来源：中国电力资料网　　　时间：2007-11-16　　字体：[ 大 中 小 ]　　投稿

安艳秋，高厚磊 

(山东大学电气工程学院，山东济南250061) 

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　　摘 要: 根据叠加原理给出正序故障分量的概念及特点，详细阐述正序故障分量在故障方向判别、相比较纵联保护、自适应电流保护及故障测距中的应用原理，对比说明基于正序故障分量的继电保护原理较传统保护所具有的优点。 

　　关键词: 正序故障分量; 继电保护; 故障测距  

1　引言 

　　对故障信息的识别和利用是实现继电保护的基础。传统继电保护原理如电流保护，距离保护，高频保护等都是通过检测故障后的工频量而建立起来的。由于被检测量中包含负荷分量（如负荷电流），而负荷分量属正常分量，不具备故障特征，其结果是给保护的正确动作带来不利影响。故障分量是由故障本身引起的，于负荷分量之外，因此基于检测故障分量的保护原理具有先天的优越性。故障分量可分为相故障分量和序故障分量，各有其不同的特点和用途。本文从正序故障分量的概念出发，探讨它在保护中的典型应用。 

2　正序故障分量及特点 

　　如图1所示两端供电系统，当线路上F点发生故障时，根据对称分量理论得到对应的正序复合序网如图2所示。  

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　　图2中，Zm1、Zn1为两侧系统正序阻抗，ZL1为线路正序阻抗，α为故障点百分数，ΔZ为故障附加阻抗，其值由故障类型决定。对图2作一等效处理：即在中性点和ΔZ之间串联接入两个大小相等相位相反的电压为F点正常电压）,如图3所示。运用叠加原理可将图3所示系统分解为正常运行状态（图略）和图4所示的故障附加状态［1］。  来源:http://www.tede.cn 

　　图4中,-称之为故障电动势，故障附加状态即是在故障电动势单独作用下对应的状态，其网络中的电压和电流称之为正序故障分量电压（如和正序故障分量电流（如）。求解时，只需从常规正序分量中减去对应的负荷分量，便可获得。不难看出，正序故障分量具有以下三个突出特点： 

　　1）正序故障分量不受系统电源电势影响，即与负荷情况无关； 

　　2）正序故障分量在任何故障类型下均存在，利用它能反映各种短路； 

　　3）正序故障分量电压在故障点处最大，在系统中性点处为零。 

　　正序故障分量的上述特点使它更适合用作继电保护中的检测量。下面对其典型应用进行讨论。 

3　故障方向判别 

　　在继电保护中，对故障方向进行判别是保证选择性的重要前提，故障方向判别元件因此成为继电保护装置的重要组成部分。传统保护中常用方向元件有三种：应用于电流电压保护的90°接线方向继电器；应用于接地故障保护的零序功率方向继电器；应用于高频保护中的负序功率方向继电器。第一种方向元件在发生经过渡电阻短路时灵敏度降低；在出口发生三相短路时存在死区。第二、三种方向元件虽然是基于故障分量原理的，但都不能反应所有的故障类型。基于正序故障分量的方向判别原理有望解决这些问题。 

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　　根据图4所示网络，正向F点发生故障时以下关系成立： 

　　其向量图如图5 所示。  

　　当图1所示系统在m母线背后F点发生短路时，其对应的故障附加状态如图6所示。  请登陆:输配电设备网 浏览更多信息 

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　　根据图6网络结构图，以下关系成立：  

　　其向量关系如图7所示。   

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　　由于Zm1与(Zl1+Zn1)的阻抗角十分接近，正、反向故障时保护安装处与的相位关系将因此相差近180°。据此只需设计一简单方向判据，便能可靠地判别出故障方向。（作者在一典型500 kV输电系统模型上对该原理进行过全面的仿真计算，结果与理论分析相吻合）。根据正序故障分量的特点，该原理具有以下优点： 

　　1）适合于任何故障类型下的方向判别，不需要故障选相； 

　　2）方向判别不受负荷电流和故障电阻的影响； 

　　3）愈靠近母线故障，灵敏度愈高，无电压死区。 

　　因此，该方法能克服传统90°接线方向元件、负序方向元件及零序方向元件所存在的问题。 

4　电流相位比较式纵联保护 

　　电流相位比较是纵联保护原理之一。它是根据线路两端电流在内、外部故障时的不同相位关系实现保护功能的。传统保护一般采用作为比较量，虽被国际所公认，但负荷电流与故障点过渡电阻对其灵敏度的影响一直不好解决。下面对基于正序故障分量的电流相位比较原理进行探讨。 

