1、第8章 电力系统故障特征及其应用教学目的：教学目的：掌握不对称故障序分量的关系掌握不对称故障序分量的关系 掌握利用相电流差突变量构成的选相原掌握利用相电流差突变量构成的选相原 掌握工频变化量方向元件的工作原理掌握工频变化量方向元件的工作原理 第一节第一节 短路故障序分量的关系短路故障序分量的关系 一、故障线路和非故障线路两侧序电流相位关系一、故障线路和非故障线路两侧序电流相位关系 线路一侧序电流的正方向规定由母线指向被保护线路线路一侧序电流的正方向规定由母线指向被保护线路.(a)(b)（a a）电力系统接线）电力系统接线 （b b）负序网络）负序网络 在负序网络中形成两个分支电流在负序网络中形
2、成两个分支电流 和和 ,当负序网络中各元件具有当负序网络中各元件具有相同的阻抗角时，则相同的阻抗角时，则 和和 同相位。同相位。F2IF2IF2IF2I 对于故障线路对于故障线路PN，显然，显然 ，所以故障线路两侧的负序所以故障线路两侧的负序电流同相位。电流同相位。对于非故障线路对于非故障线路MP，是穿越电流，是穿越电流，故非故障线路，故非故障线路两侧的负序电流反相位。两侧的负序电流反相位。P2F2N2F2IIII、F2IM2F2P2F2IIII、可见，比较输电线路两侧负序电流的相位关系，可以检测出故障线路和非可见，比较输电线路两侧负序电流的相位关系，可以检测出故障线路和非故障线路，当然，这是
3、指输电线路两侧存在负序电流时的情况故障线路，当然，这是指输电线路两侧存在负序电流时的情况。其中其中 均是正序电流突变量均是正序电流突变量，故障线路故障线路PN两侧两侧的的 同相位；非故障线路同相位；非故障线路MP两侧的两侧的 反相位，于是，反相位，于是，比较输电线比较输电线路两侧正序电流突变量的相位关系，同样能检测出故障线路和非故障线路。路两侧正序电流突变量的相位关系，同样能检测出故障线路和非故障线路。M1P1P1III、N1I、F1IF1IP1N1II、M1P1II、对于接地短路时，在中性点直接接地的电力系统中存在零序电流，该零序电对于接地短路时，在中性点直接接地的电力系统中存在零序电流，该
4、零序电流必然存在于零序网络中流必然存在于零序网络中,当故障线路两侧均有中性点接地时当故障线路两侧均有中性点接地时，故障线路两侧的故障线路两侧的零序电流同相位零序电流同相位；对非故障线路，如果存在零序电流，该零序电流呈穿越性质，；对非故障线路，如果存在零序电流，该零序电流呈穿越性质，所以所以非故障线路两侧的零序电流反相位非故障线路两侧的零序电流反相位。二、正向、反向故障时序电流和序电压的相位关系二、正向、反向故障时序电流和序电压的相位关系正方向故障正方向故障 M2M2M2P2P2M2MP2N2N2N2()UIZUIZZUIZ P2P2M2MP2()UIZZ反方向故障反方向故障 负序电流和负序电压
5、间的相位关系负序电流和负序电压间的相位关系（a）正方向故障）正方向故障（b）反方向故障）反方向故障2o21802I2U22I2U（a）（b）正方向短路时，负序电流超前负序电压的相角为正方向短路时，负序电流超前负序电压的相角为 ，其中，其中 是元件的负序阻抗角。另外，该式也表明了正方向故障时负序电流和负序是元件的负序阻抗角。另外，该式也表明了正方向故障时负序电流和负序电压间的相位关系，由保护反方向上的等值负序阻抗角决定电压间的相位关系，由保护反方向上的等值负序阻抗角决定.反方向故障时，负序电流滞后负序电压的相角为反方向故障时，负序电流滞后负序电压的相角为 。该式表明了反。该式表明了反方向故障时，
6、负序电流和负序电压间的相位关系，由保护正方向上的等值方向故障时，负序电流和负序电压间的相位关系，由保护正方向上的等值负序阻抗角决定负序阻抗角决定.o2180222U当保护安装处的当保护安装处的 的相角为的相角为 （一般为（一般为 ）时，）时，说明短路故障在保护正方向上；当说明短路故障在保护正方向上；当 滞后滞后 的相角为的相角为 （一般（一般为为 ）时，说明短路故障在保护反方向上。）时，说明短路故障在保护反方向上。22IU超前o2180oo100 1102I2oo80 70Note：对于无源的零序网络也有与负序网络相似关系。同样可以通过判对于无源的零序网络也有与负序网络相似关系。同样可以通过判
