零序电流保护研究报告.docx

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零序电流保护研究报告

专业课程设计报告

题目：

零序电流方向保护系统研究

所在学院电气工程学院

专业班级xx级电气xx班

学生姓名xxx

学生学号20113008xxx

指导教师xxx

提交日期2014年12月20日

电气工程学院专业课程设计评阅表

学生姓名学生学号

同组队员专业班级

题目名称

一、学生自我总结

学生签名：

年月日

二、指导教师评定

评分项目

平时成绩

报告（答辩）

综合成绩

权重

50

50

单项成绩

教师评语：

教师签名：

年月日

一、研究目的

零序电流保护指利用接地时产生的零序电流使保护动作的装置，叫零序电流保护。

中性点直接接地系统发生接地短路，将产生很大的零序电流，利用零序电流分量构成保护，可以作为一种主要的接地短路保护。

接地故障是指导线与大地之间的不正常连接，包括单相接地故障和两相接地故障。

据统计，单相接地故障占高压线路总故障次数的70%以上、占低压配电线路总故障次数的80%以上，而且绝大多数的相见故障都是由单相接地故障发展而来的。

因此接地故障的零序电流保护对于电力线路乃至整个电力系统安全运行至关重要。

本次研究的主要目的，主要是为了探究中性点的接地方式、接地故障的种类、零序电流的整定计算、以及各中性点接地方式下的零序方向电流保护。

二、研究要求和指标

接地故障与中性点接地方式密切相关，相同的故障条件但不同的中性点接地方式，接地故障所表现出的故障特征和后果、危害完全不同，因而保护策略也不同。

因此，本研究的要求和指标之一是探究各中性点接地方式下的故障特征，危害以及保护策略等。

此外，零序电流保护要探究其零序功率、零序电流、零序电压的分布，零序短路电流的计算，三段式零序电流保护的整定计算，方向性的零序电流保护以及对零序电流保护的评价等。

三、研究内容

3.1中性点的接地方式以及故障特征

中性点接地方式分为：

大电流接地系统（中性点有效接地系统）和小电流接地系统（中性点非有效接地系统）

其中，大电流接地系统又分为：

中性点直接接地系统和中性点经小电阻接地系统。

小电流接地系统又分为：

中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统。

中性点接地方式的定量标准可以用下面式子判断：

若上式成立，则该中性点接地方式属于小电流接地系统。

其中，零序综合阻抗越大，接地点的电流越小。

接地故障与中性点接地方式密切相关，接地故障特征及危害完全不同，保护策略也不相同。

接地点的状况也将影响接地电流的大小，下面我们将逐一介绍。

3.1.1中性点直接接地系统

图3.1.1中性点直接接地系统

故障特征（单相接地）：

1.接地点通过大地，中性点N、相导线形成短路通道；

2.故障相有大短路电流，非故障相电流几乎不变；

3.故障相电压降低，非故障相电压几乎不变。

保护策略：

1.由于接地电流很大，保护应动作与跳闸；

2.无过电压的问题。

此中性点接地方式的用户供电可靠性低。

3.1.2中性点经小电阻接地系统

图3.1.3中性点经小电阻接地系统

故障特征（单相接地）：

1.中性点接地电阻限制了故障电流，但数值仍然很大；

2.故障后中性点电压不为零，非故障相电压升高。

保护策略：

1.保护动作于跳闸；

2.与小电流接地系统相比，抑制了过电压。

此中性点接地方式适用于大城市电缆网络规模较大，接地电容电流太大，难以通过消弧线圈补偿的系统。

3.1.3中性点不接地系统

图3.1.2中性点经小电阻接地系统

故障特征（单相接地）：

1.系统没有形成短路电流通路，故障相和非故障相都流过正常的负荷电流；

2.由于线路存在分布电容，故障电流为容性短路电流；

3.线电压保持对称，故障相电压降低，中性点的电压升高至相电压，非故障相电压升高至线电压。

保护策略：

1.接地电流不大，保护动作与警报，短时不予以切除故障；

2.容性短路电流在故障点以电弧形式存在，电弧高温会损坏设备，进而发展为相间故障；

3.存在过电压问题；

4.尽快排查故障，或进行倒负荷操作。

