电力系统继电保护 第2版 课件 2.3电网接地保护

电力系统继电保护

第二版机械工业出版社教材配套电子教案电力系统继电保护

第二版刘学军编制2.3电网的接地保护2.3电网的接地保护2.3.1中性点直接接地电网的零序电流保护和零序方向电流保护1、中性点直接接地电网接地短路时的零序电压、零序电流和零序功率2、中性点直接接地电网的零序电流保护3、中性点直接接地电网的零序方向电流保护2.3.2中性点非直接接地电网的接地保护1、中性点不接地电网单相接地故障的特点2、中性点不接地电网的接地保护2.3.1

中性点直接接地电网接地短路时的零序电压、零序电流和零序功率

中性点直接接地电网发生单相接地故障时，通过中性点直接接地，在故障相中流过很大的短路电流，这种电网称为大接地电流电网。在中性点直接接地电网发生单相接地故障时，要求继电保护装置切除故障。采用前面电流保护虽然也能反应中性点直接接地电网的单相短路，但因为这种保护灵敏性低和动作时间长，所以，必须装设专用的接地保护装置。如图2-63a接地短路的零序等值网络。图2-63接地短路时的零序等值网络

(a)电网接线；（b）零序网络；（c）零序电压分布保护安装处A和B及故障点处零序电压、电流的分布

保护按装处A和Ｂ及故障点Ｋ处的零序电压分别为：

故障点的零序电流为

根据对称分量法求解可得在故障点处，各序电压和电流、功率有下列关系：1、单相接地零序分量特点（1）故障点的零序电压最高，离故障点越远，零序电压越低。（2）零序电流超前零序电压90°（3）零序电流的分布，决定于线路的零序阻抗和中性点接地变压器的零序阻抗及变压器接地中性点的数目和位置。（4）故障线路零序功率的方向与正序功率的方向相反，是由线路流向母线的。短路点零序功率最大。（5）某一保护安装地点处的零序电压与零序电流之间的相位差取决于背后元件的阻抗角。变压器中性点的选择不使系统出现危险的过电压；不使零序网络有较大改变，以保证零序保护有稳定的灵敏性。2、中性点直接接地电网的零序电流保护1）零序电流滤过器的不平衡的电流

零序电流滤过器由三个TA构成，由于短路电流中含有很大的非周期分量，造成TA的铁芯严重饱和，由于三个TA饱和程度不同，造成励磁电流有很大差别，因而产生很大不平衡电流。零序电流滤过器的最大不平衡电流为：（1）零序保护的构成零序电流保护通过零序电流滤过器获得零序电流。零序电流滤过器图2-64零序电流滤过器的接线a)由三个TA接成零序电流滤过器；b)由零序电流互感器构成的零序电流保护（2）零序电流保护接线

图2-65三段式零序电流保护的接线（3）三段式零序电流保护的

整定计算图2-66无时限零序电流速断保护原理说明图1）零序保护第1段（3）零序电流保护II段保护整定计算图2-67带时限零序电流速断保护原理说明图

零序电流保护的时限特性零序电流保护时限比相间短路过流保护动作时限缩短了。因为变压器Yd接线，所以高压侧无零序电流，所以零序保护4可以瞬时动作，不必和保护3配合。所以零序保护动作时限从保护4开始逐级加大一个时限级差。从图2-68中可以看出接地保护时限比相间短路保护时限缩短了。图2-68零序电流保护的时限特性三段式零序电流保护整定计算（1）零序保护第I段（2）零序保护第II段（3）零序保护第III段近后备保护：远后备保护：零序电流保护II段保护整定计算当灵敏性不满足要求时，采用括号内值，此时，可增加一个零序II段，保护有两个零序II段。一个定值大，能在正常运行或最大运行方式下以较短延时切除本线路接地短路，另一个定值较小，有较长时限，保证在系统最小运行方式下线路末端接地时有足够的灵敏性。3、中性点直接接地电网的零序方向电流保护（1）零序方向电流保护的工作原理。