7、别别正方向、反方向接地短路时正方向、反方向接地短路时 有不同的相位关系，可判别出接地有不同的相位关系，可判别出接地故障发生在保护的正方向上还是反方向上，从而检测出了接地故障的方故障发生在保护的正方向上还是反方向上，从而检测出了接地故障的方向。向。00UI和三、接地故障时负序电流与零序电流间的相位关系三、接地故障时负序电流与零序电流间的相位关系 两相接地时，非故障相故障点电流中负序和零序分量的幅值虽然不同，但是两相接地时，非故障相故障点电流中负序和零序分量的幅值虽然不同，但是相位相同。相位相同。(a)（b）（c）（d)FA2I（a）A相接地；（b）B相接地；（c）C相接地；（d）以 为基准时不同
8、相别单相接地时零序电流的相位 单相接地时，故障相故障点电流中正序、负序和零序分量不仅幅值相单相接地时，故障相故障点电流中正序、负序和零序分量不仅幅值相同，而且相位也相同；同，而且相位也相同；C相接地时，相接地时，与与 间的相位关系为间的相位关系为 对应于图（对应于图（d）中）中 的的 区。区。0IA2Ioo0A2180arg300IICNote:利用上述关系可以在利用上述关系可以在单相接地时选择出故障相。单相接地时选择出故障相。0IA2IAoo0A 260arg180IIA相接地时，相接地时，与与 间的相位关系为间的相位关系为 对应于（对应于（d）中的）中的 区。区。BB相接地时，相接地时，与
9、与 间的相位关系为间的相位关系为 oo0A260arg60II0IA2I对应于图（对应于图（d）中的）中的 区。区。a）（b）（c）（d）不同相别两相接地时不同相别两相接地时 与与 间的相位关系间的相位关系（a）BC相接地；（相接地；（b）CA相接地；（相接地；（c）AB相接地；（相接地；（d）以）以 为为基准时不同相别单相接地时零序电流的相位基准时不同相别单相接地时零序电流的相位FA2IF 0IFA2INote：当经过很大过渡电阻接地故障时，会影响：当经过很大过渡电阻接地故障时，会影响 与与 的相的相角关系，上述结论会有偏差。角关系，上述结论会有偏差。FA2IF 0I第二节第二节 断线故障序
10、分量的关系断线故障序分量的关系一、故障线路和非故障线路两侧序电流相位关系一、故障线路和非故障线路两侧序电流相位关系 非全相运行时负序网络非全相运行时负序网络 断线故障情况下，全相运行线路断线故障情况下，全相运行线路PN和非全相运行线路和非全相运行线路MP中都存中都存在负序电流，且负序电流均是穿越性的，即在负序电流，且负序电流均是穿越性的，即 、，所以非全相运行线路、全相运行线路两侧的负序电流均呈反相关系，类所以非全相运行线路、全相运行线路两侧的负序电流均呈反相关系，类似于输电线路外部发生了不对称短路故障。似于输电线路外部发生了不对称短路故障。M2P20IIP2N20IINote：由于负序网络与
11、零序网络都是无源网络，所以，断线时，零序由于负序网络与零序网络都是无源网络，所以，断线时，零序电流的相位关系与负序电流的相位关系相同。电流的相位关系与负序电流的相位关系相同。二、输电线路序电流和序电压的相位关系 全相运行线路全相运行线路PN，有，有P2P2PN2N2()UIZZN2N2N2UIZ P侧的侧的 、的相位关系相当于反方向上发生了短路故障；的相位关系相当于反方向上发生了短路故障；N侧的侧的 、的相位关系相当于正方向上发生了短路故障。可见，全相运行线路两的相位关系相当于正方向上发生了短路故障。可见，全相运行线路两侧侧 、的相位关系与区外发生短路故障时的相位关系一样。的相位关系与区外发生
12、短路故障时的相位关系一样。P2UP2IN2UN2I2U2IP2P2PN2N2M2M2M2()UIZZUIZ 2U2I对于非全相运行线路对于非全相运行线路MP，假设断口一侧的负序电压由母线电压互感器二次，假设断口一侧的负序电压由母线电压互感器二次侧获得，有侧获得，有 两侧两侧 、的相位关系与输电线路内部发生短路故障时的相位关系相同的相位关系与输电线路内部发生短路故障时的相位关系相同当断口一侧的负序电压由线路电压互感器二次测获得时，有当断口一侧的负序电压由线路电压互感器二次测获得时，有 两侧两侧 、的相位关系的相位关系与输电线路外部发生短路故障时的相位关系相同与输电线路外部发生短路故障时的相位关系
13、相同。P2P2PN2N2M2M2MP2PN2N2()()UIZZUIZZZ 2U2I第三节第三节 复故障分析复故障分析 复故障：可能两处同时发生短路故障和断线故障。常见的复故障形式：当线路的一侧附近发生单相接地时，该侧保护动作，断路器断开，而另一侧断路器还没有断开；单相接地故障发生后，两侧保护动作，故障相两侧断路器断开，而这时健全相又发生接地故障一、单相断线接地复故障下电气量的计算一、单相断线接地复故障下电气量的计算（一）复故障的分析方法 A相断线并接地的系统分析图（a）单相断线接地系统图（b）单独断线状态（c）断线接地故障附加状态 叠加定理（a）=（b）+（c）（二）保护安装处电流计算MAM
