零序方向保护

1采用零序方向保护的意义
我国电力系统中性点接地方式有3种：中性点直接接地、中性点经消弧线圈接地和中性点不接地方式。

110 kV及以上电网的中性点均采用第1种接线方式，在这种系统中发生单相接地故障时接地短路电流很大，故称其为大接地电流系统。

在大接地电流系统中发生单相接地故障的概率很高，可占总短路故障的70%左右，因此要求其接地保护能灵敏、可靠、快速地切除接地短路故障，以免危及电气设备的安全。

大接地电流系统接地短路时，零序电流、零序电压和零序功率的分布与正序分量、负序分量的分布有明显区别：
a.当系统任一点单相及两相接地短路时，网络中任何处的三倍零序电流和电压都等于该处三相电流或电压的矢量和，即：
3U0=UA+UB +UC
3I0＝IA＋I B＋IC
b.系统零序电流分布只与中性点接地的多少及位置有关，图1为系统接地短路时的零序等效网络。

式中EΣ——电源的合成电动势；
Z0T1、Z0T2——变压器T1、T2的零序阻抗；
Z01、Z02——短路点两侧线路的零序阻抗。

当发电厂M侧的变压器中性点接地点增多时，Z0T1将减小，从而使I0和I01增大，I02减小。

反之，I0和I01减小，I02增大。

如果发电厂N侧的中性点不接地，则Z0T2=∞，I01也将增大且等于I0。

两相接地短路时也可得到相应的结论。

c. 故障点的零序电压最高，变压器中性点接地处电压为0，保护安装处的电压U0A=-I0Z0T1，如图2所示。

d. 零序功率S0=I0U0。

由于故障点的电压U0最高，对应故障点的S0也最大。

越靠近变压器中性点接地处S0越小。

在故障线路上，S0是由线路流向母线。

综上所述，中性点直接接地系统发生接地短路时，将产生很大的零序电流分量，利用零序电流分量构成零序电流保护，可作为一种主要的接地短路保护。

因为它不反映三相和两相短路，在正常运行和系统发生振荡时也没有零序分量产生，所以有较好的灵敏度。

如线路两端的变压器中性点都接地，当线路发生接地短路时，在故障点与各变压器中性点之间都有零序电流流过。

为保证各零序电流保护有选择性地动作和降低定值，必须加装方向继电器，使其动作带有方向性。

零序功率方向是零序电流保护中的关键环节。

在运行实践中，因方向继电器接线错误而造成的保护误动时有发生。

因此做好零序功率方向的校验和接线正确性的判定至关重要。

2 零序功率方向继电器的接线
零序功率方向继电器的正确接线，应使其动作特性为：当被保护线路或元件发生正方向接地故障时，零序电压和零序电流的相位关系应可靠进入继电器的灵敏动作区，而反方向接地故障时，继电器可靠不动作。

传统习惯规定电流正方向为母线流向线路，同时取母线电压为电压升。

当发生正方向接地故障时，零序电流超前零序电压为(180°-θ)，θ为系统零序电源阻抗角。

一般θ角约在85°左右，则零序电流超前零序电压约为95°。

传统的零序功率方向继电器，其动作最灵敏角有电流超前电压110°和电流滞后电压70°两种，即灵敏角为-110°和+70°，一般采用后者。

对于灵敏角为-70°的继电器，由于其动作特性与故障情况相反，现场接线方式上考虑将零序电压的极性反向接入，零序电流正极性接入，这样就能够使继电器正确反应故障状态了。

对于微机零序保护装置，其零序电流电压的接入分自产和外接两种情况。

微机线路保护装置的零序电压电流均为自产，三相电压电流正极性接入即可。

微机变压器保护中不同厂家的产品对零序电压电流的接入有不同要求，其中需要外接零序电压的，必须是正极性接入，这是和传统继电器的区别。

3 用负荷电流及工作电压测量零序功率方向继电器
利用负荷电流及工作电压检验零序功率方向继电器接线正确性之前，必须对电压互感器开口三角引出的L、N线的极性进行核查。

在正常情况下电压互感器开口三角两端电压UNL=0，故ULS=UNS，但L、N无法用试验的方法区分，因此，利用负荷电流及及工作电压检验零序功率方向
继电器接线正确性之前，必须对电压互感器开口三角引出的L、N线核查正确，否则不能判别所测相位关系是否符合零序功率方向元件的接线要求。

如图3（a）所示，当用负荷电流及工作电压检验零序功率方向继电器KWO 的相位关系时，可在KWO处将L 线断开（图中标×者），并接入S线，此时加入KWO的电压为USN=（Ub+Uc）=-Ua，即：UNS= -（-Ua）=Ua。

确定了Ua的相位关系以后，就可以根据当时的负荷电流，测出每相电流与Ua之间的相位关系，不同相负荷电流的相量图如图4所示。

分析可知，当通入Ia时KWO触点闭合，通入Ib时处于临界动作状态，通入Ic时KWO触点不闭合。

但是，如果按图3（b）的接线，仍按上述方法进行校验时，从图中可直接看到，此时加入KWO的电压就是USN=Ua。

这样，就不能发现零序电压的极性接错了。

保护投入运行后，在反方向接地故障时就会误动，反之拒动。

4 现场存在的问题
目前电力系统中微机保护占有很大比重。

微机型零序电流方向保护与常规的零序电流方向保护在基本原则上与常规零序电流方向保护相一致。

另外，微机保护比常规保护功能更灵活。

无论是微机型线路保护还是变压器保护，其技术说明书上都明确注明装置对零序保护用TA、TV的接线方式及极性的规定，只要严格按照说明书所要求的接线，即可通过控制字来改变保护方向。

值得一提的是微机零序方向过流保护对TV电缆接线的特殊要求。

电压互感器二次回路和三次回路由开关场到控制室接线的常见方式见图5。

其特点是二、三次绕组的N相电缆，自TV端子箱至保护室内共用了1根电缆芯，即在开关场端子箱处将O与O′连通，节省了连线O′N。

由于传统的零序功率方向继电器采用的零序电压为外接TV开口三角电压，也就没有暴露出它的缺陷。

而现在的微机保护装置，均为三相电压接入，采用自产3U0。

由图5可见，当系统发生接地故障时，产生较高的零序电压，会在ON电缆上有压降，此时，通入微机保护装置电压回路中自产的三倍零序电压3U0j将是三相电压向量和再加上电缆ON上的压降，即：
若3U0回路负载电阻为R，电缆芯ON的电阻为r，按正确极性接线，则因三
次绕组电压变比为二次绕组变比的倍，有如下关系：
如果因为某种原因，引起时，3U0j将与3U0反方向，
于是零序保护正方向拒动而反方向误动。

为此，要求TV电缆接线禁止二、三次绕组的N相共用1根电缆，必须分别引入保护室内，接到N600小母线，实现一点接地。

5 变压器零序方向保护的特殊问题
对于220 kV及以上高压电网，变压器作为重要的供电元件，除采用快速的主保护外（差动和瓦斯保护），还要有可靠的后备保护。

毫无疑问，零序方向电流保护是变压器接地故障后备保护的首选。

变压器零序方向元件采用的电流，一般情况取自各侧绕组的中性点TA电流，高压侧选择方向指向变压器，作为变压器接地故障的后备保护。

中压侧方向指向系统，作为本侧母线及系统的接地后备保护。

变压器等效图见图6。

但在高压侧情况有所不同，当零序电流取自高压套管TA时，在变压器的等效图中可以看出，方向指向变压器，则高压绕组不在保护范围内。

因此，选择高压侧零序方向电流保护I、II段的电流取自本侧开关TA，完善保护范围。