電力系統(tǒng)繼電保護 第2版 課件 2.3電網(wǎng)接地保護

電力系統(tǒng)繼電保護

第二版機械工業(yè)出版社教材配套電子教案電力系統(tǒng)繼電保護

第二版劉學軍編制2.3電網(wǎng)的接地保護2.3電網(wǎng)的接地保護2.3.1中性點直接接地電網(wǎng)的零序電流保護和零序方向電流保護1、中性點直接接地電網(wǎng)接地短路時的零序電壓、零序電流和零序功率2、中性點直接接地電網(wǎng)的零序電流保護3、中性點直接接地電網(wǎng)的零序方向電流保護2.3.2中性點非直接接地電網(wǎng)的接地保護1、中性點不接地電網(wǎng)單相接地故障的特點2、中性點不接地電網(wǎng)的接地保護2.3.1

中性點直接接地電網(wǎng)接地短路時的零序電壓、零序電流和零序功率

中性點直接接地電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，通過中性點直接接地，在故障相中流過很大的短路電流，這種電網(wǎng)稱為大接地電流電網(wǎng)。在中性點直接接地電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，要求繼電保護裝置切除故障。采用前面電流保護雖然也能反應中性點直接接地電網(wǎng)的單相短路，但因為這種保護靈敏性低和動作時間長，所以，必須裝設專用的接地保護裝置。如圖2-63a接地短路的零序等值網(wǎng)絡。圖2-63接地短路時的零序等值網(wǎng)絡

(a)電網(wǎng)接線；（b）零序網(wǎng)絡；（c）零序電壓分布保護安裝處A和B及故障點處零序電壓、電流的分布

保護按裝處A和Ｂ及故障點Ｋ處的零序電壓分別為：

故障點的零序電流為

根據(jù)對稱分量法求解可得在故障點處，各序電壓和電流、功率有下列關系：1、單相接地零序分量特點（1）故障點的零序電壓最高，離故障點越遠，零序電壓越低。（2）零序電流超前零序電壓90°（3）零序電流的分布，決定于線路的零序阻抗和中性點接地變壓器的零序阻抗及變壓器接地中性點的數(shù)目和位置。（4）故障線路零序功率的方向與正序功率的方向相反，是由線路流向母線的。短路點零序功率最大。（5）某一保護安裝地點處的零序電壓與零序電流之間的相位差取決于背后元件的阻抗角。變壓器中性點的選擇不使系統(tǒng)出現(xiàn)危險的過電壓；不使零序網(wǎng)絡有較大改變，以保證零序保護有穩(wěn)定的靈敏性。2、中性點直接接地電網(wǎng)的零序電流保護1）零序電流濾過器的不平衡的電流

零序電流濾過器由三個TA構成，由于短路電流中含有很大的非周期分量，造成TA的鐵芯嚴重飽和，由于三個TA飽和程度不同，造成勵磁電流有很大差別，因而產(chǎn)生很大不平衡電流。零序電流濾過器的最大不平衡電流為：（1）零序保護的構成零序電流保護通過零序電流濾過器獲得零序電流。零序電流濾過器圖2-64零序電流濾過器的接線a)由三個TA接成零序電流濾過器；b)由零序電流互感器構成的零序電流保護（2）零序電流保護接線

