中性点直接接地系统的零序电流保护 - 图文

第三章 中性点直接接地系统的零序电流保护

一、零序电流保护及其在系统中的作用

不对称短路的计算相当于在短路点增加了一个额外附加阻抗的三相短路如下:

可见零序电流的大小与系统运行方式有关。但零序电流在零序网罗中的分布只与零序网络的结构以及变压器中性点接地的数目和位置有关。

图3-31（ b）为其短路计算的零序等效网络。

在零序等效网络中，零序电流看成是故障点F出现一个零序电压UF0产生的，其方向取由母线流向故障点为正。零序电压的方向采用线路高于大地的电压为正。这样，A母线的零序是电压表示为。

??UoA?(?Io1)ZoT1 （3-48）

该处零序电压与零序电流之间的相位差是由Z0T1的阻抗角决定的，与线路的零序阻抗无关，线路两端零序功率方向实际上都是由线路流向母线，与正序功率的方向相反

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利用零序分量构成线路接地短路的继电保护装置，由于工作原理与结构简单，不受负荷电流影响，保护范围比较稳定，正确动作率高达97%等优点，在我国大接地电流系统的不同电压等级电网的线路上，广泛装设带方向性和不带方向性的多段式零序电流保护，作为反应接地短路的基本保护。

二、中性点直接接地系统变压器中性点接地原则 中性点直接接地系统发生接地短路时，线路上零序电流的大小和分布，主要决定于电网中线路的零序阻抗和中性点接地变压器的零序阻抗 以及中性点接地变压器的数目和位置，对于变压器中性点接地的原则：

（1）发电厂及变电站低压侧有电源的变压器，若变电站中只有单台变压器运行，其中性点应接地运行，以防止出现不接地系统的工频过电压。

（2）自耦变压器和有绝缘要求的其它变压器其中性点必须接地运行；

（3）T接于线路上的变压器，以不接地运行为宜。当T接变压器低压侧有电源时，则应采取防止接地故障时产生工频过电压的措施 ，最好故障时将小电源解裂；

（4）为防止操作过电压，在操作时应临时将变压器中性点接地，操作完毕后再将其断开。

（5）从保护的整定运行出发，还应做如下考虑：变压器中性点接地运行方式的安排，应尽量保持同一厂（站）内零序阻抗基本不变，如：有两台及以上变压器时，一般只将一台变压器中性点接地运行，当该变压器停运时，将另一台中性点不接地变压器中性点直接接地运行，并把它们分别接于不同的母线上，当其中的一台中性点直接接地变压器停运时，将另

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一台中性点不接地的变压器直接接地。

如图3-32所示的系统发生接地短路时，可以清楚看出零序电流的数值和分布与变压器中性点接地有很大关系。只有变压器T1的中性点直接接地，当F点发生单相接地短路时，由于变压器T2的中性点不接地，所以零序电流只流经T1而不流向T2。T1的△侧绕组中虽然感应有零序电流，但它只在△侧绕组中环流而不能流向△侧的引出线。在图3-32（b）中，变压器T1、T2的中性点都直接接地。所以在F点发生单相接地时，零序电流经由T1、T2两条路径形成回路。在图3-32（c）中，变压器T1和T2的三个中性点都直接接地，当T2的低压侧F点发生单相接地时，不仅T2低压侧线路有零序电流，而且T1与T2之间的线路上也有零序电流。

三、三段式零序电流保护的整定

采用三相完全星形接线方式的相间电流保护，由于其动作电流较大，用来反应单相接地短路，灵敏性可能不满足要求。为了反应接地短路，必须装设专用的接地保护。

1． 零序电流速断保护

零序电流速断保护为了保证选择性，其保护范围不超过本线路末端，启动电流应按以下原则整定。

（1）躲过被保护线路末端接地短路时的最大零序电流3I0max，即

'' Ios.1t?Krel?3Iomax （3-49）

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?——可靠系数，取1.2～1.3。 式中Krel在接地短路中，应以常见的故障类型和故障方式为依据。

1）只考虑单一设备故障。对两个或两个以上设备的重叠故障，可视为稀有故障，不作为整定保护的依据。

2）只考虑常见的，在同一点发生单相接地或两相短路接地简单故障，不考虑多点同时短路的复杂故障。

当网络的正序阻抗等于负序阻抗时，即Z1=Z2，则在同一地点发生单相接地或两相接地短路的短路电流分别为：

(1)3Io?3E12Z1?Z0； 3Io(1.1)?3E1Z1?2Z0

(1)(1.1)如果Z0>Z1时，启动电流应采用单相接地短路时的零序电流3I0(1)来整定；3I0?3I0，

而当Z1> Z0时，3I0(1.1)?3I0(1)，启动电流应采用两相接地短路时的零序电流来整定。

（2）躲过断路器三相触头不同时接通时所引起的最大零序电流。 1）断路器先接通一相，相当两相断线时，零序电流为

??E1?E2

I0?2Z1??Z0? （3-50）

2）断路器先接通两相，相当一相断线时，零序电流为

??E1?E2I0?Z1??2Z0? （3-51）

???上两式E1、E2——断线点两端系统的等值电势，考虑最严重情况，E1与E2的相位差为 180°。Z1?、Z0?——从断线点看进去网络正序、零序综合阻抗。对于（3-50）、（3-51）两式，取其中的较大者进行整定计算。