在中性点直接接地电网中发生接地短路时，零序功率的方向总是由故障点指向各个中性点的，即零序电流方向是由故障点流向各个中性点的变压器。因此，在变压器接地数目比较多的复杂网络，必须考虑零序保护动作的方向性。（1）零序方向电流保护的工作原理当K1接地短路时，按选择性的要求，保护1、2动作切除故障，加装零序功率方向元件，将保护3闭锁。K2点接地故障时，保护3、4动作，保护2应装设零序功率方向元件将保护2闭锁，保证了动作的选择性。图2-69零序电流方向保护工作原理a)网络接线；b)K1点短路零序网络；c)K2点短零序网络（2）零序电压滤过器零序功率方向继电器需要输入保护处的零序电流和零序电压，零序电流可通过零序电流滤过器提供，零序电压则由零序电压滤过器提供。零序电压滤过器由三个单相电压互感器构成或由三相五柱式电压互感器构成，电压互感器一次侧的三相绕组接成星形接线并将中性点接地，接于被保护线路母线上，二次侧三相绕组接成开口三角形，其端子m、n上的电压与一次系统的三倍零序电压成正比，即Umn=Ua+Ub+Uc=（UA+UB+UC）/KTV=3U0/KTV。零序电压滤过器接线(3)接地短路保护安装处零序电压与零序电流的相位关系

当保护1正向K1点发生接地故障时，取保护安装点零序电流参考方向为由母线指向线路，零序电压参考方向由母线指向地。

(2-106)正反向故障时，保护按装处零序电压、电流的相位关系

GGWL2K2T1WL1K1T2ZOT1ZOT1ZOL1ZOL2U0KMNU01I01U0KZ0L2Z0L1Z0T1Z0T2I01U01U01I01反向故障时零序网络及向量图正向故障时零序网络及相量图-U01I01-I01U01正反向故障时，保护按装处零序电压、电流的相位关系(3)接地短路保护安装处零序电压与零序电流的相位关系

Z0·T1——变压器T1的零序阻抗；Z/0L——接地短路点至保护安装处的线路之间的零序阻抗。零序功率方向继电器输入电压U01和零序电流I01之间相角决定于保护安装处背后变压器的零序阻抗。I01超前U01相角，通常约为70°～85°，故零序电流超前零序电压的相位角一般为95°～110°。当保护1背后K2点发生接地故障时，保护安装处的零序电压和零序电流之间关系为：(3)接地短路保护安装处零序电压与零序电流的相位关系Z0·Σ——保护正向系统零序总阻抗。为Z0Σ的阻抗角，背后故障时U01超前I01角度为。（4）零序功率方向继电器

接线图2-72零序功率方向继电器接线及相量图a继电器接线；b零序电流3I0和零序电压3U0相量图（4）零序功率方向继电器接线KW接线如图2-72（a）所示，其电流绕组接于零序电流滤过器，输入电流为3I0。电压绕组接于电压互感器开口三角形绕组的输出端，输入电压为-3U0。零序功率方向继电器只反应正向故障，3I0超前3U0约95~110°。此时，继电器应正确动作，并应在最大灵敏角条件下。2）电力系统中实际使用的零序功率方向继电器最大灵敏角，即当从其正极性输入端的3I0电流滞后于按正极性输入的电压3U0的相角70°～85°，这时，继电器最灵敏。（4）零序功率方向继电器接线把3I0和3U0不加改变均从正极性端子输入继电器，则继电器将不工作在最灵敏状态下，如果把以反极性加到继电器正极性端子上，这时接入的电压为-3U0，加入电流为3I0，Ir滞后Ur70°，即°，亦即，这样才能使继电器工作在最灵敏的条件下。在实际工作中，把继电器电流绕组中标有“·”号的端子与零序电流滤过器标有“·”号的同极性端子相连接，把继电器电压绕组中不带“·”号的端子与电压滤过器中带有“·”号的异性端子相连接.

