中性点直接接地系统的零序电流保护

-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构造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的电压为正。这样，A母线的零序是电压表示为。 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，由于工作原理与构造简单，不受负荷电流影响，保护围比拟稳定，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，作为反响接地短路的根本保护。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，假设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；3T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零序阻抗根本不变，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3-32b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3-32c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，用来反响单相接地短路，灵敏性可能不满足要求。为了反响接地短路，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3I0ma*，即 3-49式中可靠系数，取1.21.3。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：； 如果Z0Z1时，启动电流应采用单相接地短路时的零序电流来整定；而当Z1 Z0时，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 3-502断路器先接通两相，相当一相断线时，零序电流为 3-51上两式、E2断线点两端系统的等值电势，考虑最严重情况，与的相位差为180。、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，取其中的较大者进展整定计算。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1520%。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段保护围末端接地短路时，通过本保护的最大零序电流。 3-52相邻线路有多条出线时，上式的应选择其中的最大者。为可靠系灵敏，取1.1；Kob为最小分支系数，其值等于下一线路零序I段保护围末端接地短路时，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展灵敏度校验，灵敏系灵敏。假设灵敏度校验不合格，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展整定，即， 3-53时限再抬高一级，取11.2秒。3保存灵敏度校验不满足要求，时限为0.5秒的零序段。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展整定。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， 3-542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围不能超出相邻线路上零序过电流的保护围。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，出现相互交织的情况，如图中打叉局部。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。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，缺乏以起动保护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；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。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，与一样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场逐级增大，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场逐级增大，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代表一样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。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，一般由软件构成。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，并产生零序安匝。它的一局部为三次绕组产生的零序安匝III0NIII所抵销，剩下局部才分为二次绕组产生的安匝III0NII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的值，当为*一值时，一、二次安匝比可能等于一、二次匝数比，即此时，一、二次电流大小相等，但方向相反，即一、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；当大于此值时，中性点零序电流将与高压侧故障电流同相；当小于此值时，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 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，对于零序电流，则。