此中性点接地方式的用户供电可靠性高。

3.1.4中性点经消弧线圈接地系统

图3.1.4中性点经消弧线圈接地系统

故障特征（单相接地）：

1.正常时中性点电压为零，无电流流过线圈；

2.单相接地故障时，中性点出现零序电压，感性电流经过线圈流入地，抵消接地点的容性短路电流；

3.可消除或减轻电弧电流的危害；

4.接地相电压降低，中性点电压升高为相电压，非故障相电压升高为线电压。

保护策略：

1.与中性点不接地系统相同

此中性点接地方式用户供电可靠性高。

3.2中性点直接接地系统的接地保护

3.2.1发生接地短路时零序电压、零序电流、零序功率的分布

图3.2.1（a）中性点直接接地系统的接地故障系统图

中性点有效接地系统发生短路后，对其进行对称分量变换，利用复合序网，分析其零序网。

图3.2.1（b）中性点直接接地系统的接地故障零序网络等效图

零序电压：

故障点的零序电压最高，距离故障点越远零序电压越低。

图3.2.1（c）零序电压分布图

零序电流：

忽略回路电阻，以母线流入线路方向为电流正向，零序电流超前零序电压90°（与正序电流方向相反），若中性点经小电阻接地，零序电流超前零序电压>90°。

零序电流的分布取决于输电线路的零序阻抗和中性点接地变压器的中性点接地阻抗，与电源数目和位置无关。

图3.2.1（d）零序电压和零序电流矢量图

零序电流与零序电压的相位差由中性点接地变压器的阻抗有关。

零序功率：

零序功率的方向与正序功率的方向相反。

图3.2.1（e）零序短路功率方向和正序方向图

3.2.2零序短路电流的计算

图3.2.2（a）中性点直接接地系统故障图

以上图中性点直接接地系统发生故障为例，分析并计算出零序短路电流。

假设线路AB的末端母线B发生接地短路，则：

系统正序综合阻抗：

系统负序综合阻抗：

系统零序综合阻抗：

图3.2.2（b）中性点直接接地系统零序等效网络图

对上图进行分析，可得：

分支系数的计算：

由此可以看出，分支系数与线路BC无关。

1.若发生单相接地短路，则由边界条件可得：

流过线路AB的零序电流为：

或利用分支系数可写成

2.若发生两相接地短路，则由边界条件可得：

流过线路AB的零序电流为：

或利用分支系数可写成

3.2.3三段式零序电流保护及其整定计算

零序I段

零序I段：

保护反映测量点的零序电流大小而瞬时动作，为保证选择性，保护范围不超过线路的全长

整定原则：

1.躲开下一条线路出口处单相或两相接地短路的最大零序电流3I0max，引入可靠系数

2.躲开断路器三相触头不同期合闸时出现的最大零序电流3I0.ut，可通过小延时（如0.1s）可不需考虑原则2

3.当线路上采用单相自动重合闸时，躲开非全相运行状态下又发生系统震荡时出现的最大零序电流。

整定原则1、2与3的矛盾：

按照原则1和2整定的零序I段，往往不能躲开非全相运行时又发生系统震荡的最大零序电流；

若按照原则3来整定，全相运行时接地故障的保护范围被缩小，降低零序I段的灵敏性。

解决办法：

设置两个零序I段，灵敏I段和不灵敏I段。

零序II段

零序II段：

与下一级线路的零序I段相配合，带有一个动作时限，保证动作的选择性。

当两级保护之间的变电站母线上接有中性点接地变压器时，零序网络在该中性点接地变处出现分支，需要引入分支系数。

以图3.2.2（a）为例，零序II段的动作电流可用下面式子计算：

灵敏度校验计算：

若不能满足灵敏系数要求，与下一级线路的零序II段相配合整定，动作时限再抬高一级，若还是不能满足灵敏系数要求，改用接地距离保护。

零序III段

零序III段：

属于过电流保护，但是保护范围不能超出相邻线路零序III段的保护范围。

整定原则：

躲开下一级线路出口处相见短路时所出现的最大不平衡电流Iurb.max整定；

以图3.2.2（a）为例，零序III段的动作电流可用下面式子计算：

灵敏度校验计算

3.2.4方向性的零序电流保护

图3.2.4中性点直接接地系统方向性的零序电流保护图

以上图为例，当K1发生故障时，保护3可能误动；当K2故障时，保护2可能误动；T2故障时，保护1可能误动；T1故障时，保护2可能误动；1、2、3、4都要加装功率方向元件。