圖2-65三段式零序電流保護的接線（3）三段式零序電流保護的

整定計算圖2-66無時限零序電流速斷保護原理說明圖1）零序保護第1段（3）零序電流保護II段保護整定計算圖2-67帶時限零序電流速斷保護原理說明圖

零序電流保護的時限特性零序電流保護時限比相間短路過流保護動作時限縮短了。因為變壓器Yd接線，所以高壓側(cè)無零序電流，所以零序保護4可以瞬時動作，不必和保護3配合。所以零序保護動作時限從保護4開始逐級加大一個時限級差。從圖2-68中可以看出接地保護時限比相間短路保護時限縮短了。圖2-68零序電流保護的時限特性三段式零序電流保護整定計算（1）零序保護第I段（2）零序保護第II段（3）零序保護第III段近后備保護：遠后備保護：零序電流保護II段保護整定計算當靈敏性不滿足要求時，采用括號內(nèi)值，此時，可增加一個零序II段，保護有兩個零序II段。一個定值大，能在正常運行或最大運行方式下以較短延時切除本線路接地短路，另一個定值較小，有較長時限，保證在系統(tǒng)最小運行方式下線路末端接地時有足夠的靈敏性。3、中性點直接接地電網(wǎng)的零序方向電流保護（1）零序方向電流保護的工作原理。

在中性點直接接地電網(wǎng)中發(fā)生接地短路時，零序功率的方向總是由故障點指向各個中性點的，即零序電流方向是由故障點流向各個中性點的變壓器。因此，在變壓器接地數(shù)目比較多的復雜網(wǎng)絡，必須考慮零序保護動作的方向性。（1）零序方向電流保護的工作原理當K1接地短路時，按選擇性的要求，保護1、2動作切除故障，加裝零序功率方向元件，將保護3閉鎖。K2點接地故障時，保護3、4動作，保護2應裝設零序功率方向元件將保護2閉鎖，保證了動作的選擇性。圖2-69零序電流方向保護工作原理a)網(wǎng)絡接線；b)K1點短路零序網(wǎng)絡；c)K2點短零序網(wǎng)絡（2）零序電壓濾過器零序功率方向繼電器需要輸入保護處的零序電流和零序電壓，零序電流可通過零序電流濾過器提供，零序電壓則由零序電壓濾過器提供。零序電壓濾過器由三個單相電壓互感器構成或由三相五柱式電壓互感器構成，電壓互感器一次側(cè)的三相繞組接成星形接線并將中性點接地，接于被保護線路母線上，二次側(cè)三相繞組接成開口三角形，其端子m、n上的電壓與一次系統(tǒng)的三倍零序電壓成正比，即Umn=Ua+Ub+Uc=（UA+UB+UC）/KTV=3U0/KTV。零序電壓濾過器接線(3)接地短路保護安裝處零序電壓與零序電流的相位關系

當保護1正向K1點發(fā)生接地故障時，取保護安裝點零序電流參考方向為由母線指向線路，零序電壓參考方向由母線指向地。

(2-106)正反向故障時，保護按裝處零序電壓、電流的相位關系

GGWL2K2T1WL1K1T2ZOT1ZOT1ZOL1ZOL2U0KMNU01I01U0KZ0L2Z0L1Z0T1Z0T2I01U01U01I01反向故障時零序網(wǎng)絡及向量圖正向故障時零序網(wǎng)絡及相量圖-U01I01-I01U01正反向故障時，保護按裝處零序電壓、電流的相位關系(3)接地短路保護安裝處零序電壓與零序電流的相位關系

Z0·T1——變壓器T1的零序阻抗；Z/0L——接地短路點至保護安裝處的線路之間的零序阻抗。零序功率方向繼電器輸入電壓U01和零序電流I01之間相角決定于保護安裝處背后變壓器的零序阻抗。I01超前U01相角，通常約為70°～85°，故零序電流超前零序電壓的相位角一般為95°～110°。當保護1背后K2點發(fā)生接地故障時，保護安裝處的零序電壓和零序電流之間關系為：(3)接地短路保護安裝處零序電壓與零序電流的相位關系Z0·Σ——保護正向系統(tǒng)零序總阻抗。為Z0Σ的阻抗角，背后故障時U01超前I01角度為。（4）零序功率方向繼電器

