第三章电网的零序电流保护技术Word下载.docx
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kB＋U·
kC）
式中I·
k0——故障点零序电流；
I·
kA——故障相短路电流；
U·
k0——故障点零序电压；
kB、U·
kC——非故障相故障点电压。
〖请看图片H150，+80mm。
93mm，BP#〗
图3.1.1单相接地短路时零序电流的分布
（a）一台变压器中性点接地；
（b）两台变压器中性点接地；
（c）不同电压通过YN，
yn0变压器连接的网络单相接地
为了计算短路电流和分析零序保护的动作行为，必须了解零序电流的分布。
零序电流的产生，可以看成是在接地故障点的每一相中出现一个零序电压U·
k0。
在该零序电压的作用下，每一组都产生零序电流I·
0。
零序电流从接地故障点经大地流向变压器接地中性点，再经变压器返回线路。
如图3.1.1（a）所示。
零序电流的分布主要取决于变压器中性点接地点的分配，而与电源的数目无关。
当发生接地短路时，零序电流I·
0只在具有中性点接地的网络中通过。
见图3.1.1中的几个例子。
零序分量在接地故障时的特点
（1）零序电流的分布与各分支送电线路的零序阻抗，变压器中性点接地多少及其位置有关，与电源的大小和位置无关。
当故障点k逐渐向变压器T1靠近时［在图3.1.1（b）的情况下］，I·
01增大，I·
02减小。
同样的道理，当变压器T1中性点接地台数增多时，变压器的综合零序电抗将减小，导致I·
01的增大，I·
02的减小。
反之，I·
01减小，I·
02增大。
如果变压器T2中性点不接地，则变压器的零序电抗变为无穷大，I·
02变为零。
〖请看图片H151，+85mm。
62mm，BP#〗
图3.1.2单相接地短路时零序电压沿线路的变化
（a）网络示意图；
（b）等值电路；
（c）零序电压和故障相电压的分布
（2）零序电压的分布由故障点至变压器的中性接地点逐渐降低。
在一般的接地电网中，故障点的零序电压最高，故障点的零序电压U·
k0反应至电压互感器的开口侧的电压也随故障点而变化，当故障点远离互感器安装处时则小；
当故障点靠近电压互感器时，则大。
在保护安装处发生不对称金属性接地故障时，则为100V。
变压器中性接地点处U·
k0＝0。
〖请看图片图3.1.3零序电流和零序电压的相量图
（3）
假定零序电流的方向，仍然采用由母线流向线路时为正，而零序电压是线路电位高于大地电位为正，则保护安装处的零序电压U·
0＝－I·
0Z。
所以在故障线路上，零序功率P0方向实际上是从线路流向母线的。
故障点处的U·
0最高，所以故障点的P0也最大；
而愈靠近变压器中性接地点处，P0愈小。
继电器所接入的零序电压与零序电流，其相量间的相角差只决定于保护安装处母线经背后变压器至地的零序阻抗角（如果背后有线路，还要将该线路的零序阻抗考虑进去），而与被保护线路的阻抗角无关。
这一关系是零序方向继电器与相间保护用方向继电器所不同的，必须特别注意。
图3.1.2示出了线路正方向发生单相接地短路时零序电压和故障电压的分布。
图3.1.3示出了零序电流和零序电压的相量图。
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第二节零序电流保护新技术
在发生接地故障时，由零序电流瞬时或经过很短延时（一般为05～50s）作用于断路器跳闸的保护称为零序电流保护。
瞬时动作的零序电流保护作为零序电流Ⅰ段保护，带一个时间阶梯动作的零序电流保护作为零序电流Ⅱ段保护，它们构成线路接地短路的主保护。
零序电流Ⅲ段保护，在一般情况下，作为接地的后备保护使用。
由于接地故障最多，因而零序Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段电流保护在生产现场颇受重视，也是起作用最大的保护之一。
零序电流Ⅰ段保护的整定