（3）在装有综合重合闸的线路上，应躲过非全相状态下又发生振荡所出现的最大零序电流。

保护装置的灵敏性是以保护范围的长度来衡量。零序电流速断保护的长度不小于被保护线路全长的（15～20）%。如果按这一条件整定，在正常情况下发生接地故障时，其保护范围太小，不满足要求，通常可以设置两个零序I段保护，一个按条件（1）、（2）整定的零序I段（称灵敏I段），其主要任务是对全相运行状态下的接地故障起保护作用，在单相重合闸启动时，将其闭锁，另一个是按条件（3）整定的I段（称不灵敏I段）装设的目的是在单

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相重合闸过程中，又发生接地故障时起保护作用。

2．零序电流限时速断保护

零序电流限时速断保护的动作范围应包括线路的全长，启动电流按以下原则整定。 （1）启动电流应与下一线路零序电流速断保护配合，即躲过下一线路零序I段保护范围末端接地短路时，通过本保护的最大零序电流。

''Iost1?KrelKob''Iost2 （3-52）

'?st2应选择其中的最大者。Krel??为可靠系灵敏，取1.1；相邻线路有多条出线时，上式的IoKob为最小分支系数，其值等于下一线路零序I段保护范围末端接地短路时，流经故障线路与本线路的零序电流之比的最小值。动作时限为0.5秒。

用被保护线路末端接地短路时，流过保护的最小零序电流进行灵敏度校验，灵敏系灵敏

Ksen?1.3~1.5。若灵敏度校验不合格，改用下面两种方法整定。

（2）与下一段线路零序电流限时速断保护相配合进行整定，即，

Iost1?''KrelKob''Iost2 （3-53）

''时限再抬高一级，取1～1.2秒。

（3）保留灵敏度校验不满足要求，时限为0.5秒的零序Ⅱ段。一人定值较大，能在正常运行方式或最大运行方式下，以较短的延时切除本线路的接地短路，另一个则具有较长的延时，保护各种运行方式下线路末端接地短路时，具有足够的灵敏系数。

3、零序过电流保护

零序过电流保护主要作为本线路零序I段和零序Ⅱ段的近后备和相邻线路、母线、变压器接地短路的远后备保护。在终端线路上可以作为主保护使用。

启动电流以下面原则进行整定。

（1）躲过相邻线路出口处三相短路时所出现的最大不平衡电流，

Iost?KrelIub?max （3-54）

'''（2）启动电流按逐渐配合的原则整定，即本线路零序过电流保护的保护范围不能超出相邻线路上零序过电流的保护范围。逐级配合的原则是保证电网保护有选择性动作的重要原则，不遵守这条原则就难免出现保护越级跳闸。

例如：假定图3-33中三段式零序电流保护A没有按上述原则严格地与相邻线三段式零序电流保护B相配合。尽管保护B的第二段对线路B末端故障有足够灵敏度，保护A的第三段在动作时间上大于保护B的第二段动作时间，但是保护A第三段在灵敏度上与保护B的二、三段不配合，其动作特性如图3-33所示，出现相互交错的情况，如图中打叉部分。此时，虽然在线路B上发生的金属性接地故障，仍可以由保护B的第一段或第二段动作，有选择地切除故障，但在下述许多情况下，如果保护B第二段不能可靠动作，则可以导致保护A越级跳闸。

1）在线路B末端发生经大过渡电阻的接地故障（如对树放电，对竹子放电等）时，保护B第二段不一定能动作，但第三段可以动作。然而保护A第三段因为其动作特性与保护B第三段重迭，也可能同时动作，后果是造成线路A不必要地被切断。

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2）线路B的始端断路器因故断开一相，但负荷较轻，其两相运行零序电流较小，不足以起动保护B第三段。这本来完全可以由运行人员手动处理，或依靠断路器非全相保护动作，跳开三相断路器，但由于保护A第三段的灵敏度与保护B第三段不配合，它反而可能动作而越级跳开A断路器。

3）在线路C发生金属性接地故障而其断路器因故拒绝动作时，本来可以靠保护B作为后备，跳开B断路器，但由于保护A与保护B动作特性重迭，因而可能导致断路器A越级跳闸。 上述配合原则，不仅适用于第一次故障的情况，还应该同样适用于重合闸过程中又发生故障（单相重合过程中健全相又故障）和重合于永久性故障的情况。

