第二章单侧电网保护第三节中性点直接接地系统.doc

电力系统中性点工作方式及应用场合：
中性点直接接地，中性点不接地和中性点经消弧线圈接地。
110KV及以上电网--中性点直接接地系统（大接地电流系统）
60KV及以下电网----中性点不能接地或不直接接地（小接地电流系统）
当中性点直接接地系统中发生接地短路时，将出现很大的零序电压和电流，利用零序电压、电流来构成接地短路的保护，具有显著的优点，被广泛应用在110KV及以上电压等级的电网中。
运行经验表明，在中性点直接接地系统中，单相接地短路故障几率占总故障率的70%-90%。所以如何正确设置接地故障的保护是该系统的中心问题之一。而在该系统中发生K（1），系统中会出现零序分量，而正常运行时无零序分量。故可利用零序分量构成接地短路的保护。
零序电流是由故障点施加的零序电压产生的，经过线路、接地变压器的接地支路（中性点接地）构成回路。
零序电流的正方向规定----由母线流向线路为正；
零序电压的正方向规定----线路高于大地的电压为正；
一、零序分量的特点
（一）零序电压：故障点U0最高，离故障点越远，U0越低，变压器中性点接地处U0=0
零序阻抗和零序等效网络    与送电线路和中性点接地变压器的位置和数目有关，而与电力系统运行方式无关
 系统正序阻抗和负序阻抗会随着系统运行方式的变化而变化，正，负阻抗的变化将引起故障点处三序电压之间的分配的变化，因而间接影响零序分量的大小。

（二）零序电流：零序电流由零序电压U0产生的，由故障点经线路流向大地。忽略回路的电阻时，由按照规定的正方向画出的零序电流、电压的相量图如图所示D：流过故障点两侧线路保护的电流I'o和I''o将Uko超前90度：
·计及回路电阻时，若取零序阻抗角为Φko=80度，则相量图E所示，电流I'o和I''o将超前Uko100度；
·分布：与中性点接地变压器的位置有关；
·大小：与线路及中性点接地变压器的零序阻抗有关：与电源的分布和多少无关。
（三）零序功率及分布
·大小：短路点U0最大，S0最大：变压器中性点处的U0最小，S0最小；
·方向：零序功率的方向与正序功率的方向相反，从线路→母线。零序功率与正序功率方向向反
（四）保护安装处U0与I0之间的相位关系
从任一保护安装处的零序电压和电流之间的关系看，由于A母线上的零序电压实际上是从该点到零序网络中性点之间零序阻抗上的电压降，因此可表示为：Uab=-Io*Zt1.0
该处零序电流和零序电压之间的相位差由Zt1.0的阻抗 角决定：与被保护线路的零序阻抗及故障点的位置无关。
二、零序电压、电流滤过器
1零序电压滤过器

⑴三个单相式电压互感器如图2.39A
⑵三相电压互感器如图2.39B所示的a,b,c分别反映ABC三相电压，右侧为开口三角与A一样
其一次绕组接成星形并将中性点接地，其二次绕组接成开口三角形，这样从m,n端子得到的输出电压为：
Umn=Ua+Ub+Uc=3U0
⑶集成电路式保护和数字式保护中，由电压形成回路取得三个相电压后，利用加法器将三个相电压相加（如图2.39D）
⑷当发电机的中性点经电压互感器（或消弧线圈）接地时，如图2.39C从它的二次绕组中也能够取得零序电压。
注意：
⑴正常运行和电网相间短路时，由于电压互感器的误差以及三相系统对地不完全平衡，在开口三角形侧也可能有数值不大的电压输出，此电压称为不平衡电压，以Uunb表示
⑵当系统中存在有三次谐波分量时，一般三相中的三次谐波电压是同相位的，在零序电压过滤器的输出端也有三次谐波电压输出。对反应于零序电压而动作的保护装置，应该考虑躲开他们的影响。
2、零序电流滤过器