零序电流Ⅰ段保护的整定原则如下：
（1）躲开被保护线路末端单相或两相接地时出现的最大零序电流3I0，max，即为
Iset＝Krel×
3I0，max
式中Krel——可靠系数，一般取125～13。
（2）躲开断路器三相触头不同期合闸时所出现的最大不平衡零序电流3I0，ub，max
Iset＝Krel×
3I0，ub，max
式中Kkel——可靠系数，一般取125～13。
如果使用快速开关，而保护装置的动作时间大于断路器三相不同期合闸的时间，则可以不考虑这一整定原则，整定值应取其中较大者。
但在有些情况下，如按照整定原则
（2）整定将使起动电流过大，因而保护范围缩小时，也可以采用在手动合闸及三相自动重合闸时，使零序电流保护一般带有一小小的延时（约01s），这样在定值上就无需考虑整定原则
（2）了。
（3）当线路上采用单相自动重合闸时，按条件
（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，而如果按这个整定，则正常情况下发生接地故障时，其保护范围又要缩小，不能充分发挥零序电流Ⅰ段保护的作用。
为此设置两个零序电流Ⅰ段保护，一个是按条件
（1）和
（2）整定（由于其定值较小，保护范围较大，因此，称为灵敏Ⅰ段），它的主要任务是对全相运行状态下的接地故障起作用，具有较大的保护范围，而当单相重合闸起动时，则将其自动闭锁，需待恢复全相运行时才能重新投入；
另一个是按躲开非全相运行状态下又发生系统振荡的最大零序电流整定（称不灵敏Ⅰ段），装设它的主要目的是为了在单相重合闸过程中，其它两相又发生接地故障时，用以弥补失去灵敏Ⅰ段的缺陷。
零序电流Ⅱ段保护的整定
零序电流Ⅱ段保护的工作原理与相间短路限时电流速断保护是一样的，其动作电流首先考虑和下一条线路的零序电流速断配合，即躲过下段线路第Ⅰ段保护范围末端接地短路时，通过本保护装置的最大零序电流。
同时还带有高出一个Δt的时限，例如取为05s，以保证动作的选择性。
〖请看图片H153，+65mm。
95mm，BP#〗
图3.2.1确定零序电流Ⅱ段保护动作电流的计算图
（a）网络接线和计算图；
（b）等值电路图但是，当这两套保护安装点之间的变电所母线上接有中性点接地的变压器时，图3.2.1（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，此时的零序等值网络见图3.2.1（b）所示。
零序电流变化曲线见图3.2.1（a）所示，图中曲线1和2分别表示短路点沿线路移动时，流经保护装置1和2的短路电流。
在图中绘出了代表保护装置2第Ⅰ段动作电流的直线，该直线与曲线2相交于M点，过M点作横轴的垂线，并使之与曲线1相交于N点，NP即代表在相邻线路保护装置2的第Ⅰ段末端k点发生接地短路时，流过本保护装置1的短路电流I01。
分支系数Kbra＝NPMP。
则保护1的第Ⅱ段整定为
IIset1＝KrelI01＝KrelKbraIIset2
式中Krel——可靠系数，正常情况下取为11～12；
如果考虑到某些变压器参数不准确，应取大一些，采用15～20。
零序电流Ⅱ段保护的灵敏系数，应按照本线路末端单相接地短路时的最小零序电流来检验，并满足Ksen≥125～15的要求。
当由于线路比较短或运行方式变化比较大，灵敏度不满足要求时，可考虑用下列方式解决。
（1）使零序电流Ⅱ段保护与下一条线路的零序电流Ⅱ段保护配合，时限再抬高一级，例如取为1s。
（2）保留05s的零序电流Ⅱ段保护，同时再增加一个与下一条线路的零序电流Ⅱ段保护配合的长延时段。
一个定值较大，能在正常运行方式和最大运行方式下，以较短的延时切除本线路上所发生的接地故障；
另一个较长延时段能保证在各种运行方式下线路末端短路时，保护装置具有足够的灵敏系数。
（3）从电网接线的全局考虑，改用接地距离保护。
零序电流Ⅲ段（或Ⅳ段）保护的整定
零序电流Ⅲ段保护有两个作用：
一是作为本线路和相邻线路的后备保护；
