电网接地故障电流电压保护

第四章电网接地故障的电流、电压保护单相接地与两相接地故障主讲：梁远升计划课时：6第一节电网接地故障种类

及保护策略接地故障包括单相接地故障和两相接地故障接地故障保护的重要性单相接地故障占高压线路总故障次数的70%以上单相接地故障占配网线路总故障的80%以上绝大多数的相间故障都是由单相接地发展而来接地故障与中性点接地方式密切相关，接地故障特征及危害完全不同，保护策略也不相同接地点状况也将影响接地电流的大小金属性接地非金属性接地电弧接地、树枝、杆塔高阻接地1.中性点接地方式与接地故障种类中性点接地方式大电流接地系统（中性点有效接地系统）中性点直接接地系统中性点经小电阻接地系统小电流接地系统（中性点非有效接地系统）中性点不接地系统中性点经消弧线圈接地系统中性点接地方式的定量标准小电流接地系统零序综合阻抗越大，接地点电流越小1.中性点接地方式与接地故障种类中性点直接接地系统故障特征：接地点通过大地、中性点N、相导线形成短路通路；故障相有大短路电流，非故障相电流几乎不变；故障相电压降低，非故障相电压几乎不变。保护策略保护动作于跳闸无过电压问题用户供电可靠性低1.中性点接地方式与接地故障种类中性点不接地系统单相接地故障特征：系统没有形成短路电流通路，故障相和非故障相都流过正常负荷电流；线路存在分布电容，故障电流为容性短路电流；线电压保持对称；故障相电压降低，中性点电压升高至相电压，非故障相电压升高至线电压。保护策略保护动作于警报，短时不予以切除故障，容性短路电流在故障点以电弧形式存在，电弧高温会损坏设备，进而发展为相间故障；存在过电压问题；尽快排查故障，或进行倒负荷操作用户供电可靠性高1.中性点接地方式与接地故障种类中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障特征：正常时中性点电压为零，无电流流过线圈；单相接地故障时，中性点出现零序电压，感性电流经过线圈流入地，抵消接地点的容性短路电流；可消除或减轻电弧电流的危害；接地相电压降低，中性点

电压升高为相电压，非故

障相电压升高为线电压。保护策略同中性点不接地系统用户供电可靠性高1.中性点接地方式与接地故障种类中性点经小电阻接地系统故障特征：中性点接地电阻限制了故障电流，但数值仍较大故障后中性点电压不为零，非故障相电压升高保护策略保护动作于跳闸与小电流接地系统相比，

