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1、第二章电网的电流保护 第三节中性点直接接地电网中接地短路的零序电流及方向保护 为进行不对称短路计算 通常将A B C三相电压和电流都分解为他们的对称分量 故 运算子 1 中性点接地电网特征 正常运行或三相短路时由于三相电压和电流是对称的 故 2 3 1接地短路时零序电压 电流和功率的分布 两相短路时 设为K 2 BC 故故障点的零序电压和零序电流为 在故障点k处 单相接地短路 设为K 1 A 中性点接地系统 在接地故障点 故障相电压 故障相电流 故在故障点的零序电压零序电流为 出现零序电压和零序电流是接地故障区别于正常运行和相间短路故障的基本特征 两相接地短路 设为K 1 1 BC 在故障点
2、则 相间短路只有纵向不对称 接地短路既有横向不对称 也有纵向不对称 所谓横向不对称故障是指发生在系统某一点与地之间的故障 所谓纵向不对称故障发生在系统某两点之间的故障 零序网络 纵上分析 在中性点直接接地的电网 又称大接地电流系统 一般为110kV以上电网 中发生接地短路时 将出现很大的零序电压和电流 而正常运行以及相间短路情况下它们是不存在的 因此可利用零序电压 电流来构成接地短路的保护 具有显著的特点 T1 T2 A B C 1 2 系统接线 两相接地短路 设为K 1 1 BC 利用对称分量的方法将电流和电压分解为正序 负序和零序分量 零序电流可以看成在故障点出现一个零序电源而产生的 经变
3、压器中性点构成回路 零序电流的方向仍规定从母线流向故障线路为正 而对零序电压的方向是线路高于大地的电压为正 忽略电阻时向量图 纯感性负荷电流滞后电压90O 考虑线路中的零序电阻时 零序电压与零序电流之间相位角为 计及电阻时向量图 零序电流实际流向 在电感中 电流滞后电压90o 按规定正方向来看零序电流从线路流向母线 特点 零序分量的参数具有如下特点 零序电压 故障点的零序电压最高 变压器中性点接地处的零序电压为 零序电压分布 变电所A母线 变电所B母线 故障点 变电所A母线上零序电压为 变电所 母线上零序电压为 零序电流 零序电流只在故障点与中性点接地的变压器之间流动 并由大地构成回路 零序电
4、流比正序 负序电流流动范围少 当忽略回路的电阻时 和超前 当计及电阻时 设零序阻抗角 则和超前为 忽略电阻时向量图 纯感性负荷电流滞后电压90O 计及电阻时向量图 考虑线路中的零序电阻时 零序电压与零序电流之间相位角为 阻抗主要是变压器的感抗 零序电流的分布 主要决定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 当变压器T 中性点不接地时 则因为零序不构成回路 零序功率 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 零序功率的方向实际上是由线路流向母线 但故障点离保护安装处愈远 流过保护安装处的零序电流愈小 保护安装处 在保护安装处 零序电压与零序电
5、流之间的相位差取决于变压器的零序阻抗角 而与被保护线路的零序阻抗及故障点的位置无关 系统运行方式 在电力系统运行方式变化时 只要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 中性点接地的变压器数目越多 系统的零序阻抗越小 接地故障点的零序电流越大 1 零序电压过滤器 2 3 2零序电压过滤器 零序电流过滤器 在集成电路保护装置内部合成零序电压 用接于发电机中性点的电压互感器 m n 在微机保护中分为自产零序和过滤器零序两种 2 零序电流过滤器 TA等效电路 一次电流的一部分消耗在励磁上 并没有全部线性传变到二次侧 将三个同型号同变比的单相电流互感器二次侧同极性端子连
6、接在一起作为输出 即构成零序电流过滤器 考虑励磁电流的影响后 由于TA一次电流中的一部分消耗在绕组励磁上 流入零序电流继电器的电流 理论上 为 实际上流入零序电流继电器的电流为 每相电流互感器输出的电流为 称为零序电流过滤器的不平衡电流 当发生相间短路时 电流互感器一次侧流过的电流值最大 且包含有非周期分量 故不平衡电流也最大 以表示 当零序电流为零时零序电流过滤器依然有输出 在正常运行和一切不伴随有接地的相间短路时 三个电流互感器一次侧电流的向量和必然为零 因此 流入零序电流继电器中的电流即为 3I 0 TAN A B C 电缆 零序电流互感器接线示意图 对于采用电缆引出的送电线路 还广泛地