接線圖2-72零序功率方向繼電器接線及相量圖a繼電器接線；b零序電流3I0和零序電壓3U0相量圖（4）零序功率方向繼電器接線KW接線如圖2-72（a）所示，其電流繞組接于零序電流濾過器，輸入電流為3I0。電壓繞組接于電壓互感器開口三角形繞組的輸出端，輸入電壓為-3U0。零序功率方向繼電器只反應正向故障，3I0超前3U0約95~110°。此時，繼電器應正確動作，并應在最大靈敏角條件下。2）電力系統(tǒng)中實際使用的零序功率方向繼電器最大靈敏角，即當從其正極性輸入端的3I0電流滯后于按正極性輸入的電壓3U0的相角70°～85°，這時，繼電器最靈敏。（4）零序功率方向繼電器接線把3I0和3U0不加改變均從正極性端子輸入繼電器，則繼電器將不工作在最靈敏狀態(tài)下，如果把以反極性加到繼電器正極性端子上，這時接入的電壓為-3U0，加入電流為3I0，Ir滯后Ur70°，即°，亦即，這樣才能使繼電器工作在最靈敏的條件下。在實際工作中，把繼電器電流繞組中標有“·”號的端子與零序電流濾過器標有“·”號的同極性端子相連接，把繼電器電壓繞組中不帶“·”號的端子與電壓濾過器中帶有“·”號的異性端子相連接.

當線路上發(fā)生接地故障時，接地點的零序電壓最高，而離故障點越遠，則零序電壓就越低，當故障點發(fā)生在保護安裝處附近時，接入繼電器的零序電壓很高，因此，零序功率方向繼電器沒有死區(qū)。（5）三段式零序方向電流保護在同一方向上零序方向電流保護動作電流和動作時限的整定同前面介紹的三段式零序電流保護相同。零序電流元件的靈敏度校驗也與前面相同。三段式零序方向電流保護接線如圖2-73所示由于零序電壓分布的特點可知，在靠近保護安裝處附近不存在方向元件死區(qū)，但遠離保護安裝地點發(fā)生接地短路時，流過保護的零序電流很小，零序電壓也很低，方向元件有可能不動作，為此應分別檢驗方向元件的電流和電壓靈敏系數(shù)。（5）三段式零序方向電流保護圖2-73三段式零序方向電流保護原理接線（5）三段式零序方向電流保護1)式中3U0·min、3I0·min——分別為相鄰線路末端接地短路時，加在方向元件上的3倍零序電壓和電流；

U0.op·min、I0.op·min——分別為零序方向元件的最小動作電壓和電流，也可用下式校驗方向元件的靈敏系數(shù)。2)

