电力系统继电保护——中性线直接接地系统中接地短路的零序电流及方向保护

博主： williamkong
发布时间：2021 年 04 月 27 日
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分类：电力系统继电保护

当中性点直接接地系统（又称大接地电流系统）中发生接地短路时，将出现很大的零序电压和电流。利用零序电压、电流来构成接地短路的保护，具有显著的优点，被广泛应用在110kV及以上电压等级的电网中。

## 接地短路时零序电压、电流和功率分布

零序电压在故障点最高。

零序电流从故障点经线路流向大地。忽略回路电阻时，流过故障点两侧线路保护的电流$\dot{I'}_0$和$\dot{I''}_0$超前零序电压$\dot{U}_{k0}$ 90°，零序电流分布与电源数目和位置无关。

零序功率都由线路流向母线。

## 零序电压、电流滤过器

### 零序电压滤过器

得到的电压$\dot{U}_{mn}=\dot{U}_a+\dot{U}_b+\dot{U}_c=3\dot{U}_0$

实际中可能有不平衡电压产生

### 零序电流滤过器

流入继电器的电流$\dot{I}_r=\dot{I}_a+\dot{I}_b+\dot{I}_c=3\dot{I}_0$

正常运行和一切不伴随有接地的相间短路时，由于三个互感器励磁电流不相等导致继电器中有不平衡电流：

$$
\dot{I}_r=\frac{1}{n_{TA}}(\dot{I}_{\mu A}+\dot{I}_{\mu B}+\dot{I}_{\mu C})=\dot{I}_{unb}

## 零序电流Ⅰ段保护

1. 躲开下级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$3I_{0.max}$，引入可靠系数$K^I_{rel}$:

$$
   I^I_{set}=K^I_{rel}\times3I_{0.max}

$$
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$3I_{0.unb}$：

$$
   I^I_{set}=K^I_{rel}\times3I_{0.unb}

**整定值取两者中较大者**

## 零序电流Ⅱ段保护

$$
I^{II}_{set.2}=\frac{K^{II}_{rel}}{K_{0.b}}I^{II}_{set.1}

$K_{0.b}$：零序电流的分支系数，变电所母线上没有中性点接地的变压器时，$K_{0.b}=1$

$K_{rel}^{II}$：零序Ⅱ段保护的灵敏系数，按本线路末端短路时的最小零序电流校验，并满足$K_{re}\ge1.5$

当下级线路比较短或运行方式变化比较大，不能满足对灵敏系数的要求时，可以考虑：

1. 用两个灵敏度不同的零序Ⅱ段保护。
   - 保留0.5s的零序Ⅱ段保护，快速切除正常运行方式和最大运行方式下线路上所发生的接地故障
   - 增加一个与下级线路零序Ⅱ段保护配合的Ⅱ段保护，保证在各种运行方式下线路短路时保护装置都具有足够的灵敏系数
2. 改用接地距离保护

## 零序电流Ⅲ段保护

$$
I^{III}_{set}={K^{III}_{rel}}I_{unb.max}

当两个保护之间具有分支电路时：

$$
I^{III}_{set.2}=\frac{K^{III}_{rel}}{K_{0.b}}I^{III}_{set.1}

$K^{III}_{rel}$：相邻线路零序Ⅲ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

## 方向性零序电流保护

在变压器接地数目比较多的复杂网络中，需要考虑零序电流保护动作方向性问题。

零序功率方向元件接入零序电压和零序电流，其中$3\dot{I}_0$超前$3\dot{U}_0$ 95 ~ 100°，${\varphi}_{sen}$= -95°~ -110°

## 对零序电流保护的评价

优点：

1. 零序过电流保护的灵敏度高，总的故障切除时间短
2. 零序电流保护受系统运行方式变化影响小，保护范围大
3. 零序电流保护不受某些不正常运行状态影响
4. 方向性零序保护没有电压死区

缺点：

1. 对运行方式变化很大或接地点变化很大的电网，保护往往不能满足系统运行要求
2. 单相重合闸可能导致出现较大的零序电流，影响零序电流保护工作
3. 两个不同电压等级的电网用自耦变压器联系时，任一电网的接地短路都将在另一网络产生零序电流，使整定配合复杂化

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电力系统继电保护——中性线直接接地系统中接地短路的零序电流及方向保护

williamkong • 2021 年 04 月 27 日

## 接地短路时零序电压、电流和功率分布

零序电压在故障点最高。

零序功率都由线路流向母线。

## 零序电压、电流滤过器

### 零序电压滤过器

得到的电压$\dot{U}_{mn}=\dot{U}_a+\dot{U}_b+\dot{U}_c=3\dot{U}_0$

实际中可能有不平衡电压产生

### 零序电流滤过器

流入继电器的电流$\dot{I}_r=\dot{I}_a+\dot{I}_b+\dot{I}_c=3\dot{I}_0$

正常运行和一切不伴随有接地的相间短路时，由于三个互感器励磁电流不相等导致继电器中有不平衡电流：

$$
\dot{I}_r=\frac{1}{n_{TA}}(\dot{I}_{\mu A}+\dot{I}_{\mu B}+\dot{I}_{\mu C})=\dot{I}_{unb}

## 零序电流Ⅰ段保护

1. 躲开下级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$3I_{0.max}$，引入可靠系数$K^I_{rel}$:

$$
   I^I_{set}=K^I_{rel}\times3I_{0.max}

$$
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$3I_{0.unb}$：

$$
   I^I_{set}=K^I_{rel}\times3I_{0.unb}

**整定值取两者中较大者**

## 零序电流Ⅱ段保护

$$
I^{II}_{set.2}=\frac{K^{II}_{rel}}{K_{0.b}}I^{II}_{set.1}

$K_{0.b}$：零序电流的分支系数，变电所母线上没有中性点接地的变压器时，$K_{0.b}=1$

$K_{rel}^{II}$：零序Ⅱ段保护的灵敏系数，按本线路末端短路时的最小零序电流校验，并满足$K_{re}\ge1.5$

当下级线路比较短或运行方式变化比较大，不能满足对灵敏系数的要求时，可以考虑：

## 零序电流Ⅲ段保护

$$
I^{III}_{set}={K^{III}_{rel}}I_{unb.max}

当两个保护之间具有分支电路时：

$$
I^{III}_{set.2}=\frac{K^{III}_{rel}}{K_{0.b}}I^{III}_{set.1}

$K^{III}_{rel}$：相邻线路零序Ⅲ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

## 方向性零序电流保护

在变压器接地数目比较多的复杂网络中，需要考虑零序电流保护动作方向性问题。

零序功率方向元件接入零序电压和零序电流，其中$3\dot{I}_0$超前$3\dot{U}_0$ 95 ~ 100°，${\varphi}_{sen}$= -95°~ -110°

## 对零序电流保护的评价

优点：

缺点：

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