14、AMAMAMBMBMBMCMCMCIIIIIIIIIIA相的各序电流为 MA1MA1MA1MA2MA2MA2MA0MA0MA0IIIIIIIII二、线路两侧序电流相位关系的分析二、线路两侧序电流相位关系的分析 线路上单相接地短路且一侧单相跳闸后，线路两侧正序、负序、零序电流间的相位关系与短路点位置有关。MF1MF0ZZ当F点靠近M端时，可能 ，在N侧单相跳闸后，两侧负序电流同相位，而两侧零序电流反相位。MF1MF0ZZ当图（a）中的短路点F点靠近N端时，在N侧单相跳闸后，两侧负序电流呈反相位、两侧零序电流呈同相位；三、线路两侧的序电压和序电流的相位关系分析三、线路两侧的序电压和序电流的相位关系
15、分析当负序（零序）电压取自于母线上时：M、N母线上的负序（零序）电压滞后负序（零序）电流，相当于正方向上发生了短路故障。即当负序（零序）电压取自于母线上时，序电压与序电流的相位关系不受线路故障类型的影响。当负序（零序）电压取自于线路电压互感器时：M侧相位关系与负序（零序）电压取自于母线电压互感器时相同，相当于正方向上发生了短路故障。在 时，N侧A相跳闸后，N侧零序电流超前线路侧零序电压，相当于正方向上发生了短路故障；N侧负序电流滞后线路侧负序电压角，相当于反方向上发生了短路故障。MF1MF0ZZMF1MF0ZZ在 情况下，N侧A相跳闸后，情况相反，负序电流超前线路负序电压，零序电流滞后线路侧零
16、序电压角,相当于正方向上发生了短路故障。第四节第四节 相电流差突变量选相相电流差突变量选相元件的构成原理元件的构成原理一、选相原理一、选相原理相电流差突变量选相元件是在系统发生故障时利用两相电流差的变化量的幅值特征来区分各种类型故障。单相接地短路的相电流差突变量的幅值特征是两非故障相电流差等于零 两相短路的相电流差突变量的幅值特征是两故障相电流差值最大 三相短路的相电流差突变量的幅值特征是三个两相电流差故障分量均相等 两相接地短路的相电流差突变量的幅值特征与两相短路相同 附加措施：检察是否有零序电压或零序电流 区分接地故障还是两相短路。二、故障相的判别二、故障相的判别 三、对相电流差突变量选相
17、元件的评价三、对相电流差突变量选相元件的评价特点:1、不受负荷电流和过渡电阻影响。12ZZ3、在 的系统中，单相接地短路时，由于非故障相两相电流差的变化量不等于零，因此，应通过对实际系统的计算确定单相接地短路的选相条件。2、能正确区分出单相接地短路和两相或三相短路。4、在两相接地短路时可能出现的误选相问题。5、该原理的选相元件不能用在弱电侧。第五节第五节 工频变化量方向元件工频变化量方向元件一、工频变化量方向元件的算法一、工频变化量方向元件的算法 原理是比较电压和电流故障分量的相位 .+F1212COM12DArgUI ZI ZF1212DArgUI Z正方向元件 反方向元件 算法为模拟阻抗
18、DZ补偿阻抗 COMZSL/0.5Z Z COM0ZCOMset0.5ZZ取否则取二、工频变化量方向元件的工作原理二、工频变化量方向元件的工作原理（a）（b）、元件原理分析图（a）正向短路系统图 （b）反向短路系统图+FFo12S12COMSCOM12DD()ArgArg180I ZI ZZZI ZZo12SS1212D12DDArgArgArg0I ZZUI ZI ZZ正方向短路：11 S22SUIZUI Z；121212S12 S()UUM UIM I ZI Z为转换因子，不同的故障类型取不同的值，以提高方向元件的灵敏度。M反向短路时 11S22SUI ZUI Z；121212S12S()UUM UIM I ZI ZCOMSSCOMDArg0ZZZZZ oSDArg180ZZ结论：工频变化量方向元件 、所测得的相位在正、反向故障时正好相反，因此，该元件具有明确得方向性。+FF特点:COMZ1、通过引入补偿阻抗 来提高正向故障时方向元件的灵敏性，且不影响反方向故障时的方向性；2、不受过渡电阻的影响；3、不受串补电容的影响；4、不受负荷电流的影响。第六节第六节 故障录波器录波波形故障录波器录波波形的分析的分析线路上发生AB两相短路的录波图线路上发生转换性接地故障的录波图