7、采用了零序电流互感器的接线以获得3I0 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其一次绕组 这个互感器的一次电流就是只当一次侧有零序电流时 在互感器的二次侧才有相应的3I0输出 故称它为零序电流互感器 采用零序电流互感器的优点 和零序电流过滤器相比 主要的是没有不平衡电流 同时接线也更简单 2 3 3零序电流速断 零序 段 保护 整定原则 有两个 躲开相邻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 引入可靠系数 在确定最大零序电流时 要考虑使零序电流为最大的运行方式和接地故障类型 即应考虑系统正序阻抗Z1为最小 保护安装侧变压器中性点接地数目最多 而线路末端变压器
8、中性点接地数目最小或都不接地的情况 T1 T2 A B C 1 2 系统接线 零序等效网络 XT10 A B X k0 X k0 XT2 0 T2中性点接地 若母线A还接有中性点接地的变压器 则零序阻抗变小 流过A侧零序电流增大 T2中性点不接地 至于是单相接地短路时的3I0 1 大 还是两相接地短路时的3I0 1 1 大 可比较和 若 则3I0 1 1 3I0 1 若3I0 1 1 因为在 的条件下 单相接地短路的零序电流为 两相接地短路的零序电流为 单相接地 故障点的等效零序电势 故障点的等效正序 负序 零序阻抗 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 引入可靠系数 3I0 u
9、nb的计算 一相先合与两相断线情况类同 两相先合与一相断线情况类同 具体可参见电力系统分析之短路计算 若保护装置动作时间大于断路器三相不同期合闸的时间 则可不考虑这一条件 若考虑则整定值应选取其中较大者 当线路上采用单相自动重合闸时 要求最小保护范围不少于线路全长的15 按上述 整定的零序 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 而若按这一条件整定 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 段的作用 其中一个按条件 或 整定 定值小 保护范围大 称为灵敏 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 而当单相自动重合闸时 重合期间
10、将自动闭锁 待恢复全相运行时才能重新投入 为了解决这个矛盾 通常设置两个零序 段 另一个是按照条件 整定 定值大 称为不灵敏 段 主要作用是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 段的缺陷 2 3 4零序电流限时速断 零序 段 保护 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 也将产生助增电流 引入零序电流的分支系数 则零序 段的起动电流应整定为 保护范围不超出相邻下一条线路零序 段的保护范围 零序 段整定其起动电流首先考虑和下一条线路的零序 段相配合 并带有一个 t的时限 以保证动作的选择性 时限为 t b 零序等效网络 3I0 M c 零序电流变化曲线 l
11、 T1 T2 1 2 当线路B C上发生接地短路时 流过保护1和2的零序电流分别为和 两者之差就是从变压器中性点流回的电流 当变压器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 3 零序 段灵敏系数 零序 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校验 并应满足Ksen 1 5的要求 2 3 5零序过电流 零序 段 保护 作为接地保护的后备 在零序过电流保护中 起动电流的整定原则上按照躲开相邻下一条线路出口处相间短路时零序互感器出现的最大不平衡电流来整定 引入可靠系数 则 二次侧零序过电流保护动作电流 二次侧动作电流 同时要求各保护之间在灵敏系数上要互相配合
