第二章 电网的接地保护

第2章电网的接地保护

2.1 中性点直接接地电网接地短路的特点

电力系统中性点的工作方式有：中性点直接接地、中性点不接地和中性点经消弧线圈接地。中性点的接地方式是综合考虑供电的可靠性、系统绝缘水平、系统过电压、继电保护的要求、对通信线路的干扰以及系统稳定运行的要求等因素确定的。一般llOkV及以上电压等级的电网都采用中性点直接接地方式，3～35kV的电网采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式。

当中性点直接接地的电网（又称大接地电流系统）中发生短路时，将出现很大的零序电流，而在正常运行情况下它们是不存在的，因此利用零序电流来构成接地短路的保护就有显著的优点。在电力系统中发生接地短路时，如图2-1 (a)所示，可以利用对称分量法将电流和电压分解为正序、负序和零序分量，并利用复合序网来表示它们之间的关系。短路计算的零序等效网络如图2-1 (b)所示，零序电流可以看成是在故障点出现一个零序电压U KO而产生的，它必须经过变压器接地的中性点构成回路。对零序电流的方向，仍然采用母线流向故障点为正，而零序电压的方向，是线路高于大地的电压为正，如图2-1 (b)中的“↑”所示。

由上述等效网络可见，零序分量的参数具有如下特点。

(1)故障点的零序电压越高，系统中距离故障点越远处的零序电压越低，零序电压的分布如图2-1 (c)所示，如在变电所A母线上零序电压为U AO，变电所B母线上零序电压为U BO等。

(2)由于零序电流是U KO产生的，当忽略回路的电阻时，按照规定的正方向画出零序电流和电压的相量图，如图2-1 (d)所示，İ/0和İ"0将超前Úk090°。而计及回路电阻时，例如，取零序阻抗角为φKo=80°，如图2-1 (e)所示，İ/0和İ"0将超前Úk0100°。

零序电流的分布，主要取决于送电线路的零序阻抗和中性点接地变压器的零序阻抗，而与电源的数目和位置无关，如在图2-1 (a)中，当变压器T2的中性点不接地时，İ"0=0。

(3)对于发生故障的线路，两端零序功率的方向与正序功率的方

向相反，零序功率方向实际上都是由线路流向母线的。

(4)从任一保护（如保护1）安装处的零序电压与电流之间的关系看，由于A母线上的零序电压ÚA0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

ÚA0 = -İ/0X T1.0 (2-1) 式中：X T1.0—变压器T1的零序阻抗。该处零序电流与零序电压之间的相位差也将由X T1.0的阻抗角决定，而与被保护线路的零序阻抗及故障点的位置无关。

(5)在电力系统运行方式变化时，如果送电线路和中性点接地的变压器数目不变，则零序阻抗和零序等效网络就是不变的。但此时系

统的正序阻抗和负序阻抗要随着运行方式而变化，正、负序阻抗的变化将引起U K1、U K2、U K3之间电压分配的改变，因而间接地影响零序分量的大小。

2.2中性点直接接地电网的零序电流保护

用零序电压和零序电流过滤器即可实现中性点直接接地电网接地短路的零序电流和方向保护。现分别讨论如下。

2.2.1 零序电压过滤器

为了取得零序电压，通常采用如图2-2 (a)所示的三个单相式电压互感器或图2-2 (b)所示的三相五柱式电压互感器，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 端子上得到的输出电压为

Úmn=Úa + Úb + Úc = 3Úo (2-2)

而对正序或负序分量的电压，因三相相加后等于零，没有输出。因此，这种接线实际上就是零序电压过滤器。

此外，当发电机的中性点经电压互感器或消弧线圈接地时，如图2-2 (c)所示，从它的二次绕组中也能取得零序电压。

利用集成电路，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2-2 (d)所示，也可合成零序电压。

实际上在电网正常运行和相间短路时，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U unb表示）。此外，当系统中存在三次谐波分量时，一般三相中的三次谐波电压是同相位的，因此，在零序电压过滤器的输出端也有三次谐波的电压输出。对反应于零序电压而动作的保护装置，应考虑躲开它们的影响。

2.2.2零序电流过滤器

为了取得零序电流，通常采用三相电流互感器，按图2-3所示的方式连接，此时流入继电器回路中的电流为

İr =İa + İb + İc= 3İ0 (2-3)

而对正序或负序分量的电流，因三相相加后等于零，因此就没有输出。这种过滤器的接线实际上就是三相星形接线方式中，在中线上所流过的电流，因此在实际的使用中，零序电流过滤器并不需要专门的电流互感器，而是接入相间保护用电流互感器的中线上就可以了。

零序电流过滤器也会产生不平衡电流，图2.4所示为一个电流互感器的等效回路，考虑励磁电流I的影响后，二次电流和一次电流的关系为

İ2 =（İ1 - İL）/n TA (2-4)

因此流入继电器的电流为

在正常运行和不接地的相间短路时，三个电流互感器一次侧电流的相量和必然为零，因此流入继电器中的电流为

İr =（İLA + İLB+İLC）/n TA =İunb (2-6) 此I unb称为零序电流互感器的不平衡电流。它是由三个互感器励磁电流不相等而产生的，而励磁电流的不等，则是由于铁芯的磁化曲线不完全相同以及制造过程中的某些差别而引起的,当发生相间短路时，电流互感器一次侧流过的电流值最大并且包含有非周期分量，因此不平衡电流也达到最大值，以İunb。max表示。

当发生接地短路时，在过滤器输出端有3İ0的电流输出，此时İunb 相对于3İ0一般很小，因而可以忽略，零序保护即可反应于这个电流

而动作。

此外，对于采用电缆引出的送电线

路，还广泛的采用了零序电流互感器的

接线以获得3İ0，如图2-5所示，此电流

互感器就套在电缆的外面，从其铁芯中

穿过的电缆就是电流互感器的一次绕

组，因此这个互感器的一次电流就是İA+İ

B+İC，只有当一次侧出现零序电流时，在

互感器的二次侧才有相应的3İ0输出，故

称它为零序电流互感器。零序电流互感

器和零序电流过滤器相比，其优点主要是没有不平衡电流，同时接线