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+İB+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，同时接线简单。

2.2.3零序电流速断（零序I段）保护在发生单相或两相接地短路时，也可以求出零序电流3İ0如随线路长度变化的曲线，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躲开下一条线路出口处单相或两相接地短路时可能出现的最大零序电流I0.max，可靠系数 K/re1，（一般取为1.2～1.3），即为I/op = 3K/re1I0.max（2-7）(2)躲开断路器三相触头不同期合闸时所出现的最大零序电流3I0.bt，引入可靠系数 K/re1，即为I/op = 3K/re13I0.bt（2-8）如果保护装置的动作时间大于断路器三相不同期合闸的时间，则可以不考虑这一条件。

整定只应该选择其中的较大者。

但在有些情况下，如按照条件(2)整定将使启动电流过大，因而保护范围缩小时，也可以采用在手动合闸以及三相自动重合闸时，使零序I段带有一个小的延时（约0.1s）,躲开断路器三相不同期合闸的时间，这样在定值上就无需考虑条件(2)了。

当线路上采用单相自动重合闸时，按上述条件(1)、(2)整定的零序I段，往往不能躲开在非全相运行状态下又发生系统振荡时所出现的最大零序电流，而如果按这一条件整定，则正常情况下发生接地故障时，其保护范围又要缩小，不能充分发挥零序I段的作用。

因此，为了解决这个矛盾，通常可设置两个零序I段保护，一个是按条件(l)或(2)整定（由于其定值己较小，保护范围较大，因此称为灵敏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，具有较大的保护范围，而当单相重合闸启动时，则将其自动闭锁，需待恢复全相运行时才能重新投入。

另一个是按躲开在非全相运行状态下又发生系统振荡时所出现的最大零序电流来整定（由于它的定值较大，因此称为不灵敏I段），装设它的主要目的是为了在单相重合闸过程中，其他两相又发生接地故障时，用于弥补失去灵敏I段的缺陷，尽快地将故障切除。

当然，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段小。

2.2.4零序电流限时速断（零序Ⅱ段）保护零序Ⅱ段的工作原理与相间短路限时电流速断保护一样，其启动电流首先考虑和下一条线路的零序电流速断保护相配合，并带有高出一个△t的时限，以保证动作的选择性。

但是，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时，如图2-6 (a)所示，则由于这一分支电路的影响，将使零序电流的分布发生变化，此时的零序等效网络如图2-6 (b)所示，零序电流的变化曲线如图2-6 (c)所示。

当线路BC上发生接地短路时，通过保护l和2的零序电流分别为İ" KO.BC和İ"KO.AB，两者之差就是从变压器T2中性点流回的电流İKO.T2。

这种情况与图2-1所示的有助增电流的情况相同，引入零序电流的分支系数K Ob之后，零序Ⅱ段的启动电流应整定为I"op.1 = 3K"re1I/op.2/K Ob（2一9）当变压器T2切除或中性点改为不接地运行时，则该支路即从零序等效网络中断开，此时K Ob=1。

零序Ⅱ段的灵敏系数应按照本线路末端接地短路时的最小零序电流来效验，并应满足K sen≥1.5的要求。

当由于下一条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，可以考虑用其他方式解决。

如：①使零序Ⅱ段保护与下一条线路的零序Ⅱ段相配合，时限再高出一个△t，取为1.2s；②保留0.5s的零序Ⅱ段，同时再增加一个按(1)整定的保护，这样保护装置中，就有两个定值和时限均不相同的零序Ⅱ段，一个定值较大，能在正常运行方式和最大运行方式下以较短的时限延时切除本线路上所发生的接地故障，另一个则有较长的时限，它能保证在各种运行方式下线路末端接地短路时，保护装置具有足够的灵敏系数。

2.2.5零序过电流（零序Ⅲ段）保护零序Ⅲ段的作用相当于相间短路的过电流保护，一般情况下作为后备保护使用，在中性点直接接地电网中的终端线路上，它也可以作为主保护使用。

在零序过电流保护中，对继电器的启动电流，可按照躲开在下一条线路出口处相间短路时所出现的最大不平衡电流I unp.max来整定，引入可靠系数K re1，即为I op.1 = K re1I unp.max ( 2-10)同时，还需考虑各保护之间在灵敏系数上要相互配合。

因此实际上对零序过电流保护的计算，必须按逐级配合的原则来考虑。