⑴采用三相电流互感器按图2.40A接线，此时流入继电器回路中的电流为 Ir=Ia+Ib+Ic
可见，电流互感器采用三相星形接线方式，在中性线上所流过的电流就是3Io，并不需要专门的一组电流互感器，而是接入相间保护用的电流互感器的中性线上即可。
零序电流；滤过器也会产生不平衡电流 图2.41

为一个电流互感器的等效电路，考虑励磁电流Iu的影响后，二次电流和一次电流的关系应为：
I2=（I1-Iu）/Nta  此时流入继电器的电流为：
Ir=Ia+Ib+Ic=[(Ia-Iua)+(Ib-Iub)+(Ic-Iuc)]/Nta=(Ia+Ib+Ic)/Nta-(Iua+Iub+Iuc)/Nta
在正常运行和一切不伴随有接地的相同短路时，三个电流互感器一次侧电流的相量和必然为零，故流入继电器励磁电流中的电流即为：
Ir=(Iua+Iub+Iuc)=Iunb
·其中Iunb称为零序电流过滤器的不平衡电流：由于三个互感器铁心的磁化曲线不完全相同以及制造过程中的某些差别而造成电流互感器的稳态误差，导致三个互感器励磁电流不相等：
·当发生相间短路时，电流互感器一次侧流过的电流最大并且包含非周期分量，因此不平衡电流也达到最大值，以Iunb.max表示。
⑵对于采用电缆引出的送电线路，采用零序电流互感器的接线，如图所示。此电流互感器套在三相电缆的外面，互感器的一次电流是Ia+Ib+Ic

只当一次侧有零序电流时，在互感器的二次侧才有相应的3Io输出故称为零序电流互感器。零序电流互感器和零序电流过滤器相比，主要优点是没有不平衡电流，同时接线也更简单。
三、零序电流保护
㈠零序电流I段保护
在发生单相或两相接地短路时，也可以求出3Io随线路长度L变化的关系曲线，然后相似于相间短路电流保护的原则，进行保护的整定计算。零序电流速断保护的整定原则如下：
⑴躲过下一个线路出口接地短路（单相或 两相）的最大三倍零序电流3Iomax
IⅠset=KⅠrel*3Iomax 其中：可靠系数KⅠrel=1.2-1.3
求3Iomax 方法：①故障点：本线路末端②故障类型（假设X1Σ=X2Σ）
单相接地短路 3IⅠo=3EΦ/（2Z1Σ+Z0Σ）       Z1Σ为整个系统的正序阻抗，Z0Σ为零序阻抗
两相接地 3I(1.1)0=3EΦ*Z2Σ/(Z2Σ+ZoΣ)/[Z1Σ+Z21Σ*ZoΣ/(Z21Σ+ZoΣ)]=3*EΦ/（Z1Σ+2Z0Σ）
·当ZoΣ大于Z1Σ    IoⅠ大于Io(1.1) 采用IⅠ（1）
·当ZoΣ小于Z1Σ   IoⅠ小于Io(1.1)采用Io(1.1)
·当ZoΣ=Z1Σ       Io(1)=Io(1.1) 任取
③运行方式，各系统最大运行方式 Z1Σ↓ Z2Σ ↓
接地点：保护安装侧 接地点最大Zom↓ 
              对侧             接地点最小Zon↓
⑵躲开断路器三相触头不同时合闸而出现的最大零序电流3Ioumb:
IⅠset=KⅠrel*3Ioumb
求3Ioumb:①两相先合------一相断线 
3Ioumb=3（EⅠ-EⅡ）/（2Z1Σ+ZoΣ）
如果保护装置的动作时间大于短路器三相不同期合闸的时间，则可以不考虑这一条。
⑶当线路上采用单相自动重合闸时，按能躲开在非全相运行状态下又发生系统震荡时，所出现的最大零序电流整定。
若按条件⑶整定，其定值较高，正常情况下的发生接地故障时，保护范围又要缩小，通常是设置两个零序工段保护的作用。
为了解决这个矛盾，通常是设置两个零序工段保护：
灵敏I段：一个是按条件⑴和⑵整定（由于其定值较小，保护范围较大；主要任务对全相运行状态下的接地故障起保护作用，具有较大的保护范围：而当单相重合闸启动时，为防止误动，则将其自动闭锁，待恢复全相运行时才重新投入。）
不灵敏I段：另一个零序I段保护按条件⑶整定，用于在单相重合闸过程中，其他两相有发生接地故障时的保护。不灵敏I段也能反应全相运行状态下的接地故障，只是其保护范围较灵敏I段为小。
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㈡、零序电流II段保护