由于两侧中性点接地，零序网双侧接地，两侧保护都必须加设功率方向元件。

零序电流保护是否加装方向元件，应看线路所在零序网络的两侧是否都接地。

若零序网两侧都接地，为双侧电源网。

零序电流保护动作方向问题，与保护正方向是否存在电源无关。

保护正方向有中性点接地的变压器时，需要考虑动作方向的问题。

零序短路功率的实际方向为故障点流向各中性点接地变压器，因为零序电压的方向与正序电压方向相反。

当保护正前方故障时，零序电流超前零序电压95°~110°，零序方向元件应工作在最灵敏条件。

零序方向元件的最灵敏角由保护背侧的线路和中性点接地变压器的零序阻抗决定。

零序功率方向继电器没有电压死去的问题，因为故障点与保护的距离越近，保护背侧母线的零序电压越高。

当故障远离保护安装点时，零序电压和电流较小，继电器可能不启动。

故障点与保护的距离越远，零序方向元件越不灵敏。

3.2.5零序电流保护的评价

优点：

1.灵敏度高，故障切除时间短；

2.受系统运行方式变化影响小；

3.不受系统震荡、过负荷等不正常运行状态的影响；

4.单相接地故障的几率高，容易发展为多相故障，专门的零序保护具有优越性。

缺点：

1.段线路或运行方式变化较大时，灵敏性低；

2.单相重合闸起动后，灵敏I段闭锁，不灵敏I段灵敏性低；

3.自耦变联系的两个电压等级网络，任一网络接地短路都会在另一网络产生零序电流，使零序保护的整定配合复杂化。

3.3中性点经小电阻接地系统的接地保护

线路通过非金属性介质发生接地故障，包括道路、土壤、树枝、水泥建筑物等。

其特征是故障电流很小，呈现电弧型、间歇性、瞬时性，普通的零序电流保护难以检测。

针对高阻接地故障的保护原理有零序反时限过电流保护、基于三次谐波电流幅值和相位的接地保护、利用采样值突变量的保护。

3.3.1零序反时限过电流保护

整定原则：

起动电流按照躲开正常运行情况下出现的不平衡电流整定计算：

其动作时限可用下式表示：

3.3.2基于三次谐波电流幅值和相位的接地保护

保护原理：

发生高阻接地时，零序电流波形会因接地电阻的非线性而产生三次谐波电流。

非线性来源于电弧和短路介质本身，三次谐波电流的含量在高阻接地故障中很高。

图3.3.2发生高阻接地时三次谐波电流占故障电流百分比图

3.4中性点不接地系统的接地保护

图3.4简单中性点不接地系统单相接地故障分析图

以上图为例，假设系统发生A相接地故障，则由边界条件可得：

由此可知，故障相电压为0，非故障相电压升高1.732倍，三相间电压保持不变。

非故障相电容电流升高1.732倍，故障相电容电流升高3倍，故障相电容电流方向与正常方向相反。

3.4.1中性点不接系统单相接地的故障特征

1.全系统出现零序电压

2.非故障元件出现零序电流，数值等于本身对地电容电流，容性无功方向由母线流向线路。

3.故障元件的零序电流为全系统的非故障元件对地电容电流之和，容性无功方向由线路流向母线。

3.4.2绝缘监视装置

在发电厂和变电站的母线上，一般装设电网单相接地的监视装置，它利用接地后出现的零序电压带延时动作于信号。

反映全系统发生单相接地时，出现的零序电压，无选择性。

要想发现故障时在哪一条线路上，还需要由运行人员一次短时断开每条线路，并继之以自动重合闸将断开的线路投入，当断开某线路时零序电压的信号消失，即表明故障是在该线路之上。