二是作为本线路单相跳闸而单相断路器拒绝合闸时，防止非全相运行的保护（非全相运行，将在以后介绍）。
在大接地电流系统中的终端线路上，它也可以作为主保护使用。
它按如下原则整定：
（1）与相邻线路零序电流Ⅱ段（或Ⅲ段）保护相配合，则
IⅢset＝KrelKbraI′set
式中IⅢset——待特定的零序电流保护动作电流；
I′set——与之配合的相邻线路零序电流Ⅱ（或Ⅲ）段的动作电流；
Krel——可靠系数，取为11～12；
Kbra——分支系数。
（2）当本段整定时限等于或低于本线相间某段保护时限时，则应躲开相应相间段末端相应短路的不平衡电流Iub，maxIⅢset＝KrelIub，max
（3）当相邻变压器中性点为不接地运行时，按躲变压器外部相间短路的最大不平衡电流整定，同
（2）中公式所示。
（4）当相邻变压器高、中压侧中性点均为接地系数时，按与相邻变压器另一侧零序保护Ⅰ段或Ⅱ段配合整定
IⅢset＝KrelKbraI′set
式中I′set——相邻变压器另一侧零序保护的整定值；
Kbra——线路对变压器另一侧零序保护的最大分支系数；
Krel——可靠系数，取11～115。
零序电流Ⅲ段保护的灵敏度，按保护范围末端接地短路时的最小零序电流3I0，min来检验Ksen＝3I0，minnTAIsetK
式中nTA——TA的变比。
对本线路，要求Ksen≥20；
对相邻线路末端要求Ksen≥12。
零序电流Ⅲ段保护的动作时限必须按阶梯原则来选择，以保证动作的选择性。
为此保护的动作时限，应从受电端起向中性点接地的变压器方向按阶梯原则逐级增大，如图2所示，即t01＝t02＋Δt＝t03＋2Δt
从图3.2.2可知，零序电流Ⅲ段保护的动作时间是从受电端的起始一级变压器算起的，因而它的时间阶梯比相应的相间保护的要低，这是零序电流保护的优点之一。
t01＝t02＝t03＋2Δt
〖请看图片H154，+30mm。
图3.2.2零序保护的延时特性1.零序保护；
2.相间保护
第三节零序方向电流新型保护技术
零序方向电流保护
在双侧或多侧电源的网络中，电源处变压器的中性点一般至少有一台要接地。
因而就需要考虑零序电流保护动作的方向性问题，见图3.3.1（a）所示的网络接线。
当k1点发生短路时，其零序等效网络和零序电流分布，见图3.3.1（b）所示，按选择性的要求，应该由保护1和2动作切作故障，但是零序电流I·
″0k1流过保护3时，就可能引起它的误动作；
同样，当k2点发生短路时，如图3.3.1（c）所示，零序电流I·
′0k2又可能使保护2误动作。
为此必须在零序电流保护回路上增加方向元件。
〖请看图片H155，+48mm。
94mm，BP#〗
图3.3.1零序方向电流保护工作原理分析（a）原理接线；
（b）k1点短路时零序网络；
（c）k2点短路的零序网络
零序功率方向继电器接于零序电压3U·
0和零序电流3I·
0上，它只根据零序功率的方向来决定是否动作。
当保护在正方向故障时，在规定电流方向为从母线指向线路和电压以线路电位高于大地电位为正方向的前提下，3I·
0超前3U·
0为95°
～110°
（对应保护安装点背后的零序阻抗角为70°
～85°
的情况），继电器此时应正确动作，并应工作在最灵敏的条件之下。
目前在系统中实际使用的零序功率方向继电器，都是把灵敏角做成φsen＝70°
，而把3U·
0反极性接入继电器，见图3.3.2所示。
功率方向继电器的工作原理同相间功率方向继电器，这里不再重复介绍了。
〖请看图片H156，+53mm。
53mm，Y#〗图3.3.2零序功率方向继电器接线
三段式零序方向电流保护的构成
大接地电流电网中，通常由无时限零序电流速断（也称零序电流Ⅰ段）保护，带时限零序电流速断保护（也称零序电流Ⅱ段）和零序过电流保护（也称零序电流Ⅲ段）与功率方向元件组成三段式零序方向电流保护。
图3.3.3示出了三段式零序电流保护装置的原理接线图。
