继电保护专业必备——输电线路的电流保护（二）

一、小接地电流系统零序保护在中性点非直接接地的电网（又称小接地电流系统）中发生单相接地时，由于故障点的电流很小，而且三相之间的线电压仍然保持对称，对负荷供电影响小，在故障不扩大的情况下，可以运行1～2h。要求保护装置发信号，而不必跳闸，只在对人身和设备的安全有危险时，才动作于跳闸。特别是对配电网供电可靠性要求越来越高的今天，更是应该如此。1.绝缘监视装置绝缘监视装置是利用单相接地时出现零序电压的特点来构成的，其原理接线如图2-4-19所示，在发电厂或变电站的母线上装设三相五柱式电压互感器，其二次侧有两组绕组，一组接成星形，接3只电压表用以测量各相对地电压， 另一组接成开口三角形，以取得零序电压，过电压继电器接在开口处用来反应系统的零序电压，并接通信号回路。 图2-4-19 绝缘监视装置原理图正常运行时，系统三相电压对称，无零序电压，过电压继电器不动作，3块电压表读数相等。当发生单相接地时，系统各处都会出现零序电压，因此开口三角有零序电压输出，使继电器动作并起动信号继电器发信号。若要判断是哪一相发生了故障，可以通过电压表读数来判别，接地相对地电压为零，非故障相电压升高倍。根据这种装置的动作，可以知道系统发生了接地故障和故障的相别，但不知道接地故障发生在哪条线路上，因此绝缘监视装置是无选择性的。为查找故障线路，需要由值班人员依次短时断开每条线路，再用自动重合闸将断开线路投入。当断开某条线路时，零序电压消失，3只电压表读数相同，即说明该线路发生了故障。2.零序电流保护当发生单相接地时，故障线路的零序电流是所有非故障元件的零序电流之和，故障线路零序电流比非故障线路大，利用这个特点可以构成零序电流保护。保护装置通过零序电流互感器取得零序电流，电流继电器用来反映零序电流的大小并动作于信号。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，可以构成有选择性的零序功率方向保护，发生接地故障时，故障线路的零序电流滞后于零序电压90°，若使零序功率方向继电器的最大灵敏角为，则此时保护装置灵敏动作。非故障线路的零序电流超前零序电压90°，零序电流落入非动作区，保护不动作。二、大接地电流系统零序保护110kV及以上电压等级的电网均为中性点直接接地电网。该电网中发生一点接地故障即构成单相接地短路，将产生很大的故障相电流。从对称分量角度分析，则出现很大的零序电流，反映零序电流增大而动作的保护叫零序电流保护。(一)中性点直接接地系统发生接地故障时的零序分量1.零序分量分析 设在图2-5-6（a）所示网络中k点发生A相接地故障，零序电流的参考方向仍取从母线流向线路，零序电压的参考方向则取指向大地。从图中可看出：（1）故障点零序电压最高，离故障点越远零序电压越低，变压器接地中性点处零序电压为零。（2）零序电流是由故障点零序电压产生的，经变压器接地的中性点构成回路。零序电流的分布主要取决于输电线路的零序阻抗和中性点接地变压器的零序阻抗，与电源的数目和位置无关。（3）对发生故障的线路，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从线路流向母线。零序功率为 ＜0（其中，为线路的零序短路阻抗角，＜ 90o）（4）正向故障时，保护安装处母线零序电压与零序电流的相位差，取决于母线背后变压器的零序阻抗，而与保护线路的零序阻抗及故障点的位置无关。 图2-5-6 单相接地短路零序分量分析图（a）接线图；（b）零序等效网络图；（c）零序电压的分布；（d）零序电流、电压相量图用零序电压过滤器和零序电流过滤器即可实现接地短路的零序电流和方向保护。现分别讨论如下。2.零序电流滤过器接地保护装置是通过零序电流滤过器来取得零序电流的。将三相电流互感器极性相同的二次端子分别接在一起，就组成了零序电流滤过器，如图2-5-7所示。流入继电器的电流为： （2-5-6） 图2-5-7 零序电流滤过器 图2-5-8 零序电流互感器接线示意图（a）结构图；（b）接线图对采用电缆引出的送电线路，采用零序电流互感器获得零序电流。如图2-5-8所示，此电流互感器套在电缆的外面，即这个互感器的一次电流是，只有当一次侧出现零序电流时，在互感器二次侧才有相应的零序电流输出，故称它为零序电流互感器。3.零序电压过滤器零序电压滤过器是指输入端加三相电压而输出端只有零序电压的滤过器。见图2-5-9所示。 图2-5-9 零序电压滤过器取得零序电压的接线图（a）用三个单相式电压互感器；（b）用三相五柱式电压互感器(二)零序电流保护一般采用三段式或四段式。三段式零序电流保护由零序电流速断(零序I段)、限时零序电流速断(零序Π段)、零序过电流(零序IΠ段)组成。