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，假设考虑励磁电流的影响，则二次电流与一次电流的关系为 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=+ = 3-57在电网正常运行或发生非接地相间短路故障时，滤过器的输出电流为= 3-58 式中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。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局部。当电流自母线流向线路为正，电压以线路高于为正时，线路正方向故障，零序电流越前零序电压180-，为变电所变压器零序阻抗的阻抗角。如果为85，则零序电流越前零序电压95。目前常用的零序功率方向继电器动作特性，根据制造厂习惯不同，有最灵敏角为电流越前电压100110和最灵敏角为电流滞后电压70两种，见图3-39a和图3-39b。前一种与正方向故障情况相一致，其电流和电压回路的极性应分别与零序电流互感器和零序电压互感器的同极性相连接，如图3-40中的继电器A；后一种的零序功率方向继电器，应将其电流线圈套中标有号的端子与零序电流滤过器标有号的端子相联接，以输入；而继电器电压线圈标有号的端子与零序电压滤过器未标号的端子联系，以取得，这一点在实际工作中应予注意。2 利用一次负荷电流和运行电压检查零序功率方向继电器零序功率方向继电器是比拟零序电压与零序电流之间的相位关系来判别方向的。在运行中，很大一局部零序电流方向保护的误动作，是由于零序功率方向继电器交流回路接线不正确所致。为了防止接线不正确引起的误动作，对于新安装的保护在运行前除了必须查明零序功率方向继电器的动作特性和端子极性以及正确连接由互感器端子箱到继电器的电流和电压回路的接线之外；还可以利用一次负荷电流和正常运行电压，用试验的方法证明继电器接线是否正确。在线路带负荷情况下，检查零序电流方向保护向量的步骤如下：1首先用一组TV专供零序电流方向保护做相量检查用，其它线路运行设备，由另一组TV供电。2在TV端子箱处，将开口三角绕组的接线进展改接，使方向元件有电压。由于各站TV接线方式不同，可根据现场情况模拟A相或B相或C相接地见表3-1。表3-1 带负荷后零序电流方向保护相量的分析3在保护盘处，测量开口三角的L对星形端A、B、C的电压，以确定方向元件所加电压相位是否正确。4零序方向元件依次通入电流。5测三相负荷电流相位，与盘表核对。确定功率因数角及功率送受情况。6开口三角绕组改线后，方向元件端子上电压，应符合表3-1所列数值。7分析判断。模拟哪相接地，即应以该相电压为基准，根据功率继电顺的动作特性，画出继电器动作区。通入哪些电流，即应以该电流同相之相电压为基准，画出四个象限。纵坐标表示有功线，横坐标表示无功线。电流相量确定后，即可明显看出继电器动作状态，见表3-2。表3-2 测量结果功率送受情况+P+QP+QPQ+PQ通入电流IAIBICIAIBICIAIBICIAIBIC模拟A相接地+0000+0+0相拟B接地+000+000+模拟C相接地0+000+00注 表中是功率因数角在090间变化时继电器动作情况，当功率因数角确定后，不定应为动作或不动。改接开口三角绕组接线时，零序电压回路出现100V，应采取措施，防止零序过压继电器烧毁。L端对星形接线绕组电压值，按开口三角绕组TV电压=100V，TV星形侧线电压=100V，相电压=为基准进展计算的，基准值变化时，交影响L点对星形侧各点的电压值。3零序功率方向继电器的使用原则电力系统事故统计材料说明，大接地电流系统电力网中，线路接地故障占线路故障总数的80%90%，零序电流方向保护的正确动作率约97%，是高压线路保护中正确动作率最高的一种。零序电流方向保护具有原理简单、动作可靠，设备投资小，运行维护方便，正确动作率高等一系列优点。因此，在我国大接地电流系统不同电压等级电力网的线路上，都装设了这种保护作为根本保护。然而，在运行实践中，零序功率方向继电器误动作时有发生。为了提高零序电流保护动作可靠性，简化其回路，零序功率方向继电器的使用原则如下：1除了采用方向元件后，能使保护性能有较显著改善的情况外，对于动作机率最多的零序电流保护的瞬时段，特别是躲非全相I段，以及起后备作用的最末一段，应不经方向元件动作跳闸。2其它各段，如实际选用的定值，可以不经方向元件能保证选择性并有一定灵敏度时，也不宜经方向元件动作跳闸。3对于平行双回线，特别是对采用单相重合闸的平行双回线，如果互感较大，零序电流保护的有关延时段，必要时也包括灵敏I段，一般以经过零序方向元件控制为宜，因为这样要以不必考虑非全相运行情况下双回线路保护之间的配合关系，可以改善保护工作性能。4方向继电器的动作功率，应以不限制保护动作灵敏度为原则，一般要求在发生接地故障且当零序电流为保护启动值时，应有2以上的灵敏度。六、对零序电流保护的评价在大接地电流系统中，采用零序电流保护与采用三相完全是形接线的电流保来反响接地故障相比拟，前者具有较突出优点：1相间短路的过电流保护，其动作电流按躲过最大负荷电流来整定，一般为57A，而零序过电流保护则是按躲过最大不平衡电流整定的，其动作电流一般为24A。由于发生单相接地短路时，故障相电流与零序电流相等。因此，零序过电流是保护有较高的灵敏度。2零序过电流保护的动作时限，不必与y，d接线变压器的d侧线路保护的动作时限相配合，故动作时限比相间保护的动作时限小。3线路零序阻抗较正序阻抗大，*0=23.5*1，故线路始端与末端接地短路，零序电流变化显著，系统运行方式改变时，零序电流变化较小，因此零序速断保护的保护围较大，对于一般的中、长线路可以到达线路全长的70%80%，性能与距离保护相近，并且保护围比拟稳定，零序II段的灵敏系数也易于满足要求。4保护安装地点正方向附近接地短路，零序功率方向继电器没有电压死区，而相间短路保护功率方向继电器有死区。