·与相邻线路零序电流I段配合：其启动电流首先考虑与下及线路的零序电流速断保护范围的末端M点相配合，并带有高出一个ΔT的时限，以保证动作的选择性。
·当两个保护之间的变电所母线上接有中性点接地的变压器（如图A）时，则由于分支电路的影响，将使零序电流的分布发生变化，此时的零序等效网络如图B，零序电流的变化曲线 图C所示。
      当线路B--C上发生接地短路时，流过保护1、2的零序电流分别为Ikob-c和Ikoa-b两者之差就是从变压器T2中性点流回的电流
Ikot2.
引入零序电流的分支系数，则零序II段的启动电流应整定为：IⅡset2=IⅠset1*KⅡrel/K'ob
 ·可靠系数：KⅡrel=1.1-1.2
 ·时限设定：TⅡo2=TⅠo1+ΔT=ΔT=0.5S
·零序Ⅱ段灵敏度校验        应按照本线路末端接地短路时的最小零序电流来校验，并应满足的要求：
Ksen=3I0min/IⅠset ≥1.5
  ·当由于下级线路比较短或运行方式变化比较大，而不能满足对灵敏系数的要求时：
⑴考虑与下级线路的零序II段保护配合；
⑵用两个灵敏度不同的零序II段保护，保留0.5S的零序Ⅱ段保护，快速切除正常运行方式和最大运行方式下线路上所发生的接地故障；同时在增加一个与下级线路零序Ⅱ段保护配合的Ⅱ段保护，它能保证在各种运行方式下线路上发生短路 时，保护装置具有足够的灵敏系数；
⑶从电网接线的全局考虑，改用接地距离保护。
㈢、零序电流Ⅲ段保护
·作用：相当于相间短路的过电流保护，一般情况作为后备保护；但在中性点直接接地系统中的终端线路上，可以作为主保护使用。
·动作电流整定：躲过线路末端变压器为另一侧短路时可能出先的最大不平衡电流：Iunb max
       IⅢset=KⅢrel*Iunb max
·同时，必须要求各保护之间在灵敏系数上要互相配合，满足越靠近故障点的保护应该具有越高的灵敏系数的要求，即：按逐级配合的原则来考虑，本保护零序Ⅲ段的保护范围不能超出相邻线路的零序Ⅲ段保护的保护范围。
当两个保护之间具有分支电路时，保护装置的启动电流应整定为：IⅢset2=IⅢset1*KⅢrel/Kob
·可靠系数KⅢrel=1.1-1.2
·分支系数Kob：在相邻线路的零序Ⅲ保护范围末端发生接地短路时，故障线路中零序电流与流过本保护装置中零序电流之比；
·保护装置的灵敏系数：当作为相邻元件的后备保护时，应按照相邻元件末端接地短路时，流过本保护的最小零序电流（分支电路使电流减小的影响）来校验。
·时限整定：零序过电流保护启动电流一般都很小（在二次侧约为2-3A），因此在本电压及网络中发生接地短路时，它都可能启动；为了保证保护的选择性，各保护的动作时限也应该按照图2.44所示的原则来确定。

安装在Y/d接线变压器低压侧的任何故障都不能在高压侧引起零序电流，无需考虑和保护1-3的配合关系。按照选择性的需要，保护5应比保护4高出一个时间阶段，保护6又应比保护5高出一个时间阶段等等。
三、方向性零序电流保护
1、方向性零序电流保护原理
 在多电源的大接地电流系统中，电源处变压器的中性点一般至少有一台要接地，由于零序电流的实际流向是故障点流向各中性点接地的变压器，因此在变压器接地数目比较多的复杂网络中，为保证选择性，需要装设零序功率方向继电器，构成方向性零序电流保护。

