电力系统继电保护_中国电力出版社零序保护(2-3)

第 2.3 节零序电流保护
主要针对中性点直接接地系统（大电流接地系统）。

特征和差异：
1）电力系统正常运行时，三相对称，没有负序和零序分量。

2）不对称故障时，会产生负序或零序分量。

其中，零序分量（特征）总是伴随着不对
称接地故障的发生而产生，据此，可构成
反映不对称接地故障的零序电流保护。

电力系统不对称短路的分析和计算
方法：对称分量法
3.5.1 对称分量法
原理：一个不对称的三相量可以分解为正序、负序和零序
三个对称的三相量。

正序分量：大小相等，相位彼此差120°，相序和正常运
行方式一致；
负序分量：大小相等，相位彼此差120°，相序和正常运
行方式相反；
零序分量：大小相等，相位相同。

各序相量间的关系：
正序分量2
1111,b a c a F a F F aF ==负序分量22222
,b a c a F aF F a F ==零序分量0000,b a c a F F F F ==其中310120j e a j +-==3102402j e a j --==
写成矩阵形式1222011111a a b a c a F F F a a F F a a F ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦
简写为P S
F TF =2121113111a a T a a -⎡⎤⎢⎥=⎢⎥
⎢⎥⎣⎦
1S P
F T F -=212201113111a a a b a c F a a F F a a
F F F ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦
•在三相系统中三相线电压之和恒等于零，故线电压中没有零序分量。

在没有中性线的星形接线中，三相电流之和为零，故不存在电流的零序分量。

在三角形接法中，线电流是相电流之差，相电流中的零序分量在闭合的三角形中自成环流，线电流中没有零序分量。

在星形连接方式中零序电流必须以中性线（地线）作为通路，且中性线中的零序电流为一相零序电流的3倍。

供配电系统的接线方式及特点
配电系统中性点接地方式
中性点的接地方式与供配电系统的电压等级、单相接地故障电流、过电压水平、保护装置配置等有关，直接影响系统的可靠性、连续性、主变压器和发电机的运行安全性以及对通讯线路的干扰等。

常用的中性点接地方式有：
•直接接地
•不接地
•消弧线圈接地
•电阻接地（有高电阻接地及低电阻接地两种）
供配电系统的接线方式及特点配电系统中性点接地方式
1)中性点直接接地
A相接地时零序电流分布
配电系统中性点接地方式
中性点直接接地系统的单相短路电流很大，对通信线路干扰严重，故障后线路和设备须立即切除，增加了断路器的负担，中断了供电的连续性，但由于过电压较低，绝缘水平可下降，减少了设备造价，用于110kv及以上的电网，经济效率显著。

配电系统中性点接地方式2）中性点不接地
A相接地时零序电流的分布
配电系统中性点接地方式
中性点不接地系统实际上是经容抗接地的系统，该容抗是由电网中的架空线路、电缆线路、电动机和变压器绕组等对地耦合电容所组成，发生单相接地时，例如A相接地如图所示，A相对地电容被短接，破坏了原先电容电流的对称性，中性点N出现零序分量。

如为金属性短路时，仅非故障对地电压升高而线电压对称性并未受到破坏，故允许电网带接地故障继续运行1-2小时。

配电系统中性点接地方式
中性点不接地系统简单，供电连续性好，但由于过电压水平高，要求有较高的绝缘水平，一般用于6～66kv电网中。

接地电容电流通常是不大的，所形成的接地电弧很不稳定而会自动熄灭。

但当线路很长或有大量电缆时，电容电流会很大，以致电弧不能熄灭，因此要对它进行限制。

[29]《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》DL/T620-1997 3.1.2条规定：当不超过下列数值时，应采用不接地方式：a) 3～10kv钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路构成的系统和所
有35kv、66kv系统，10A。

b)3～10kv非钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路构成的系统，电压为3kv和6kv时，30A；10kv时，20A。

c)3～10kv电缆线路构成的系统，30A
配电系统中性点接地方式3）中性点经消弧线圈接地
A相接地时零序电流的分布
配电系统中性点接地方式
在中性点与地之间接入可调节电感电流的消弧线圈，由于电感电流与电容电流在相位上差180°，因此发生单相接地故障时，如电感电流
等于电容电流，称为全补偿，电感电流大于电容电流，称为过补偿，电感电流小于电容电流，称为欠补偿。