抑制了过电压适用于大城市电缆网络

规模较大，接地电容电

流太大，难以通过消弧

线圈补偿的系统2.不同接地故障的保护方法大电流接地系统故障前没有零序电压和零序电流故障后出现零序电压和零序电流零序电压和零序电流保护灵敏性和速动性更高，无需区别重负荷情况经小电阻接地系统发生高阻接地后，接地回路阻抗大，故障特征不明显小电流接地系统单相接地后，除出现零序电压，故障特征不明显单相接地危害依然存在，保护动作于警报对于中性点非直接接地系统，单相接地选线较难第二节中性点有效接地系统的接地保护1.故障特征分析中性点有效接地系统发生短路后，对其进行对称分量变换，利用复合序网，分析其零序网。零序网在故障点出现零序电压Uk0，产生的零序电流通过变压器中性点接地构成回路1.故障特征分析U0I0-I01.故障特征分析故障特征零序电压故障点的零序电压最高，距离故障点越远零序电压越低零序电流忽略回路电阻，以母线流入线路方向为电流正向，零序电流超前零序电压90°（与正序电流方向相反）若中性点经小电阻接地，零序电流超前零序电压>90°零序电流的分布取决于输电线路的零序阻抗和中性点接地变压器的中性点接地阻抗，与电源数目和位置无关零序功率零序功率方向与正序功率方向相反保护安装处的零序电压与零序电流的关系零序电流与零序电压的相位差由中性点接地变压器的阻抗有关。书有误：P74倒数第5段，“中性点非有效接地系统”的“非”去掉。2.中性点有效接地系统中的接地保护三段式零序电流保护零序电流瞬时速断（零序I段）保护零序电流限时速断（零序II段）保护零序过电流（零序III段）保护需要计算零序短路电流3I0单相接地两相接地保护装置获得零序电流的方法主要有两种：分别从三相TA获得电流，叠加运算得3I0；从三相星接的中心线TA获得3I0。因此在继保中，零序电流指的是3I0零序短路电流计算I0.ABI0.T2零序短路电流计算I0.fI0.fI0.AB单相接地两相接地I0.fI0.T2对正序和负序网进行戴维南等效零序短路电流计算I0.fI0.fI0.AB单相接地两相接地I0.fI0.T2对正序和负序网进行戴维南等效零序短路电流计算I0.ABI0.BCI0.T2分支系数分支系数与BC线无关若线路末端变压器中性点接地，整定II段时，需先计算分支系数。零序短路电流计算(借用助增系数)I0.ABI0.fI0.T21T2中性点不接地分支系数的倒数此处妙用了分支系数计算零序短路电流零序短路电流计算(T2中性点不接地)I0.ABI0.T2T2中性点不接地零序短路电流计算(T2中性点不接地)I0.fI0.fI0.fI0.AB单相接地两相接地I0.fI0.T2零序短路电流计算（总结）I0.ABI0.fI0.T2计算流过保护2的零序短路电流，若线路末端变压器中性点接地，则所求的故障点零序电流I0.f经过分流后流入保护2，则：流入保护2的短路电流与I0.f的比值符合助增系数的定义。零序短路电流计算（总结）零序短路电流的影响因素最大运行方式时，零序短路电流最大；最小运行方式时，零序短路电流最小；T2中性点接地变并列运行台数最多时，分支系数最大；T2中性点接地变并列运行台数最少时，分支系数最小；若X1∑<X0∑，单相接地短路电流最大；若X1∑>X0∑，两相接地短路电流最大。何种情况下，零序短路电流最大/最小？三段式零序电流保护整定算例30km60km30km60km三段式零序电流保护整定算例计算零序故障电流先求B点故障的各序综合阻抗以保护1为例所以，两相短路电流较大30km60km三段式零序电流保护整定算例1）零序电流瞬时速断(零序I段)零序I段保护反映测量点的零序电流大小而瞬时动作；为保证选择性，保护范围不超过线路全长整定原则1）躲开下一条线路出口处单相或两相接地短路的最大零序电流3I0.max；引入可靠系数K’rel=1.2~1.32）躲开断路器三相触头不同期合闸时出现的最大零序电流3I0.ut； 可通过小延时（如0.1s）可不需考虑原则2）3）当线路上采用单相自动重合闸时，躲开非全相运行状态下又发生系统振荡时出现的最大零序电流。原则1和2的整定电流值相差不大原则3的整定电流值一般大于原则1和2的整定值1）零序电流瞬时速断(零序I段)整定原则1、2与3的矛盾按照原则1和2整定的零序I段，往往不能躲开非全相运行时又发生系统震荡的最大零序电流；若按照原则3整定，全相运行时接地故障的保护范围被缩小，降低零序I段的灵敏性；解决办法：设置两个零序I段保护灵敏I段按照原则1和2整定，保护范围较大，较灵敏；对全相运行时接地故障起保护作用；当单相自动重合闸起动时将灵敏I段闭锁。不灵敏I段按原则3整定，定值较大，不灵敏；当单相自动重合闸时，弥补失去灵敏I段的缺陷，作为非全相运行时的接地保护。零序电流瞬时速断保护算例已知：B点接地短路时，流过保护1的最大零序电流为2.5kA断路器非同期合闸时流过保护1的零序电流为2.1kA非全相震荡时流过保护1的零序电流为3.3kA整定：保护1的零序灵敏I段和不灵敏I段零序电流瞬时速断保护算例30km60km三段式零序电流保护整定算例（I段）保护130km60km三段式零序电流保护整定算例（I段）保护3所以，单相短路电流较大30km60km三段式零序电流保护整定算例（I段）2）零序电流限时速断(零序II段)与下一级线路的零序I段相配合，带有一个动作时限，保证动作的选择性当两级保护之间的变电站母线上接有中性点接地变压器时，零序网络在该中性点接地变处出现分支，需要引入分支系数2）零序电流限时速断(零序II段)灵敏度校验若不能满足灵敏系数要求与下一级线路的零序II段相配合整定，动作时限再抬高一级；可保留不灵敏的零序II段动作电流（与相邻线路零序I段配合整定值，但灵敏系数不满足要求），动作时限取△t；另一个为灵敏的零序II段（与相邻线路II段配合整定），动作时限比相邻线路II段高一个△t；若还是不能满足灵敏系数要求，改用接地距离保护。