当线路上发生接地故障时，接地点的零序电压最高，而离故障点越远，则零序电压就越低，当故障点发生在保护安装处附近时，接入继电器的零序电压很高，因此，零序功率方向继电器没有死区。（5）三段式零序方向电流保护在同一方向上零序方向电流保护动作电流和动作时限的整定同前面介绍的三段式零序电流保护相同。零序电流元件的灵敏度校验也与前面相同。三段式零序方向电流保护接线如图2-73所示由于零序电压分布的特点可知，在靠近保护安装处附近不存在方向元件死区，但远离保护安装地点发生接地短路时，流过保护的零序电流很小，零序电压也很低，方向元件有可能不动作，为此应分别检验方向元件的电流和电压灵敏系数。（5）三段式零序方向电流保护图2-73三段式零序方向电流保护原理接线（5）三段式零序方向电流保护1)式中3U0·min、3I0·min——分别为相邻线路末端接地短路时，加在方向元件上的3倍零序电压和电流；

U0.op·min、I0.op·min——分别为零序方向元件的最小动作电压和电流，也可用下式校验方向元件的灵敏系数。2)

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

3U.0·min×3I.0·min——保护区末端短路时，保护安装处的最小零序功率。

图5-11三段式零序方向电流保护单相原理接线图图5-11，零序电流滤过器接功率方向继电器电流绕组，零序电压滤过器接功率方向继电器的电压绕组，与电流继电器KA1、KS1、KCO、YT构成零序电流保护I段,KA2、KT1、KS2、YT构成零序电流保护II段,KA3、KT2、KS3、YT构成零序电流的第III段保护。2.3.2中性点非直接接地电网的接地保护在中性点非直接接地电网中，发生单相接地时，一般只要求继电保护装置能无选择性地发出预告信号，不必跳闸。但对人身和设备的安全造成危险时，应有选择性地动作于断路器跳闸。1、中性点不接地电网单相接地故障的特点假定电网负荷为零，并忽略电源和线路上的电压降，电网的各相对地电容C0相等。在正常运行时，三相对地电压是对称的，中性点对地电压为零，即UN=0。忽略电源和线路压降，各相对地电压为各相电势。在三相对称电压作用下，产生三相电容电流也是对称的，并超前对应相电压90°。1、中性点不接地电网单相接地故障的特点设在A相线路上发生金属性单相接地，则接地相对地电容C0被短路，中性点对地电位升至UN=-EA，线路各相对地电压、母线上零序电压分别为:中性点不接地系统单相接地短路电压、电流的相量图UAUBUCEBECEAU0U0U0IBICIB+ICIA=-（IB+IC）图2-74中性点不接地电网发生单相接地短路中性点不接地系统单相接地短路电压、电流的相量图图2-74中性点不接地电网发生单相接地短路1、中性点不接地电网单相接地故障的特点两非故障相在电压和作用下，出现超前相电压90°的电容电流和，非故障相电流为IB、IC。接地点流回的接地电流：故障线路始端的零序电流为零，即对于单条线路，当线路发生单相接地时，流过故障线路的零序电流为零，所以零序电流保护不能反应。用EPh表示相电势的有效值，则IB、IC、IK的有效值为。单侧电源多条线路电网的单相接地零序电流分布IKC02IC2IB2IC3IB3III线路IIC03ICGIBGCOGG图2-75（a）单侧电源多线路电网的单相接地网络电流分布图2-75单侧电源多条线路电网的单相接地零序电流分布，零序电流和电压相量图1）非故障线路保护安装处的各相电流及三倍零序电流设线路WL3的A相接地短路，忽略负荷电流及电容电流在线路阻抗上的电压降，则电网A相对地电压均为零，各元件A相对地电容电流为零，B相、C相对地电压和电容电流升高倍。各元件B相和C相对地电容电流通过大地、故障点、电源和本元件构成回路。WL1上A相电流为零，B相和C相电流为本身的电容电流IB1和IC1，非故障线路始端反应的零序电流从母线指向线路，可表示为：3IO1=IB1+IC1=-3ωCO1EA则非故障线路WL1上有效值为：3IO1=3ωCO1Eph则非故障线路WL2上有效值为：3IO2=3ωCO2Eph3、故障线路保护处各相电流和三倍零序电流故障线路WL3上，流有它本身的电容电流和经故障点要流回全电网B相和C相对地电容电流的总和即：其方向由线路指向母线，即故障线路始端A相电流IA3=-IK，IK的有效值为：IK=3ωC0ΣEPh。2）发电机端的零序电流电源发电机G本身的B相和C相对地电容电流和。发电机端的零序电流为：