我们不能将消弧线圈调节在全补偿或欠补偿运行。

在正常运行时，全补偿会使消弧线圈电感和对地电容组成L-3C的串联回路，将会产生串联谐振过电压，致使中性点位移电压升高到最大而超过允许值，而欠补偿则在电容值改变时，例如切除部分线路有可能使消弧线圈处于谐振点运行。

因此，消弧线圈必须在过补偿状态下运行
配电系统中性点接地方式
消弧线圈接地系统的优点是流过故障点的残余电流很小，使接地电弧不能维持而立即熄弧，使电网迅速恢复正常，缺点是运行维护复杂，因实际电网参数往往随改变接线方式或改变运行方式而改变，为保证过补偿运行，就需要运行人员及时调节补偿电流。

在电容电流变化大的场所，为减经运行人员的劳动强度，宜选用自动跟踪动态补偿式消弧线圈。

当接地电容电流超过
[29]3.1.2条所列的数值时，应采用这种接地方
式
配电系统中性点接地方式4）中性点经电阻接地
A相接地时零序电流的分布
供配电系统的接线方式及特点
配电系统中性点接地方式
在中性点与地之间接入一电阻，当发生单相接地时，由于人为地增加了一个较电容电流大而相位相差90°的有功电流，使流过故障点的电流比不接地电网增加倍以上。

与接消弧线圈相比，改变了接地电流的相位，加速泄放回路中的残余电荷，促使接地电弧熄灭，从而降低弧光接地过电压，同时可提供足够的电流和零序电压，使继电保护可靠动作。

电阻接地有高电阻及低电阻两种。

高电阻限制单相接地故障电流小于10A，可在故障条件下持续运行，但系统的绝缘水平要求较高，可用于6～10kv电容电流较小的配电系统（[29]3.1.5条）。

低电阻采用接地故障电流100～1000A,因过电压水平低，对具有大量高压电动机的工业企业来说，是非常有利的，且可选用绝缘水平较低的电缆及设备，但接地故障后要保护跳闸，中断供电。

用于6～35kv接地电容电流较大的以电缆为主构成的配电系统（[29]3.1.4条）。

供配电系统的接线方式及特点
发电机系统中性点的接地方式
发电机定子绕组发生单相接地，在中性点不接地的情况下，接地点流过的电流是发电机本身及其引出回路所连接元件（主母线,厂用分支线，主变低压绕组等）的对地电容电流。

该电流超过[29]《过电压保护》规范DL/T620-1997中表1所规定的允许值时，将烧伤定子铁芯，进而损坏定子绕组绝缘，引起匝间或相间短路。

故规范作了如下规定：
•3～20kv具有发电机的系统，发电机内部发生单相接地故障不要求瞬时切机时，如电容电流不大于表1允许值时，应采用不接地方式，适用于125MW及以下的中小机组。

如大于表1允许值时，应采用消弧线圈接地方式，适用于电容电流大于表1允许值的中小机组或200MW及以上大机组要求能带单相接地故障运行时。

对要求瞬时切机时，宜采用高电阻接地方式，电阻器一般接在发电机中性点变压器的二次绕组上，适用于200MW及以上的大机组。

([29]3.1.3条)
•发电厂厂用电系统，单相接地故障电容电流较小时，为防止谐振，间歇性电弧接地过电压等对设备的损害，可采用高电阻接地方式
直接接地低电阻接地高电阻接地消弧线圈接地不接地
接地故障电流大，有时大于三相
短路电流
较大，等于有功电
流与电容电流的矢
量和
较小，但大于接地
电容电流
最小，等于残流
较小，仅对地电容
电流
一相接地时非故障相电压升高小于0.8倍线电压
全线电压，有时更
高
全线电压，有时更
高
全线电压全线电压或稍高
弧光接地过电压可避免可避免可避免可避免可能发生
操作过电压低低低可控高
重复故障的可能性小小小小大
供电连续性跳闸跳闸2小时2小时2小时
接近故障点时对生
命的危险性
严重减轻减轻可忽略较重，常拖延时间
运行维护简单简单简单复杂，要经常根据
电网的变化来调节，见注
--
接地装置费用最少，可装设普通
接地闸刀
较多较多最多--
接地方式有效接地非有效接地
中性点接地方式的比较
M
1
2
N
M
1
2
N
K U
2.3.1 零序分量的分布
K U
K U
M
1
2
N
0K U
故障附加网络
000
M 1
2
N 由故障附加网络(短路点是故障分量的
“源”),
分解出零序分量之后,零序电压的分布如下：M U
0 N U
0 K U
0 K U
0 0M I
N I 0 0M
Z N
Z 0N
N N I Z U 000
-=N U
0 分解由0K K U U
零序分量的特点：
1）短路点的零序电压最高，接地点为0。