其中Ⅰ段为速动段保护，Ⅱ段（Ⅱ、Ⅲ段）应能有选择性切除本线路范围的接地故障，其动作时间应尽量缩短，最末一段则为后备保护。三段式零序电流保护原理与三段式电流保护是相似的。l.零序电流速断保护(零序I段)零序电流速断保护的整定原则如下：(1)零序I段的动作电流应躲过被保护线路末端发生单相或两相接地短路时可能出现的最大零序电流。 （2-5-7）(2)躲过由于断路器三相触头不同时合闸所出现的最大零序电流。（2-5-8）(3)在220kV及以上电压等级的电网中，当采用单相或综合重合闸时，会出现非全相运行状态，若此时系统又发生振荡，将产生很大的零序电流，按(1)、(2)来整定的零序I段可能误动作。如果使零序I段的动作电流按躲开非全相运行系统振荡的零序电流来整定，则整定值高，正常情况下发生接地故障时，保护范围缩小。为此，通常设置两个零序I段保护。一个是按整定原则(1)、(2)整定，由于其定值较小，保护范围较大，称为灵敏I段，它用于全相运行状态下出现的接地故障，在单相重合闸时，则将其自动闭锁，并自动投入第二种零序I段。称为不灵敏I段，按躲开非全相振荡的零序电流整定，其定值较大，灵敏系数较低，用来保护非全相运行状态下的接地故障。灵敏的零序I段，其灵敏系数按保护范围的长度来校验，要求最小保护范围不小于线路全长的15%。2.限时零序电流速断保护(零序Ⅱ段)零序Ⅱ段能保护线路全长，以较短时限切除接地故障。其动作电流与下一线路的零序I段配合。零序Ⅱ段的动作时限比下一线路零序I段的动作时限大一个时限级差 为O.5s。零序Ⅱ段的灵敏系数，按本线路末端接地短路时的最小零序电流来校验，要求 ≥1.5。若灵敏度不满足要求，则本线路零序Ⅱ段与下一线路零序Ⅱ配合，即同时采用0.5s的零序Ⅱ段和1.0s的零序Ⅱ段。3.零序过电流保护(零序Ⅲ段)零序过电流保护在正常运行及外部相间短路时不应动作，而此时零序电流滤过器有不平衡电流输出并流过本保护，所以零序Ⅲ段的动作电流应按躲过最大不平衡电流来整定。（1）躲过相邻线路首端三相短路时，出现的最大不平衡电流，即　 零序电流Ⅲ段保护动作电流定值取上面较大值。动作时限的确定按阶梯形原则配合，配合范围比相间短路过电流保护配合范围小，因此同一条线路上零序过电流动作时限比相间短路过电流时限短。零序电流Ⅲ段保护的灵敏系数，按保护范围末端接地短路时的最小零序电流来校验。作近后备时，校验点取本线路末端，要求≥1.5；作下一线路的远后备时，校验点取下一线路末端要求≥1.25。(三)零序方向电流保护l.方向性问题的提出在双侧或多侧电源的电网中，电源处变压器的中性点一般至少有一点接地，如图2-5-10 (a)所示的电网。当在线路上发生接地故障时，零序电流流经各个中性点接地变压器。图2-5-10 (b)、(c)分别画出了k1点与k2点短路时的零序等值网络。当在k1点短路时，应由保护1和2动作切除故障，但零序电流流过保护2与3，保护3有可能动作。同理当在k2点短路时，保护2可能动作。因此，与方向电流保护相同，必须在零序电流保护上增加功率方向元件，判别零序电流的方向，构成零序方向电流保护。 图2-5-10 零序方向电流保护(a)网络图；(b)k1点短路的零序等值网络；(c)k2点短路的零序等值网络2.零序功率方向元件测量零序电压和零序电流的夹角，满足下述动作方程（2-5-15），继电器动作，反之继电器不动作。 3.阶段式零序方向电流保护。三段式零序方向电流保护的原理接线图如图2-5-11所示。只有在零序功率方向元件动作后，零序电流保护才能动作于跳闸。当发生正方向接地故障时，KWO判别功率方向为正而动作，电流继电器流过故障电流动作，故保护跳闸。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段零序电流保护共用一个功率方向继电器KW0。 图2-5-11 三段式零序方向电流保护的原理接线图（四）对大接地电流系统零序保护评价在前面分析相间短路电流保护的接线方式中，已经指出三相星形接线也可反映单相接地故障，那为什么还要采用专门的零序电流保护呢？这是因为两者比较，后者具有很多的优点：1）零序电流保护更灵敏，Ⅰ、Ⅱ受运行方式影响较小，Ⅰ段保护范围长且稳定，Ⅱ段灵敏性易于满足，Ⅲ段躲不平衡电流，定值低更灵敏且时间较短； 2）零序功率方向继电器出口无死区，接线简单、经济、可靠； 3）系统振荡、短时过负荷等情况下（三相对称）I0不受影响。零序电流保护的缺点是：1）对于短线路或运行方式变化比较大的情况，保护往往不能满足系统运行的要求；2）采用单相重合闸方式时，在重合闸过程中出现的非全相运行状态会影响零序电流保护的正确工作，因此应从整定计算上考虑，或在单相重合闸过程中短时退出运行；3）采用自耦变压器联系两个不同电压等级电网时，任一网络的接地短路都将在另一侧产生零序电流，使零序保护的整定配合复杂化，并增大第Ⅲ段保护的动作时限。