其有效值为：

3）故障线路保护处各相电流和三倍零序电流IK的有效值为：IK=3ωC0ΣEPh。故障线路WL3始端的零序电流3I03为:其有效值为：3IO3=3ωEph(C01+CO2+COG)=3ωEph(C0Σ-CO3）3）故障线路保护处各相电流和三倍零序电流在故障线路上的零序电流，其数值等于全电网非故障元件对地电容电流的总和，其方向由线路指向母线，恰好与非故障线路上的零序电流方向相反，滞后于零序电压90°。根据以上分析，可得出如下结论1.在中性点不接地电网中发生单相接地时，电网各处故障相对地电压（金属性故障）为零，非故障相对地电压升高至电网电压，电网中出现零序电压，其大小等于电网正常时的相电压。(1)非故障线路保护安装处，流过本线路的零序电容电流，其方向由母线指向非故障线路，超前零序电压90°(2)故障线路保护安装处，流过的是所有非故障元件的零序电容电流之和，数值较大，其方向由故障线路指向母线，滞后零序电压90°(3)故障线路的零序功率与非故障线路的零序功率方向相反。2、中性点不接地电网的接地保护（1）绝缘监视装置利用中性点不接地电网发生单相接地时，电网出现零序分量电压的特点，构成绝缘监视装置，实现无选择性的接地保护。图7-26绝缘监视装置接线图2、中性点不接地电网的接地保护（2）零序电流保护利用单相接地时，故障线路零序电流大于非故障线路零序电流的特点，区分故障元件和非故障元件，构成有选择性的零序电流保护。根据需要可发出预告信号或作用于故障线路的断路器跳闸。这种保护一般用在有条件安装零序电流互感器的电缆线路或经电缆引出的架空线上。对于架空线路采用零序电流滤过器的接线方式保护装置动作电流应整定为:

——可靠系数，如瞬时动作，取4～5；如保护延时动作，可取1.5～2；——正常负荷电流产生的不平衡电流；3I0——其它线路接地时，本线路的三倍零序电流。对于电缆线路，可采用零序电流互感器接线方式，动作电流要按下式整定：灵敏系数按下式校验：式中C0Σ——各线路每相对地电容总和的最小值；3I0——本线路单相接地时，流经保护安装处的三倍零序电流，它等于其它线路三倍零序电流之和，应取最小值。或（2）零序电流保护

在实用计算中可用经验公式计算各条线路本身的零序电容电流：对电缆线路;对架空线路流过故障点的零序电流为：采用零序电流互感器时采用零序电流滤过器时，。显然，只有在出线较多时，才能满足保护的灵敏系数的要求.（3）零序功率方向保护在中性点不接地电网中，当出线较少情况下，非故障相零序电流与故障相零序电流差别可能不大，采用零序电流保护不能满足灵敏性要求，这时可采用零序功率方向保护。零序功率方向继电器的最大灵敏角为90°，采用正极性接入方式，接入3U0和3I0，功率方向元件采用正弦型功率方向继电器KWD，动作方程为：图5-16小接地电流电网零序功率方向保护的工作原理接线及向量图

当电网发生单相接地时，故障线路的3I0滞后3U090°即继电器此时动作最灵敏，对于非故障线路，其3I0超前3U090°，即，继电器不动作，即实现了有选择性的电流保护。图2-77小接地电流电网零序功率方向保护原理接线a)保护接线图；b）零序方向元件动作区2.3.3中性点经消弧绕组接地电网的单相接地保护当22KV～66KV电网单相接地时，故障点的零序电容电流总和若大于10A，10KV电网大于20A，3KV～6KV电网大于30A，则其电源中性点应采取经消弧绕组（带铁芯的电感绕组）接地方式。在零序电压作用下，消弧绕组有一电感电流IL经接地点流回消弧绕组。设消弧绕组的电感值为L，则电感电流为：通过接地点的电容电流IK=IL-ICΣ，IK为：