当零序电流保护作近后备时，校验接地短路点在被保护线路的末端，要求灵敏系数

Ksen?1.3~1.5；而作为远后备时，校验接地短路点在相邻线路的末端，要求灵敏系数

Ksen?1.2。

按上述原则整定的零序过电流保护，起动电流一般较小，因此，当本电压级电网内发生接地短路时，凡零序电流流过的各个保护都能起动，为了保证各保护之间动作的选择性，它们的动作时限应按阶梯原则来选择，与相同故障电流保护时限特性一样，所不同的时是接地故障零序电流保护的动作时限不须从离电源最远处的保护开始逐级增大，而相间故障的电流保护的动作时限则必须从离电源最远处的保护开始逐级增大，如图3-34所示（其中时间阶梯特性1代表零序电流保护的时限特性，2代表相同短路电流保护的时限特性）。这是因为变压器T1的△侧以后无零序电流流通之故。

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四、零序电流滤过器

线路零序电流保护的零序电流，除了单台Y，d变压顺单回出线的变电所，可以取自变压器中性点电流互感器之外，一般都取自线路三相电流互感器组成的零序电流滤过器。微机

?????保护用的I0，一般由软件构成3I0?IA?IB?IC。

一般变压器的零序电流保护，可以自变压器中性点电流互感器取得零序电流。但对自耦变压器，由于不是所有接地故障都能在变压器中性点产生具有一定方向、并且幅值足够的零序电流，所以它的零序电流保护，一般不是从变压器中性点取得零序电流，而是从变压器出口零序电流滤过器取得零序电流。例如：当在图3-35中所示的自耦变压器的高压侧发生

??接地故障时，高压绕组通过零序电流II0，并产生零序安匝II0NI0。它的一部分为三次△

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绕组产生的零序安匝I?III0NIII所抵销，剩下部分才分为二次绕组产生的安匝

?IIII0NII所抵销。

而一、二次安匝的比例关系又决定于二次绕组所在电网零序综合阻抗Z?0的值，当Z?0为某一值时，一、二次安匝比可能等于一、二次匝数比，即

??I ?INI?IIINII?NINII

此时，一、二次电流大小相等，但方向相反，即

?? II??III

一、二次电流将在共用的绕组中完全抵销，因而在中性点不出现电流；当Z?0大于此值时，中性点零序电流将与高压侧故障电流同相；当Z?0小于此值时，中性点零序电流又将与高压侧故障电流反相。

采用零序电流滤过器方式时，由于三个电流互感器的变比误差不一致以及励磁电流有差异等原因，正常时就存在不平衡电流。当发生相间故障时，一次电流增大，不平衡电流也将随之增大，在整定灵敏的零序电流保护时，必须考虑这个因素。

用三相电流互感器构成的零序电流滤过器的原理图如图3-36所示。由图可知

???? Ik?Ia?Ib?Ic （3-55）

?对于三相对称的正序电流或负序电流，其输出电流为零，即IK?0，对于零序电流，

??则IK?3I0。由此可知，这种零序电流滤过器的输出电流实际上就是电流互感器星形接线方式的中线电流。因此，在继电保护的具体接线中并不需要专设一组电流互感器来构成零序电流滤过器，只要把零序保护的电流线圈直接串接在相间短路保护用电流互感器的中线上即 可。

?图3-37示出了一个电流互感器的等效电路，若考虑励磁电流If的影响，则二次电流与一次电流的关系为

? I2?1KTA??(I1?If) （3-56）

于是，这种零序电流滤过器的等效电路可用图3-38表示，其输出电流为

???? Ik?Ia?Ib?Ic=

1KTA1KTA[(IA?I???f?A)+(I?B??If?B)+(IC?I?f?A?I??f?C)]

? =[（IA???B?ICI）—（I??f?B?If?C）] （3-57）

??在电网正常运行或发生非接地相间短路故障时，IA?IB?IC?0，滤过器的输出电流

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为

?

?Ik=

?1KTA（I?f?A??f?B?I?If?C）=Iub （3-58）

?式中Iub称为零序电流滤过器的不平衡电流，它是由于三个电流互感器励磁电流不完全相等和三相不完全对称而产生的。电流互感器铁芯饱和特性的差异和制造过程中的其它差异，都会引起励磁电流的变化。当系统发生相间短路时，电流互感器的一次电流很大，且含有大量的非周期分量，使铁芯饱和程度加剧，不平衡电流也较大。 五、方向性零序电流保护

1．零序功率向方向继电器的动作特性及其接线。

在大接地电流系统中，如果线路两端的变压器中性点都接地，当线路上发生接地短路时，在故障点与各变压器中性点之间都有零序电流流过，其情况和两侧电源供电的辐射形电网中的相间故障电流保护一样。为了保证各零序电流保护有选择性动作和降低定值，就必须加装方向继电器，构成零序方向电流保护，使得零序方向电流保护在母线向线路输送零序功率时退出，而线路向母线输送零序功率时投入。

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正确的零序功率方向继电器的动作特性和接线，应在被保护线路正方向接地故障时，使零序电流与零序电压的相位关系进入继电器动作区的较灵敏部分。

当电流自母线流向线路为正，电压以线路高于大地为正时，线路正方向故障，零序电流越前零序电压180°-θ，θ为变电所变压器零序阻抗的阻抗角。如果θ为85°，则零序

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