图中KPD0为零序功率方向继电器，其触点用跨线与各保护段零序电流继电器的触点相串联。
经过计算，如果某保护段可以不经过方向元件控制，则可将该段保护与方向元件触点的连线打开，改为与正电源直接相连。
〖请看图片H157，+84mm。
图3.3.3三段式零序方向电流保护装置原理接线图
零序电流Ⅰ段保护由电流继电器KA10、信号继电器KS1、压板XB1构成。
Ⅱ段保护由电流继电器KA20、时间继电器KT2、信号继电器KS2、压板XB2等组成。
Ⅲ段保护由电流继电器KA30、时间继电器KT3、信号继电器KS3、压板XB3等组成。
中间继电器KOM为各段共用的出口执行中间继电器。
目前运行的接地保护装置中，广泛使用重合闸后加速保护装置。
所谓重合闸后加速保护，即重合于永久性故障时（故障点在Ⅰ段保护范围外）保护不再经过原整定时间，而是瞬时或经过很短延时就加速切除故障；
如果Ⅱ段保护对全线路有足够的灵敏度，就加速Ⅱ段；
若Ⅱ段保护对全线路灵敏角不足，就加速Ⅲ段。
后加速回路正常是不接通的，只有在重合闸动作后，经重合闸起动的中间继电器的触点来接通后加速回路。
由于重合闸后是加速保护的Ⅱ段或Ⅲ段，所以其灵敏度较高。
为使后加速保护在断路器三相合闸不同期时不至于误动作，后加速回路必须经过01～015s的延时。
在图3.3.3中后加速保护由电流继电器KA20（或KA30）、时间继电器KT2（或KT3）的滑动触点、信号继电器KS4、压板XB4等组成。
若加速Ⅱ段，则应把跨线端子6连接，断开跨线端子7。
若加速Ⅲ段，应把跨线端子7连接，断开跨线端子6。
在生产现场，对于较复杂的保护装置的原理接线，往往用展开图的形式表示，显得比较清晰，更有利于工作。
图3.3.4是图3.3.3相应的三段式零序电流保护装置的展开图。
〖请看图片H158，+102mm。
92mm，BP#〗
图3.3.4三段式零序方向电流保护装置展开图
线路发生故障时保护的动作说明
Ⅰ段保护范围内故障，因是保护装置的正方向接地短路，功率方向继电器KPD0动作，其触点KPD0闭合，电流继电器KA10的触点闭合后，通过KS1、XB1起动出口中间继电器KOM，当触点KOM闭合后，通过KS5、XB5给断路器发出跳闸脉冲。
Ⅰ段保护动作信号KS1及断路器掉闸信号继电器KS5动作掉牌，并发出断路器掉闸警笛及灯光信号。
当Ⅰ段保护范围外、Ⅱ段保护范围内发生故障时，Ⅱ段保护或Ⅲ段保护的电流继电器KA20、KA30和继电器KPD0都能动作，分别起动时间继电器KT2、KT3，当KT2的终止触点闭合后，通过KPD0、KA20及KS2、XB2起动KOM，KOM触点闭合后发出跳闸脉冲。
Ⅱ段保护动作信号继电器KS2、断路器掉闸信号继电器KS5动作掉牌，同样发出音响及灯光信号。
由于Ⅱ段时间较Ⅲ段时间短，所以Ⅱ段跳开断路器后，Ⅲ段电流继电器返回，因此Ⅲ段应没有动作信号。
在断路器跳开重合闸起动时，起动重合闸中的加速继电器，接通后加速回路。
若是瞬时故障，则重合成功恢复正常运行。
若为永久故障，则断路器重合后，KPD0、KA20重新起动，使KT2励磁，由于后加速回路已接通，故可通过KT2的滑动触点快速起动KOM，加速切除故障。
在Ⅱ段保护范围外，Ⅲ段保护范围内故障时的动作程序基本同Ⅱ段内故障，不再说明。
第四节三段式零序方向电流保护的检验
各继电器的校验
我们知道，三段式零式方向电流保护所选用的零序电流继电器，就是一般的相电流继电器，只不过它是接在零序电流回路中，所以它的检验完全同相电流继电器。
而所用的零序功率继电器工作原理同相间保护所使用的功率方向继电器，只是最大灵敏角和极性端子有所不同。
因而其校验方法也同相间方向继电器。
装置的整组传动检验
在对盘内的二次线进行了严格的查对之后，我们对整盘进行整组传动检验。
其检验接线同相间方向继电器的检验接线。
检验时，将电压回路接入3U·
0回路端子，将电流回路接入3I·
0回路端子，其接入极性应与图纸一致，一般为同极性接入，φ表指示70°
时，方向继电器呈现最灵敏状态。