如图：当K1点短路时，按照选择性要求应该由保护1、2动作切除故障，但I''ok1流过保护3，就可能引起误动作。同理K2点短路是，可能引起保护2误动作。
·解决措施：必须在零序电流保护中增加功率方向元件，利用正方向和反方向故障时，零序功率方向的差别，来闭锁可能误动作的保护，才能保证动作的选择性。
2、零序功率方向继电器
零序功率方向元件接入零序电压和零序电流，反应零序功率方向而动作，其工作原理与实现方法同前诉的功率方向元件。
·注意：
⑴当保护范围被部故障时，按照规定的电流、电压 正方向看，超前于95-110度。（对应于保护安装地点背后的零序阻抗角为85-70的情况），故继电器应最大灵敏角为：φsen=-95-- -110
⑵由于越靠近故障点的零序电压越高，因此零序方向元件没有电压死区。相反地，当故障点距保护安装地点越远时，由于保护安装处的零序电压越低，零序电流较小，必须校验方向元件在这种情况下的灵敏系数。例如 当零序保护作为相邻元件的后备保护时，即采用相邻元件末端短路时，在本保护安装处的最小零序电流、电压或功率（经电流，电压互感器转换到二次侧的数值）与功率方向继电器的最小启动电流、电压或启动功率之比来计算灵敏系数，并要求Ksen≥1.5；
四、对零序电流保护的评价
在中性点直接接地的高压电网中，由于零序电流保护简单、经济、可靠，作为辅助保护和后备保护获得广泛应用。
它与相间短路电流保护相比具有独特的优点：
⑴灵敏度 ：相间短路的 过电流保护按照大于负荷电流整定，继电器的启动电流一般为5-7A，而零序过电流保护则按照躲开不平衡电流的原则整定，其值一般为2-3A；当发生单相接地短路时，故障相的电流与零序电流相等，故零序过电流保护的灵敏度高；零序过电流保护的动作时限也较相间保护为短，尤其是对于两侧电源的线路，当线路内不靠近任一侧发生接地短路时，本侧零序I段保护动作跳闸后，对侧零序电流增大可使对侧零序I段保护也相继动作跳闸，使总的故障切除时间更加缩短。
⑵系统运行方式变化的影响：
相间短路的电流速断保护和先世电流速断保护直接受系统运行方式变化的影响很大，而零序电流保护受系统运行方式变化的影响要小的多，此外，由于线路零序阻抗大于正序阻抗：Xo=(2-3.5)X1，故线路始端与末端短路时，零序电流变化显著，曲线较陡，因此零序I段保护的保护范围教大，也较稳定，零序II段保护的灵敏系数也易于满足要求。
⑶抗干扰性能：
当系统中发生某些不正常状态，如系统震荡、短时过负荷等时、三相是对称的，相间短路的电流保护均将受到她们的影响而可能误动作，需要采取必要的措施予以防止；而零序电流保护则不受影响。
⑷实用性：
方向性零序保护没有电压死区，较距离保护实现简单可靠，在110KV及以上的高压和超高压电网中，单相接地故障约占全部故障的70%-90%，而且其他的故障也往往是由单相接地故障发展起来的，零序保护就为绝大部分的故障情况提供了保护，具有显著的优越性。
·零序电流保护的不足：
⑴对于运行方式变化很大或接地点变化很大的电网，保护往往不能满足系统运行所提出的要求；
⑵随着单相重合闸的广泛应用，在重合闸动作的过程中将出现非全相运行状态，再考虑系统两侧的发电机发生摇摆，可能出现较大的零序电流，因而影响零序电流保护的正确工作，此时应从整定计算上予以考虑，或在单相重合闸动作中使之短时退出运行。
⑶当采用自耦变压器联系两个不同电压等级的电网（如110KV和220KV）则任一电网中的接地短路都将在另一网络中产生零序电流，将使零序保护的整定配合复杂化，并将增大零序III段保护的动作时间；
⑷不能反映相间短路故障