选择电感L的大小，可使单相接地时流经故障点的电容电流减小到零，因此称该电感为消弧绕组。由于接地电流很小，所以中性点经消弧线圈接地系统也属于小接地电流系统。2.3.3中性点经消弧绕组接地电网的单相接地保护1、中性点经消弧线圈接地电网的三种补偿方式（1)以上讨论的继电器内角的范围，只是继电器在各种短路情况下，可能动作的条件，而不是动作最灵敏条件，继电器最灵敏条件应按的条件来考虑，因此对某一已确定了阻抗角的线路，应该根据这个条件来选择适当的内角，以使继电器动作最灵敏。(2)90°接线的优点：①适当选择最大灵敏角，对于线路上各种相间短路都能正确动作，而且对于各种两相短路都有较高继电器输入电压，保证了有较高的灵敏性。②在发生两相和单相接地短路时，没有死区，在三相短路时出现的电压死区较小，有利于用电压记忆回路消除出口短路时的电压死区2、中性点经消弧线圈接地电网的接地保护由上述分析可知，在中性点经消弧线圈接地电网中，一般采用过补偿方式运行，当线路发生单相接地时，无法采用零序功率方向保护来选择故障线路，而且由于残余电流不大，采用零序电流保护也很难满足灵敏性要求。因此在这类电网中，实现接地保护很困难，需要采用其它原理构成保护方式。

（1）反应稳态过程的接地保护1）采用绝缘监视装置。2）零序电流保护。若中性点经消弧绕组接地电网，发生单相接地时，补偿后故障点的残余电流较大，能满足选择性和灵敏性要求时，可以采用零序电流保护。3）反应接地电流有功分量的保护。4）反应高次谐波分量的保护。（2）反应暂态过程的接地保护根据理论分析和实验结果可以得出中性点经消弧绕组单相接地的暂态过程与中性点不接地系统单相接地的暂态过程相同。根据单相接地暂态过程的特点，可以构成反应暂态过程的接地保护，一般反应暂态过程的接地保护方式有3种：（1）反应暂态电流幅值接地保护。（2）反应暂态零序分量首半波方向的接地保护。（3）反应暂态行波的接地保护。通过对单相接地故障后暂态电流行波的故障特征进行分析研究，得出接地线路和非接地线路初始暂态行波具有明显的特征差异，因此可以利用电流行波进行接地保护，进行接地选线。根据行波各个线路初始行波的幅值和极性差异进行接地选线。

行波法与中性点接地方式无关，可以应用于各种中性点接地方式的接地选线。若接地故障发生在电压过零点时刻，则无行波产生，行波法失效，但这种情况极少见。2.3.4对电网接地保护的评价和应用1、对大接地电流电网保护的评价及应用在大接地电流系统中，采用三相完全星形接线的相间电流保护来保护接地短路时，与采用专门的零序电流保护来保护接地短路相比较，后者有较突出的优点。

1）灵敏性高。相间短路的过流保护动作电流按躲过最大负荷电流来整定，电流继电器动作值一般5～7A，而零序过流保护，按躲过最大不平衡电流来整定，一般0.5～1A。由于发生单相接地短路时，故障相的电流与三倍零序电流3I0相等，因此，零序过流保护的灵敏性高。对于电流速断保护，因线路的阻抗X0=3.5X1，所以在线路始末端接地短路的零序电流的差别比相间短路电流差别要大很多，从而零序电流速断的保护区要大于相间短路电流速断的保护区。1、对大接地电流电网保护的

评价及应用在大接地电流系统中，零序保护获得广泛应用，因为在110KV及以上电压系统中，单相接地故障占全部故障80%～90%，而其它类型的故障也都是由单相接地引起的，所以采用专门的零序电流保护是十分必要的，但是零序电流保护也存在一些缺点，主要表现如下：

1）对于短路线路或运行方式变化大的电网，