2）零序电流由短路点经过所有的变压器接地点形成回路。

3）零序电压与电流的相位关系（即零序功率方向）如下图：
M
1
2
N
内部接地时，零序功率方向：
M U
0 N U
0 K U 0 K U
0 0M I
N I
0 0M
Z N
Z 0N U
0 N N N I Z U
000
-=关系如右图
侧零序相位
N ∴N U
0 N I
0 0
ϕ的角度为Z ϕ
分析上图，并归纳后，可以知道：1）内部接地时
2）N 侧外部接地时
1212M U
0 M I
0 N U
0 N I
0 M U
0 M I
0 N U
0 N I
0 0
ϕ0
ϕM 侧
N 侧
内部故障外部故障
分析上图，并归纳后，可以知道：1）内部接地时
2）N 侧外部接地时
M U
0 M I
0 N U
0 N I
0 M U
0 M I
0 N U
0 N I
0 0
ϕ正向
正向
正向
反向
ϕ特殊相量可以应用于判断短路方向——>
2.3.2 零序分量的获取
C B A F F F F
++=03依据：A U
a U
3U
0U ,计算或连接A
B C
a U
b U
c U 3U
A
B C
2.3.2 零序分量的获取
C B A F F F F
++=03依据：A U
a U
3U
0U
,计算或连接自产零序
03U
a U
b U
c U （开口三角）
2.3.2 零序分量的获取
C B A F F F F
++=03依据：A U
a U
3U
0U ,计算或连接A
B C
a U
b U
c U 3U
二次回路还可以采用下面的方法来获取零
序电压：
0U
a U c U
b U C C
A
B
C
架空线电缆线
零序电流分量的获取方法：
03I
03I
'a
I
()A A TA a TA
a I I n I n I μ -==11'A I A
I μ L
Z 2
Z 1Z μZ 单相二次、一次I 关系：
()()C B A C B A c b a I I I n I I I n I I I I
μμμ ++-++=++=1
103三相二次、一次I 关系：
'a I ()A A TA
a TA
a I I n I n I μ -==11'A I A I μ L Z 2Z 1Z μZ 单相二次、一次I 关系：
()()C B A C B A c b a I I I n I I I n I I I I
μμμ ++-++=++=1
103三相二次、一次I 关系：误差，称为： 不平衡电流unb
I
TA 的误差曲线：
2
I 二次侧1I 一次侧
理想曲线
实际曲线(饱和曲线)
10%
误差1.max
I 希望：测量电流<I ——>误差<10%
()
A I ()
a
I
负载阻抗Z L 越小，
→越小，→不平衡输出越小。

因此，希望：
负载Z L 越小越好。

继电保护要求：
将TA 的误差限定在10%以内。

这是设计、选择TA 的依据之一。

'
a
I
A I
A
I μ L
Z 2
Z 1
Z μZ A I
μ
减小TA误差的主要方法：
1）减小TA的负载Z L；
2）增大变比（限定一次电流的最大值）；3）选择不易饱和的TA(体积大、投资增加); 4）增大电流二次电缆的线径。

