摘 要 复杂电力系统发生复故障时，方向高频保护可能正确动作也可能不正确动作，而继电保护的不正确动作将直接危害电力系统的安全稳定运行。为了检验方向高频保护在复杂电力系统发生复故障情况下的动作性能，本文采取理论分析和emtp仿真相结合的方式，对各种方向高频保护及其方向元件在区内外同时发生故障和区外发生复故障两种故障情况的动作行为进行了研究。结果表明：在多数复故障情况下，方向高频保护能够正确动作；但是当区内经高阻短路并伴随区外不对称故障时，某些方向高频保护可能出现拒动。
关键词 方向高频保护 方向元件 复故障 复杂电力系统
1 引言
在高压和超高压的中、长线路上，为了瞬时切除区内故障，保证系统稳定，通常采用方向高频保护。目前在电力系统实际应用的方向高频保护可以分为两大类：基于故障全量的方向高频保护［2］［3］和基于故障分量的方向高频保护［4］［5］。这些方向高频保护在双端电源系统中的动作行为已经有详尽的理论分析并取得了实际运行经验。但是，由于对复杂电力系统故障，尤其是复故障进行理论分析的难度较大，对各种方向高频保护在复杂电力系统中动作行为的分析尚不完善，导致在复故障情况下保护不正确动作，危害电力系统的安全稳定运行。随着我国电力系统的快速发展，电网复杂程度的提高，这些方向高频保护需要面对更加复杂的故障情况和更高的可靠性要求，因此，对复杂系统中方向高频保护的动作行为，尤其是复故障条件下的动作行为的分析具有重要的理论意义和实用价值。
基于文献［1］提出的利用故障附加网络直接计算复故障的方法，本文对复杂系统发生复故障进行了计算；对多电源环网系统中发生复故障时各种方向高频保护的动作行为进行了分析和仿真。本文分析的复故障包括以下两种情况：（1）区内发生短路故障，区外发生不对称故障；（2）区内无故障，区外发生短路故障、不对称断线故障和电容器不对称击穿故障等构成的复故障。本文分析的方向高频保护包括：（1）基于故障分量的方向高频保护：正序故障分量（负序、零序）方向高频保护［2］［4］、工频变化量方向高频保护［5］等；（2）基于故障全量的方向高频保护：相电压补偿式方向高频保护［3］、距离高频保护［2］等。
为了验证理论分析结论，本文以文献［1］给出的三电源环网系统为仿真模型，对线路mn的f2、f3点分别发生a相断线和c相电容击穿，同时线路np发生各种短路故障的情况进行了仿真。在分析区内故障时，以线路np为研究对象，在分析区外故障时，以线路mp为研究对象。
故障类型：a相接地短路，bc两相接地短路，bc两相短路，abc三相短路。
故障点：从距离n端母线30 km开始，以30km为步长，共9个故障点；
接地过渡电阻：0，2，20，50，100，200ω；
相间过渡电阻：0，2，20，40，100ω。
2 正序故障分量（负序、零序）方向高频保护［2］［4］
基于叠加原理，故障后的系统可以视为正常运行系统和故障附加系统的叠加。其中故障分量是故障后所特有的故障信息，原则上它能够清楚的表征故障状态。因此，先后出现了三种利用故障分量的方向元件—正序故障分量方向元件［4］、负序方向元件［2］和零序方向元件［2］，三种方向高频保护—利用正序故障分量的方向高频保护［4］、负序方向高频保护［2］和零序方向高频保护［2］。这三种方向高频保护的方向元件的基本原理都是通过比较故障分量序电流和序电压之间的相位关系（计算两个相量的相位差）判断故障方向，动作方程为
2．1 区内外同时故障时正序故障分量方向高频保护动作性能
正序故障分量方向高频保护在区内发生各种类型的故障，同时区外发生不对称故障时正确动作，受故障位置的影响较小，但是当过渡电阻较大时该方向高频保护可能出现拒动。
仅以线路np上距离n端母线150 km处的kz点为例进行分析和说明。表1给出了kz点分别发生单相接地短路和三相对称短路时，线路np两端保护的正序故障分量方向元件的动作行为。其中，符号‘√’标志方向元件判断为正方向故障（下同）。
从表1可以看出，金属性短路时，方向元件动作最灵敏。随着过渡电阻增大，方向元件的相位差略有变化。当过渡电阻由100ω增大到200ω时，n侧方向元件的相位差有一个很明显的变化。造成上述现象的原因是在系统发生复故障时，线路保护测量到的故障分量由区内故障和区外故障分别引起的故障分量共同组成，而区外故障引起的故障分量会干扰方向元件对故障方向的准确判断，对方向元件的动作性能产生不利影响。
结合仿真结果作进一步的理论分析，可以得到下述结论：
（1）在区内短路的过渡电阻较小，区内故障的故障分量远大于区外故障的故障分量时，方向元件的动作行为
