運(yùn)行狀態(tài)（諧波）和故障狀態(tài)（短路）的區(qū)別，且仿真結(jié)果與理論分析一致。

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