Ks·min=（3U.0·min×3I.0·min）/S0.OP≥1.5～2S0.op——零序功率方向元件的動作功率；

3U.0·min×3I.0·min——保護區(qū)末端短路時，保護安裝處的最小零序功率。

圖5-11三段式零序方向電流保護單相原理接線圖圖5-11，零序電流濾過器接功率方向繼電器電流繞組，零序電壓濾過器接功率方向繼電器的電壓繞組，與電流繼電器KA1、KS1、KCO、YT構成零序電流保護I段,KA2、KT1、KS2、YT構成零序電流保護II段,KA3、KT2、KS3、YT構成零序電流的第III段保護。2.3.2中性點非直接接地電網(wǎng)的接地保護在中性點非直接接地電網(wǎng)中，發(fā)生單相接地時，一般只要求繼電保護裝置能無選擇性地發(fā)出預告信號，不必跳閘。但對人身和設備的安全造成危險時，應有選擇性地動作于斷路器跳閘。1、中性點不接地電網(wǎng)單相接地故障的特點假定電網(wǎng)負荷為零，并忽略電源和線路上的電壓降，電網(wǎng)的各相對地電容C0相等。在正常運行時，三相對地電壓是對稱的，中性點對地電壓為零，即UN=0。忽略電源和線路壓降，各相對地電壓為各相電勢。在三相對稱電壓作用下，產(chǎn)生三相電容電流也是對稱的，并超前對應相電壓90°。1、中性點不接地電網(wǎng)單相接地故障的特點設在A相線路上發(fā)生金屬性單相接地，則接地相對地電容C0被短路，中性點對地電位升至UN=-EA，線路各相對地電壓、母線上零序電壓分別為:中性點不接地系統(tǒng)單相接地短路電壓、電流的相量圖UAUBUCEBECEAU0U0U0IBICIB+ICIA=-（IB+IC）圖2-74中性點不接地電網(wǎng)發(fā)生單相接地短路中性點不接地系統(tǒng)單相接地短路電壓、電流的相量圖圖2-74中性點不接地電網(wǎng)發(fā)生單相接地短路1、中性點不接地電網(wǎng)單相接地故障的特點兩非故障相在電壓和作用下，出現(xiàn)超前相電壓90°的電容電流和，非故障相電流為IB、IC。接地點流回的接地電流：故障線路始端的零序電流為零，即對于單條線路，當線路發(fā)生單相接地時，流過故障線路的零序電流為零，所以零序電流保護不能反應。用EPh表示相電勢的有效值，則IB、IC、IK的有效值為。單側(cè)電源多條線路電網(wǎng)的單相接地零序電流分布IKC02IC2IB2IC3IB3III線路IIC03ICGIBGCOGG圖2-75（a）單側(cè)電源多線路電網(wǎng)的單相接地網(wǎng)絡電流分布圖2-75單側(cè)電源多條線路電網(wǎng)的單相接地零序電流分布，零序電流和電壓相量圖1）非故障線路保護安裝處的各相電流及三倍零序電流設線路WL3的A相接地短路，忽略負荷電流及電容電流在線路阻抗上的電壓降，則電網(wǎng)A相對地電壓均為零，各元件A相對地電容電流為零，B相、C相對地電壓和電容電流升高倍。各元件B相和C相對地電容電流通過大地、故障點、電源和本元件構成回路。WL1上A相電流為零，B相和C相電流為本身的電容電流IB1和IC1，非故障線路始端反應的零序電流從母線指向線路，可表示為：3IO1=IB1+IC1=-3ωCO1EA則非故障線路WL1上有效值為：3IO1=3ωCO1Eph則非故障線路WL2上有效值為：3IO2=3ωCO2Eph3、故障線路保護處各相電流和三倍零序電流故障線路WL3上，流有它本身的電容電流和經(jīng)故障點要流回全電網(wǎng)B相和C相對地電容電流的總和即：其方向由線路指向母線，即故障線路始端A相電流IA3=-IK，IK的有效值為：IK=3ωC0ΣEPh。2）發(fā)電機端的零序電流電源發(fā)電機G本身的B相和C相對地電容電流和。發(fā)電機端的零序電流為：

其有效值為：

3）故障線路保護處各相電流和三倍零序電流IK的有效值為：IK=3ωC0ΣEPh。故障線路WL3始端的零序電流3I03為:其有效值為：3IO3=3ωEph(C01+CO2+COG)=3ωEph(C0Σ-CO3）3）故障線路保護處各相電流和三倍零序電流在故障線路上的零序電流，其數(shù)值等于全電網(wǎng)非故障元件對地電容電流的總和，其方向由線路指向母線，恰好與非故障線路上的零序電流方向相反，滯后于零序電壓90°。根據(jù)以上分析，可得出如下結(jié)論1.在中性點不接地電網(wǎng)中發(fā)生單相接地時，電網(wǎng)各處故障相對地電壓（金屬性故障）為零，非故障相對地電壓升高至電網(wǎng)電壓，電網(wǎng)中出現(xiàn)零序電壓，其大小等于電網(wǎng)正常時的相電壓。(1)非故障線路保護安裝處，流過本線路的零序電容電流，其方向由母線指向非故障線路，超前零序電壓90°(2)故障線路保護安裝處，流過的是所有非故障元件的零序電容電流之和，數(shù)值較大，其方向由故障線路指向母線，滯后零序電壓90°(3)故障線路的零序功率與非故障線路的零序功率方向相反。2、中性點不接地電網(wǎng)的接地保護（1）絕緣監(jiān)視裝置利用中性點不接地電網(wǎng)發(fā)生單相接地時，電網(wǎng)出現(xiàn)零序分量電壓的特點，構成絕緣監(jiān)視裝置，實現(xiàn)無選擇性的接地保護。圖7-26絕緣監(jiān)視裝置接線圖2、中性點不接地電網(wǎng)的接地保護（2）零序電流保護利用單相接地時，故障線路零序電流大于非故障線路零序電流的特點，區(qū)分故障元件和非故障元件，構成有選擇性的零序電流保護。根據(jù)需要可發(fā)出預告信號或作用于故障線路的斷路器跳閘。這種保護一般用在有條件安裝零序電流互感器的電纜線路或經(jīng)電纜引出的架空線上。對于架空線路采用零序電流濾過器的接線方式保護裝置動作電流應整定為:

——可靠系數(shù)，如瞬時動作，取4～5；如保護延時動作，可取1.5～2；——正常負荷電流產(chǎn)生的不平衡電流；3I0——其它線路接地時，本線路的三倍零序電流。對于電纜線路，可采用零序電流互感器接線方式，動作電流要按下式整定：靈敏系數(shù)按下式校驗：式中C0Σ——各線路每相對地電容總和的最小值；3I0——本線路單相接地時，流經(jīng)保護安裝處的三倍零序電流，它等于其它線路三倍零序電流之和，應取最小值?；颍?）零序電流保護

在實用計算中可用經(jīng)驗公式計算各條線路本身的零序電容電流：對電纜線路;對架空線路流過故障點的零序電流為：采用零序電流互感器時采用零序電流濾過器時，。顯然，只有在出線較多時，才能滿足保護的靈敏系數(shù)的要求.（3）零序功率方向保護在中性點不接地電網(wǎng)中，當出線較少情況下，非故障相零序電流與故障相零序電流差別可能不大，采用零序電流保護不能滿足靈敏性要求，這時可采用零序功率方向保護。零序功率方向繼電器的最大靈敏角為90°，采用正極性接入方式，接入3U0和3I0，功率方向元件采用正弦型功率方向繼電器KWD，動作方程為：圖5-16小接地電流電網(wǎng)零序功率方向保護的工作原理接線及向量圖

當電網(wǎng)發(fā)生單相接地時，故障線路的3I0滯后3U090°即繼電器此時動作最靈敏，對于非故障線路，其3I0超前3U090°，即，繼電器不動作，即實現(xiàn)了有選擇性的電流保護。圖2-77小接地電流電網(wǎng)零序功率方向保護原理接線a)保護接線圖；b）零序方向元件動作區(qū)2.3.3中性點經(jīng)消弧繞組接地電網(wǎng)的單相接地保護當22KV～66KV電網(wǎng)單相接地時，故障點的零序電容電流總和若大于10A，10KV電網(wǎng)大于20A，3KV～6KV電網(wǎng)大于30A，則其電源中性點應采取經(jīng)消弧繞組（帶鐵芯的電感繞組）接地方式。在零序電壓作用下，消弧繞組有一電感電流IL經(jīng)接地點流回消弧繞組。設消弧繞組的電感值為L，則電感電流為：通過接地點的電容電流IK=IL-ICΣ，IK為：