3.4.3零序功率方向保护

利用故障线路与非故障线路零序功率方向不同的特点实现选择性，用于零序电流保护不能满足灵敏系数要求时。

为了提高零序方向保护动作的可靠性和灵敏性，在零序电流元件动作后，在延时50~100ms后，才起动方向元件的相位比较回路。

图3.4.3构成零序电流方向保护的原理框图

只在接地故障时方向元件才投入工作，提高了可靠性。

不受正常运行及相见短路时零序不平衡电压和电流的影响。

电流元件动作后经过延时再进入方向元件，可防止单相接地瞬间过渡过程对方向元件的影响。

区外故障时，流过保护的电流是使被保护元件自身的电容电流，方向元件可靠不动作。

3.5中性点经消弧线圈接地系统的接地保护

3.5.1中性点加入电感线圈后影响

接地点流过全系统对地电容电流，若电流较大，接地点会产生燃烧电弧，引起弧光电压，使非故障相电压进一步升高，破坏绝缘，形成多点接地短路。

为了减少容性短路电流，在中性点接入电感线圈。

中性点产生感谢电流，与接地点的容性电流相抵消，可减轻流经故障点的短路电流。

3.5.2三种补偿方式

完全补偿：

补偿后，使得IL=Ic∑，补偿后短路电流为0，可以完全消除故障点的电弧，似乎是最好的方式，但电感与全系统电容在50HZ下满足串联谐振条件。

则当系统正常运行时，一旦出现短时不平衡零序电压都会发生谐振，中性点电压将严重升高，危害极大。

所以，实际上不适宜采用完全补偿方式。

欠补偿：

补偿后，使得IL

当运行方式变化时，如某线路被切除，则全系统容性电流将减小，这时可能会出现IL=Ic∑的情况，即不能避免完全补偿方式产生的危害。

所以实际上也不适宜采用欠补偿方式。

过补偿：

补偿后，使得IL>Ic∑，补偿后短路电流为感性。

避免发生串联谐振，在实际上被广泛采用。

3.5.3发生单相接地时分析

1.稳态分析

采用完全补偿方式：

故障线路和非故障线路的零序电流都是本身的电容电流。

容性无功方向都是母线流向线路。

利用稳态零序电流的大小和功率方向都无法判断故障线路。

采用过补偿方式：

故障线路的零序电流大于本身的电容电流。

容性无功方向都为母线流向线路（故障线路电流为感性，由线路流向母线，即由母线流向线路的容性无功）。

不能利用功率方向判别故障线路。

由于过补偿度不大，利用流向电流大小不能可靠判别故障线路。

2.暂态分析

当发生单相接地时，接地电容电流的暂态分量远远大于稳态值，可将暂态电容电流看成放电电流和充电电流之和。

故障点绝缘击穿，故障相电压突然降低而引起的放电电容电流，有母线流向故障点，放电电流衰减很快。

非故障相电压突然升高引起的充电电容电流，由故障点流向母线，通过电源或变压器中性点形成回路，充电电流衰减较慢。

四、本研究改进建议

实验研究不仅仅是动手的过程，更是动脑思维的过程，是思想在实践中的具体体现。

由于本研究都是基于理论上的探究，缺乏实验的严谨科学性和实验数据的说服力。

因此，若将本研究实践于实验的基础上，不仅增加实验能验证课本中未验证的知识，增加实验能比较鉴别去伪存真，还能增加实验有效培养创新思维，使本研究达到事半功倍的效果。

五、总结（感想和心得等）

零序电流方向保护这一方面的内容，我们大三的时候上继电保护课在《电网接地故障的电流、电压保护》已经有所接触。

但是，我对之前上课的内容认识还比较肤浅，学习也比较笼统。

只是认识到电网中性点的几种接地方式，以及它们各自的故障特征。

并不能清楚的认识到，零序电流的产生到保护方法，与中性点的接地方式密切相关。

于是，本研究的主要目的，就是在原有的继电保护学习的基础上，加深对零序电流方向保护的认识。

由于长时间缺少对继电保护知识的复习，因此很多知识点还得从第一章开始看起，知识点才能融会贯通。

途中遇到的问题要靠请教老师和同学解决，实在不懂的情况下，找度娘也不失为一个不错的选择，只是在度娘里的知识点过于杂乱，组织起来也很费时间。

这次研究，使我对零序电流方向保护有了更加深刻的认识，等于又重新复习了一遍继电保护，温故而知新，受益匪浅。

本次研究最大的不足，在于缺乏实验的验证和数据的支持，全理论研究即使在逻辑上没有错误，但是还是缺乏一定的说服力。

本次研究报告的撰写时间颇紧，在穿梭于招聘会的空余时间，也不忘抽空翻翻我们的继电保护这本天书。

这份报告写到这种程度也实属不易，希望能得到老师的体谅！

六、主要参考文献

[1]何仰赞，温增银.电力系统分析（上册）（第三版）[M].武汉：

华中科技大学出版社

[2]贺家李，李永丽，董新洲.电力系统继电保护原理（第四版）—北京：

中国电力出版社，2010.1