等等
一、零序电流Ⅰ段保护
1）躲开线路末端的最大零序电流。

2）躲开断路器三相不同时合闸的。

(如果会误动，靠延时100ms 躲开)3）躲开非全相运行的负荷电流。

(如果会误动，一般退出运行)
2.3.3 零序电流保护的整定
原则、方法与单电源的电流保护相类似。

0.unb I
按照“躲开线路末端的最大零序电流”考虑，
可以得到零序电流Ⅰ段保护的整定方法：
max
.I rel
I set
0.I K
I
03⋅=流。

线路末端的最大零序电—；
～可靠系数，取—其中，max .I rel
I 1.31.2K
03注：经过分解或合成后，零序、负序分量通
常以3倍的形式出现。

其中，躲开线路末端的最大零序电流应当考虑：单相和两相接地。

∑
∑∑++=
0210
0K Z Z Z E I （1）单相接地的零序电流
0K I
∑
0Z ∑
2Z ∑
1Z ∑
∑≈21Z Z ：工程中，取∑
∑+=
010
0K 2Z Z E I
其中，躲开线路末端的最大零序电流应当考虑：单相和两相接地。

∑
∑∑++=
0210
0K Z Z Z E I （1）单相接地的零序电流0K I
∑
0Z ∑
2Z ∑
1Z ∑
∑≈21Z Z ：工程中，取∑
∑+=
010
0K 2Z Z E I M Z 0N
Z 0K I
0 M
I 0
得：表达式，整理代入将0K 1I I K （2）两相接地的零序电流
0K I
∑
0Z ∑
2Z ∑
1Z K 0K I
Z Z Z I
1022 ∑
∑∑
+-=()
∑∑∑+=0210Z //Z Z E
I
1K 1K I
∑
∑+=
010
0K 2Z Z E I
已知：∑
∑+=
0101102Z Z E I
),(K
∑
∑+=
010102Z Z E I
)(K
∑
∑∑∑
∑
∑∑∑++=++=
10100101)11(K
0)1(K 0Z Z 2Z Z 2
1Z Z 2Z 2Z I I ，∆
∆++=
323⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛+=∑∑∆1Z Z 10其中，()()∆∆++++=12121
已知：∑
∑+=
0101102Z Z E I
),(K
∑
∑+=
010102Z Z E I
)(K
∑
∑∑
∑
∑
∑∑∑++=
++=
10100101)11(K
0)1(K 0Z Z 2Z Z 2
1Z Z 2Z 2Z I I ，∆
+∆
+=
323()()∆++∆++=12121∆∆+=31＋
时，
）（∑∑<01Z Z a ∑
∑+=
=010
1002Z Z E I I )(K
max .K ∑
∑+=
0101102Z Z E I
),(K
∑
∑+=
010102Z Z E I
)(K
1
31I I )11(K
0)1(K 0>+=∴
∆
∆
＋
，11Z Z 10>+=∑
∑
∆0
>⇒∆因此，最大零序电流为：
时，
）（∑∑>01Z Z b ∑
∑+=
0101102Z Z E I
),(K
∑
∑+=
010102Z Z E I
)(K
1
31I I )11(K
0)1(K 0<+=∴
∆
∆
＋
，11Z Z 10<+=∑
∑
∆0
<⇒∆因此，最大零序电流为：
∑
∑+=
=
010)1,1(K
0max .K 0Z 2Z E I I
应当换算为保护安装处的零序电流。

K I
0 M Z 0N
Z 0保护安装处的零序电流为：M I
0 M I
0 K N
M N
M I
Z Z Z I
00000 +=K M I C 00 =侧零序电流分配系数。

—其中，M Z Z Z C N
0M
0+=
应当换算为保护安装处的零序电流。

K I
0 M
Z 0N
Z 0保护安装处的零序电流为：M I
0 M I
0 K N
M N
M I
Z Z Z I
00000 +=K M I C 00 =K 0N 0N 0I C I
=另一侧有：）（其中，N
0M 0M
0N 0Z Z Z C +=1
C C N 0M 0=+显然，存在关系：N 0I
()
max
.K 0max .M 0rel max .0rel I
1
.set .0I C K I K I ==
⎭
⎬
⎫
⎩⎨⎧++=∴∑∑∑∑010********Z Z E ,Z Z E max I 2Z Z 1max .K M N ）为最小；
为最大，）整定时，取：
K
A
B
C D
1
2
校验最小保护范围时，取零序电流为最小值进行计算。

⎭⎬
⎫
⎩⎨⎧++=∑∑∑∑
010010022Z Z E ,Z Z E max I max .K 由于所以，正序阻抗（对应系统运行方式）的影响是间接的。

另外，说明一点：。