　　根据图4所示网络，内部故障时线路两端正序故障分量电流的相位关系为：  

　　上式表明，线路内部故障时，线路两端故障分量电流之间的相位关系仅与故障点两侧的综合阻抗的阻抗角有关，与两端电势无关，即不受负荷电流的影响。同时，故障点过渡电阻的存在只会影响两侧故障分量电流的大小，不会影响其相位关系。分析表明，在超高压输电系统中，θg不会超过25°，而在相同情况下，线路两端之间的相位差可高达90°~115°［1］。 

　　根据图6所示网络，线路外部故障时线路两端正序故障分量电流之间的相位关系为：  

　　从以上分析中可以看出，若选择线路两端正序故障分量电流作为相位比较量，不仅能够正确区分内、外部故障，而且能克服负荷电流和故障点过渡电阻对传统电流相位比较原理影响的缺陷。 

5　自适应电流保护 

　　传统电流速断保护为保证选择性而按躲开本线路末端最大三相短路电流来整定。由于定值过高，当运行方式较小时往往没有保护区。为克服这一缺点，人们提出了自适应电流速断保护的构成原理，其定值表达式如下式所示。  

　　式中：E——系统等值电源相电势 

　　ZS——当前运行方式下系统正序等值阻抗 

　　ZL——被保护线路正序阻抗 

　　kk——可靠系数 

　　kd——短路类型系数（三相短路取1，两相短路取） 

　　式(7)表明，自适应电流速断保护的定值是随系统运行方式和故障类型的不同而自动调整的，这种自适应实时定值调整方法能保证在任意故障条件下，保护都有相应的保护区。显然，要实现这一思想，必需实时测定故障类型和系统等值阻抗。相电流差工频变化量可实现故障类型测定，后者可利用正序故障分量解决。 来源:http://www.tede.cn 

　　如图4所示，假定保护装在M侧，根据保护背后电路有：  

　　式（8）表明，只要知道故障后保护安装处正序故障分量电压和电流，便可实时计算出背后的正序系统阻抗。目前的微机型保护能容易地做到这一点。  

6　故障测距 

　　快速、准确的故障定位能大大减轻巡线负担，缩短故障修复时间，提高供电的连续性和可靠性。传统单端量故障测距原理由于已知信息的局限性，理论上已决定其不能进行精确测距。影响其精度的主要因素有：故障电阻、系统阻抗、负荷电流。随着电力系统通信技术的不断发展和时间同步技术的应用，利用两端同步数据进行高精度故障测距成为可能。目前的双端量故障测距是基于线路两端故障后工频电压和电流进行的，它能完全消除故障电阻和系统阻抗对测距产生的不利影响，使测距具有较高的精度，但负荷电流的影响依然存在。在当前技术条件下，利用线路两端正序故障分量并采用精确线路模型，将获得理想的测距结果。下面给出基于正序故障分量的故障测距原理。 

　　由图4可知，假定线路两端正序故障分量电压和电流为同步向量［2］（具有统一参考基准,基于GPS的同步向量测量可以实现），则以下方程成立：   

　　式中：为故障点正序故障分量电压，Zl1为线路总的正序阻抗。 

　　式（10）表明，在已知线路两端正序故障分量电压和电流的条件下，故障位置能容易的确定出来；而且，这种测距方法不需故障类型判别，不受故障电阻和负荷电流的影响，具有很高的测距精度。本模型中没有考虑线路对地电容的影响，当应用于超高压长线路时将产生一定的测距误差，这可以通过建立π型等值或分布参数线路模型来解决。 

7　结论 

　　本文根据正序故障分量的概念及特点，在理论上详细分析了它在故障方向判别、电流相位比较纵联保护、自适应电流保护以及故障测距中的应用原理，并与传统保护原理进行对比分析。分析结果表明，基于正序故障分量的继电保护检测原理具有不需故障类型判别，不受故障点过渡电阻及负荷电流影响的突出优点，能克服传统保护存在的诸多缺陷。它的应用将大大改善传统继电保护的性能，具有广阔的应用前景。  

8　参考文献 

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　　1葛耀中.新型继电保护与故障测距原理与技术.西安:西安交通大学出版社,1996 

　　2Phadke A G.Synchronized phase measurements in power system.IEEE Computer Application in Power,1993，6(2):10~15 

　　3高厚磊等.基于GPS的双端量故障测距算法研究.电力系统及其自动化学报,1998，10（2）：27~32  下载本文