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区分故障电流和谐波电流的新方法

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

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。

图2 天津钢管有限责任公司配电系统的等值电路
假设，10kV母线出线端的电流保护B1、B2的动作阀值为Iz=1200A，B2为电力电子开关。当B支路在负荷端发生短路故障，该线路电流增加，使得母线电压下降，此时K闭合，无功补偿装置作用补偿母线电压。经计算，由于无功补偿的使用，会给正常运行的系统带来一定的谐波污染，以5次谐波为主

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式中L1、L2、L3——支路A、B线路及其负荷的等效感抗；

L0——无功补偿装置的等效感抗；

C——无功补偿装置的等效容抗。

然而，在无功补偿装置补偿母线电压的同时，它所引起的5次谐波使A支路（非故障线路）的电流瞬时增加，计算可得5次谐波作用下，流过A支路的电流*大值为：IAmax=1588.6A>1200A，此时电流保护B1动作，从而扩大了事故的范围。图3为谐波作用下支路A电流和继电保护动作状态仿真图。

图3 谐波作用下的电流和继电保护动作状态仿真图
如果将上述的可区分故障电流和谐波电流的方法运用到此系统中，即如前所述将继电保护装置中，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，其逻辑关系如图4所示。

图4 继电保护装置逻辑判断环节的逻辑关系图
假设，10kV母线出线端的电流保护B1、B2的动作阀值仍然为Iz=1200A，K为电力电子开关，此时设置谐波含量的比较值，即当谐波电流占系统电流的比值大于30%时，继电保护跳闸，否则不跳。

继电保护根据是否有谐波导致的电流决定是否动作，且通过此种方法可以得知此次的继电保护跳闸，是由系统中存在的某次的谐波电流含量引起的，而不是由于故障电流导致的。

此种方法的实施，同样不会影响系统某支路仅发生故障时继电保护装置的动作。

将相序分量理论应用到区分电力系统故障运行状态和不正常运行状态中，找出了一种可以正确区分两者，尤其是谐波电流和短路故障电流的方法；

增加继电保护装置的逻辑判断环节中的控制信号，不但没有影响系统中的继电保护装置，而且还可以实现对系统不正常运行状态（谐波）和故障状态（短路）的区别，且仿真结果与理论分析一致。

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