選擇電感L的大小，可使單相接地時流經(jīng)故障點的電容電流減小到零，因此稱該電感為消弧繞組。由于接地電流很小，所以中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)也屬于小接地電流系統(tǒng)。2.3.3中性點經(jīng)消弧繞組接地電網(wǎng)的單相接地保護1、中性點經(jīng)消弧線圈接地電網(wǎng)的三種補償方式（1)以上討論的繼電器內(nèi)角的范圍，只是繼電器在各種短路情況下，可能動作的條件，而不是動作最靈敏條件，繼電器最靈敏條件應按的條件來考慮，因此對某一已確定了阻抗角的線路，應該根據(jù)這個條件來選擇適當?shù)膬?nèi)角，以使繼電器動作最靈敏。(2)90°接線的優(yōu)點：①適當選擇最大靈敏角，對于線路上各種相間短路都能正確動作，而且對于各種兩相短路都有較高繼電器輸入電壓，保證了有較高的靈敏性。②在發(fā)生兩相和單相接地短路時，沒有死區(qū)，在三相短路時出現(xiàn)的電壓死區(qū)較小，有利于用電壓記憶回路消除出口短路時的電壓死區(qū)2、中性點經(jīng)消弧線圈接地電網(wǎng)的接地保護由上述分析可知，在中性點經(jīng)消弧線圈接地電網(wǎng)中，一般采用過補償方式運行，當線路發(fā)生單相接地時，無法采用零序功率方向保護來選擇故障線路，而且由于殘余電流不大，采用零序電流保護也很難滿足靈敏性要求。因此在這類電網(wǎng)中，實現(xiàn)接地保護很困難，需要采用其它原理構成保護方式。

（1）反應穩(wěn)態(tài)過程的接地保護1）采用絕緣監(jiān)視裝置。2）零序電流保護。若中性點經(jīng)消弧繞組接地電網(wǎng)，發(fā)生單相接地時，補償后故障點的殘余電流較大，能滿足選擇性和靈敏性要求時，可以采用零序電流保護。3）反應接地電流有功分量的保護。4）反應高次諧波分量的保護。（2）反應暫態(tài)過程的接地保護根據(jù)理論分析和實驗結(jié)果可以得出中性點經(jīng)消弧繞組單相接地的暫態(tài)過程與中性點不接地系統(tǒng)單相接地的暫態(tài)過程相同。根據(jù)單相接地暫態(tài)過程的特點，可以構成反應暫態(tài)過程的接地保護，一般反應暫態(tài)過程的接地保護方式有3種：（1）反應暫態(tài)電流幅值接地保護。（2）反應暫態(tài)零序分量首半波方向的接地保護。（3）反應暫態(tài)行波的接地保護。通過對單相接地故障后暫態(tài)電流行波的故障特征進行分析研究，得出接地線路和非接地線路初始暫態(tài)行波具有明顯的特征差異，因此可以利用電流行波進行接地保護，進行接地選線。根據(jù)行波各個線路初始行波的幅值和極性差異進行接地選線。

行波法與中性點接地方式無關，可以應用于各種中性點接地方式的接地選線。若接地故障發(fā)生在電壓過零點時刻，則無行波產(chǎn)生，行波法失效，但這種情況極少見。2.3.4對電網(wǎng)接地保護的評價和應用1、對大接地電流電網(wǎng)保護的評價及應用在大接地電流系統(tǒng)中，采用三相完全星形接線的相間電流保護來保護接地短路時，與采用專門的零序電流保護來保護接地短路相比較，后者有較突出的優(yōu)點。

1）靈敏性高。相間短路的過流保護動作電流按躲過最大負荷電流來整定，電流繼電器動作值一般5～7A，而零序過流保護，按躲過最大不平衡電流來整定，一般0.5～1A。由于發(fā)生單相接地短路時，故障相的電流與三倍零序電流3I0相等，因此，零序過流保護的靈敏性高。對于電流速斷保護，因線路的阻抗X0=3.5X1，所以在線路始末端接地短路的零序電流的差別比相間短路電流差別要大很多，從而零序電流速斷的保護區(qū)要大于相間短路電流速斷的保護區(qū)。1、對大接地電流電網(wǎng)保護的

評價及應用在大接地電流系統(tǒng)中，零序保護獲得廣泛應用，因為在110KV及以上電壓系統(tǒng)中，單相接地故障占全部故障80%～90%，而其它類型的故障也都是由單相接地引起的，所以采用專門的零序電流保護是十分必要的，但是零序電流保護也存在一些缺點，主要表現(xiàn)如下：

1）對于短路線路或運行方式變化大的電網(wǎng)，