将相应表固定在最灵敏角，分别模拟忽然加入12倍的各段电流启动值，则各继电器、掉牌及动作时间均指示正确。
零序功率方向继电器的接线正确性检验
需要强调指出，由于正常运行时无零序电流与零序电压，无法监视其接入极性的正确性，因而必须用负荷电流和运行电压对功率方向继电器的接入极性做认真仔细的检查。
利用负荷电流和运行电压对方向继电器的接线正确性检查，实际上主要是检查电流电压回路相对极性的正确性。
也可以说是只有在确切查明电压互感器引线正确无误的前提下进行上述试验才有意义。
目前的220kV线路保护屏一般均将三段式零序保护放在距离屏或综重屏上，且零序电流均从距离元件所用的TA的中性点引出。
零序电流的接入极性可依靠整组传动与距离保护的向量检验所代替。
（一）3U·
0电压接入极性的检验
参考图3.3.2，3U·
0接入极性的校验，主要是确定从TV开口三角绕组的a、b相绕组连接点引出的抽取芯对地的相位，以及确定开口三角接地的相别，并以此判别引入KPD0电压的正确性。
实际上TV二次侧只要是a尾与b头，b尾和c头依次连接，则不论a头接地，还是c尾接地，电压抽取芯均为-U·
a。
反之，TV二次侧的连接若为a头与b尾，b头与c尾依次连接，则不论是c头接地，还是a尾接地，抽取芯均为＋U·
在图中，c尾接地，则接地点N应进KPD0的极性端，若改为a头接地，则接地点N应进入非极性端，为此在3U·
0接入极性进行校验时，必须注意接地点是在c相还是在a相。
若接地点在c相，且电压抽取芯为-U·
a时，则N应接KPD0的极性端；
而若电压抽取芯为＋U·
a时，则N应接KPD0的非极性端。
若接地点在a相，且电压抽取芯为－U·
a时，则N应接KPD0的非极性端；
而若电压抽取芯为＋U·
a时，则N应接KPD0的极性端。
为避免L端引线的继线事故及L、N电缆的标号在TV端子箱与保护屏端子排发生互换错误，对新投产的电压互感器在试验时应在互感器端子箱将L端子解开，移至试验抽取芯处，在盘上的端子排用低内阻指针式万用表测量N、L的对应电位。
在L未代替抽取芯之前，N对地电压应为200mV以下，L对地的不平衡电压应为1～3V左右。
在L代替抽取芯之后，应为＋U·
a或－U·
（二）利用负荷电流、运行电压检查零序方向继电器的接线正确性
以图3.4.1（a）中线路A侧的零序功率方向继电器为例，假定负荷潮流是由A侧向B侧送电且功率因数角为30°
，如图3.4.1（b）所示。
继电器的最大灵敏角为电流滞后电压70°
。
在实际接线中，继电器的电压端子与电压互感器的零序电压是反极性相连的，因此用零序电压和零序电流对继电器进行检查时，其最大灵敏角应是I·
0超前U·
0，110°
，见图3.4.1（c）所示。
检查时，可先将电压互感器开口三角形标号为L的连线在电压互感器端子箱由A相断开入0.5一个－U·
a电压，如图3.4.1（d）所示。
然后，将电流互感器B、C相分别短接后，自继电器回路中断开，如图3.4.1（e）所示，此时流入继电器的电流为I·
a电流，即3I·
o＝I·
a，I·
a超前－U·
a150°
，即通入继电器3I·
0超前3U·
0，150°
，进入继电器动作区，如图3.4.1（f）所示。
继电器应动作。
为慎重起见，可依次分别通入I·
b、I·
c电流，以充分观察继电器的动作情况，如动作情况与表3.4.1所分析的情况一致，即证明继电器接线正确。
〖请看图片H159，+65mm。
115mm，BP#〗
图3.4.1利用负荷电流、运行电压检查零序功率方向继电器接线
（a）一次接线；
（b）电流、电压相位关系；
（c）以一次电流I·
0与电压U·
0
表示的继电器动作特性；
（d）人为地产生－U·
a电压；
（e）人为地产生I·
a电流；
（f）电压、电流与继电器特性的关系
假如在运行的电压互感器上，不仅只接入了被检
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