12、 本保护零序 段的保护范围不能超出相邻线路零序 段 当两个保护之间具有分支电路时 起动电流应按如下整定 可靠系数1 1 1 2 在相邻线路的零序 段保护范围末端发生接地短路时 故障线路中零序电流与流过本保护装置中零序电流之比 评价 优点 相间短路的过电流保护是按照大于负荷电流IL max来整定 继电器的起动电流一般大于 而零序过电流保护则按照躲开不平衡电流的原则整定 其值一般为 由于发生单相接地短路时 故障相的电流与零序电流相等 故零序过电流保护的灵敏性高 零序电流保护受系统运行方式变化的影响小 且在线路始端与末端短路时 零序电流变化显著 故零序 段的保护范围较大 也较稳定 当系统中发生某些不
13、正常运行状态时 如系统振荡 短时过负荷等 零序保护不受影响 在110kV及以上的高压或超高压系统中 单相接地故障占全部故障的70 90 而且其它故障也往往是由单相接地引起的 故采用零序保护具有显著的优越性 缺点 对于短线路或运行方式变化很大的情况 保护往往不能满足系统运行所提出的要求 随着单相重合闸的广泛应用 在重合闸过程中将出现非全相运行状态 再考虑系统两侧的电机发生摇摆 则可能出现较大的零序电流 因而影响零序电流保护的正确工作 当采用自耦合变压器联系两个不同电压等级的网络时 例如110kV和220kV电网 则任一网络的接地短路均将在另一网络中产生零序电流 这将使零序保护的整定配合复杂化 并
14、将增大零序 段的动作时限 在中性点直接接地的电网中 由于零序电流保护简单 经济 可靠 故得到广泛应用 第四节中性点非直接接地电网中单相接地故障的保护 中性点不接地 中性点经消弧线圈接地 中性点经电阻接地等电网 统称为中性点非直接接地电网 在中性点非直接接地电网 又称小接地电流系统 中发生单相接地时 由于故障点电流很小 而且三相之间的线电压仍然保持对称 对负荷的供电没有影响 因此 在一般情况下都允许再继续运行1 2小时 在此期间 其他两相的对地电压要升高倍 为了防止故障进一步扩大成两点或多点接地短路 就应及时发出信号 以便运行人员查找发生接地的线路 采取措施予以消除 这也是采用中性点非直接接地运
15、行的主要优点 因此 在单相接地时 一般只要求继电保护能选出发生接地的线路并及时发出信号 而不必跳闸 但当单相接地对人身和设备的安全有危险时 则应动作于跳闸 能完成这种任务的保护装置有时被称作 接地选线装置 2 4 1中性点不接地电网单相接地故障的特点 A相接地时的向量图 简单网络接线示意图 A B C k 如图所示的最简单的网络接线 电源和负荷的中性点均不接地 在正常运行情况下 三相对地有相同的电容 在相电压的作用下 每相都有一超前于相电压的电容电流流入地中 而三相电流之和等于零 假设A相发生单相接地短路 则A相对地电压为零 对地电容被短接 而其他两相的对地电压升高倍 对地电容电流也相应增大倍
16、 相量关系如图所示 A B C k 由于线电压仍然三相对称 三相负荷电流对称 相对于故障前没有变化 故可只分析对地关系的变化 在A相接地以后 忽略负荷电流和电容电流在线路阻抗上产生的电压降 各相对地的电压为 故障点k的零序电压为 在非故障相中产生电容电流并流向故障点 其有效值为 式中为相电压的有效值 因为全系统A相对地的电压均等于零 因而各元件中A相对地的电容电流也等于零 此时 从A相接地点流回的电流是全系统非故障相电容电流之和即 其有效值为 是正常运行时单相电容电流的三倍 单相接地时 用三相系统表示的电容电流分布图 A B C 线路 线路 当网络中有发电机和多条线路存在时 每台发电机和每条线路对地均有电容存在 设以 等集中的电容来表示 当线路 A相接地后 在非故障的线路 上 A相电流为零 B相和C相中有本身的电容电流 因此 在线路始端所反应的零序电流为 其有效值为 非故障线路特点 非故障线路中的零序电流为线路 本身的电容电流 电容性无功功率的方向为由母线流向线路 在发电机G上 首先有它本身的B相和C相的对地电容电流和 但是 由于它还是产生其它电容电流的电源 因此 从A相中要流回从故障