5保护不受负荷和系统振荡的影响，而相间短路电流保护则受系统振荡、短时过负荷的影响而可能误动作，必须采取防止措施。零序电流保护反响于零序电流的绝对值，受故障过渡电阻的影响较小。零序电流保护也存在一些缺点，有：1当电流回路断线时，可能造成保护误动作，这是一般较灵敏的保护的共同弱点，需要在运行中注意防止。就断线机率而言，它比距离保护电压回路断线的机率要小得多，如果确有必要，还可以利用相邻电流互感器零序电流闭锁的方法防止这种误动作。2当电力系统出现不对称运行时，也要出现零序电流，例如变压器三相参数不同所引起的不对称运行，单相重合闸过程中的两相运行，三相重合闸和手动合闸时的三相断路器不同期，母线倒闸操作时断路器与隔离开关并联过程或断路器正常环并运行情况下，由于隔离开关或者说断路器接触电阻三相不一致而出现零序环流图3-41，以及空投变压器时产生的不平衡励磁涌流，特别是在空投变压器所在母线有中性点接地变压器在运行中的情况下，可能出现较长时间的不平衡励磁涌流和直流分量等等，都可能使零序电流保护起动。3地理位置靠近的平行线路，当其中一条线路故障时，可能引起另一条线路出现感应零序电流，造成反方向侧零序方向继电器误动作。对于此种情况，可以改用负序方向继电器，来防止上述方向继电器误判断。七、零序电流保护与重合闸配合使用1在采用单相重合闸的线路上，零序电流保护最末一段的时间要躲过线路的重合闸周期，其原因是：1零序电流保护最末一段通常都要求作相邻线路的远后备保护以及保证本线经较大的过渡电阻220KV为100接地仍有足够的灵敏度，其定值一般整定得较小。线路重合过程中非全相运行时，在较大负荷电流的影响下，非全相零序电流有可能超过其整定值而引起保护动作。2为了保证本线路重合过程中健全相发生接地故障能有保护可靠动和切降故障，零序电流保护最末一段在重合闸启动后不能被闭锁而退出运行。综合上述两点，零序电流保护最末一段只有靠延长时间来躲过重合闸周期，在重合过程中既可不退出运行，又可防止误动。当其定值躲不过相邻线非全相运行时流过本线的时，其整定时间还应躲过相邻线的重合闸周期。2与三相重合闸配合使用的零序电流方向保护1零序电流一段保护阶段式零序电流方向保护的一段，在整定时要避越正常运行和正常检修方式下线路末端不带方向时应为两端母线单相及两相接地故障时流经被保护线路的最大零序电流。当零序电流保护与三相重合闸配合使用时，由于线路后重合侧断路器合闸不同期造成瞬时性断路器三相合闸不同期时间，实际可能到达4060ms非全相运行，也产生零序电流。当躲不过这种非全相的最大零序电流时，不带时限的一段保护将发生误动作。避越线路末端故障整定是绝对必须的。如果该定值又大于避越断路器不同期引起的非全相零序电流整定值，则，只需要设置一个不带时限的一段电流保护。如果断路器不同期引起的非全相零序电流大于末端故障的零序电流时，或者按躲非全相情况整定；或者在三相重合闸时给躲不开非全相运行零序电流的第一段带0.1s的时限；或者按两个第一段，一个按躲非全相情况整定不带时限，另一个按躲末端故障整定，但在重合闸后加0.1s时限或退出工作。综上所述，在三相重合闸配合作用时，零序电流方向保护装置必须具备实现两个第一段灵敏一段与不灵敏一段保护的可能性和无时限的一段保护在重合闸时带0.1s时限的可能性。2零序电流方向保护装置中带时限的后备保护段数根据规程规定，多段式零序电流方向保护之间必须按逐极配合原则整定，即要求灵敏度和时间两方面的配合。为了适应不同电压等级的电力网对后备作用以及特殊用途的保护例如旁路断路器的保护对保护段数的要求，按现在系统实际的配置，要求零序电流方向保护除有两个第一段外，还应有三个时间后备段。3、与综合重合闸配合使用时的零序电流方向保护装置1零序电流一段保护1避越正常及正常检修运行方式下线路末端(或两端母线)发生单相及两相接地故障时流过本线路的最大零序电流。2避越单相重合闸周期非全相运行时的最大零序电流。如果要求在线路非全相运行时有不带时限的零序电流保护，而非全相运行时的最大零序电流又大于末端或两端接地故障时的零序电流时，则必须设置两个无时限的第一段零序电流保护，分别是灵敏一段保护按躲末端故障整定和不灵敏一段保护按躲非全相运行情况整定。因为躲不过非全相运行的零序电流，在单相重合闸周期灵敏一段必须退出运行，只保存不灵敏一段保护在非全相运行时继续工作。必须指出，在非全相运行期间，保存能躲过非全相零序电流的无时限第一段保护是必要的，它是相邻线路后备保护逐级配合整定的根底段，并以它在非全相运行期间不退出工作来保证相邻线路与其配合的二段保护在整定上不失配，而不发生无选择性的越级跳闸。在此前提下，设置灵敏一段是为了在第一次故障时加大无时限保护段的保护围。因此，与综合重合闸配合作用的零序电流方向保护装置也必须有实现两个一段的可能性。2零序电流二段保护1为了提高末端故障时的灵敏度，并降低整定时间，在整定上可只考虑与相邻线路的不灵敏一段保护配合。 如此整定的二段电流保护，如果在本线路单相重合闸周期其电流整定值和整定时限上都躲不过非全相运行情况的话，就必须退出运行。 2在有的系统中，个别短线路上安装了所谓的不灵敏二段保护，它的启动电流值按躲过非全相运行的最大零序电流整定，但因为躲不过末端故障，所以要带一个时限段。在本线路单相重合闸期间，不灵敏二段不退出工作。设置不灵敏二段保护，主要是为了改善相邻后备段的整定配合条件。在没有不灵敏二段的条件下，相邻线路的二段只能同本线路的不灵敏一段配合，而相邻线路的三段保护则需与本线路的重合闸后的三段配合。如果设有不灵敏二段时，相邻线路的二段或三段的整定都可以与它配合，从而改善了相邻线路的保护性能。在*些情况下这种改善的效果还是相当明显的。因此，零序电流保护装置要考虑实现两个二段的可能性。但是，对装置来说，虽然要求既可以设置两个第一段，又可以设置两个第二段，但不灵敏一段和不灵敏二段不可能同时出现在一个保护装置中。3序电流后备保护零序电流方向保护装置各段是按逐级配合原则整定的，设置四段保护是的必要的，虽然有的电力系统采用三段式保护也可满足整定要求，但对于旁路断路器上的保护而言，由于它要代替的线路保护较多，为了运行方便，一般要多设几段，为此，在保护装置还设置了一个附加电流元件和时间元件，在必要时，可以再增设一段保护。 . z.