类似于四段式相间电流保护30km60km三段式零序电流保护整定算例（II段）3）零序过电流(零序III段)整定原则躲开下一级线路出口处相间短路时所出现的最大不平衡电流Iurb.max整定；保护范围不能超出相邻线路零序III段的保护范围Knp非周期分量系数，采用重合闸后加速时，取1.5~2；否则取1；Kst互感器同型系数，同型号取0.5，否则取1；Kerr互感器误差取0.1。参阅差动保护的最大不平衡电流P264(8-11)3）零序过电流(零序III段)灵敏系数3）零序过电流(零序III段)零序过电流保护的动作时间配合由于T1变高中性点不接地，零序电流不通过T1，零序过电流保护4作为零序网的末端，可瞬时动作；相对于相间过电流保护，动作时限较小。3.方向性零序电流保护当k1故障时，保护3可能误动；当k2故障时，保护2可能误动；T2故障时，保护1可能误动；T1故障时，保护2可能误动；1、2、3、4都要加装功率方向元件。3.方向性零序电流保护当k1故障时，零序电流只流经保护1，对保护2，3，4没有影响，零序网只有单侧接地，不需要加装方向元件。3.方向性零序电流保护虽然原序网是单侧电源网，但由于两侧中性点接地，零序网双侧接地，两侧保护都必须加设功率方向元件。3.方向性零序电流保护零序电流保护是否加装方向元件，应看线路所在零序网络的两侧是否都接地；若零序网两侧接地，为双侧电源网零序电流保护动作方向问题，与保护正方向是否存在电源无关保护正方向有中性点接地的变压器时，需要考虑动作方向的问题零序短路功率的实际方向：故障点流向各中性点接地变压器因为零序电压方向与正序电压方向相反3.方向性零序电流保护零序短路功率方向A零序短路功率方向与正序相反3.方向性零序电流保护V0AI0A-V0A当保护正前方故障时，零序电流超前零序电压95°~110°；零序方向元件应工作在最灵敏条件。零序方向元件的最灵敏角由保护背侧的线路和中性点接地变压器的零序阻抗决定。3.方向性零序电流保护零序功率方向继电器没有电压死区故障点与保护的距离越近，保护背侧母线的零序电压越高当故障远离保护安装点时，零序电压和电流较小，继电器可能不起动故障点与保护的距离越远，零序方向元件越不灵敏当作为相邻线路的远后备时，当相邻线路末端短路时，保证零序方向元件满足灵敏度要求应采用相邻元件末端短路时流过本保护的最小零序电流对功率方向继电器计算灵敏系数，要求Ksen>2。30km60km三段式零序电流保护整定算例A点故障SW2是否流过零序电流？为何单侧电源网中SW2会流过零序电流？故障相电流流不到SW2，三相缺相产生的不平衡保护2是否需要配置零序保护？不需要，因单侧电源网，若AB短路，保护1动作后无短路电流流过SW2。保护1是否需要考虑零序功率方向问题？除了加装零序方向元件，还可以怎么解决？躲开A或B点接地短路时流过保护1的最大零序电流30km60km三段式零序电流保护整定算例A点短路时，流过保护1的短路电流怎么算？30km60km三段式零序电流保护整定算例保护2三段式零序电流保护整定算例30km60km1B点故障的零序等效网络A点故障的零序等效网络30km60km三段式零序电流保护整定算例保护1动作电流定值取1.239kA，在此例中不影响灵敏度。4.零序电流保护的评价优点灵敏度高，故障切除时间短对于双侧都存在中性点接地变压器的线路，若本侧零序I段先动作跳闸，则对侧零序电流会增大，对侧零序I段灵敏性增高，可能使对侧零序I段也相继动作，缩短故障总切除时间。受系统运行方式变化影响小不受系统振荡、过负荷等不正常运行状态影响单相接地故障几率高，容易发展为多相故障，专门的零序保护具有优越性缺点短线路或运行方式变化较大时，灵敏性低单相重合闸起动后，灵敏I段闭锁，不灵敏I段灵敏性低自耦变联系的两个电压等级网络，任一网络接地短路都会在另一网络产生零序电流，使零序保护的整定配合复杂化三段式零序保护整定算例整定QF1的三段式零序电流保护Knp非周期分量系数，采用重合闸后加速时，取1.5~2；否则取1；Kst互感器同型系数，同型号取0.5，否则取1；Kerr互感器误差取0.1。X1=X2=40Ω，X0=58Ω提示：所以，单相短路电流较大计算零序故障电流左侧两式为故障点与地之间的零序故障电流，这个电流一方面分流至MN线路，另一方面分流至变压器T1。而流过保护1的是分流至MN线路的电流。计算零序故障电流此前计算的为故障点对地的零序短路电流，该电流分流至MN线电流为：分支系数的倒数此处借用了分支系数计算零序短路电流保护1的零序I段可不校验I段灵敏系数所以，单相短路电流较大计算零序故障电流保护2的零序I段可不校验I段灵敏系数为什么零序I段的灵敏系数总在0.6几？零序电流通常仅在接地故障时存在，零序I段保护虽然不能保护线路全长，但其灵敏性较高，对零序I段定值一般不需要进行灵敏性校验。保护1的零序II段保护1的零序III段思考!!!!整定QF1的三段式零序电流保护T2中性点接地，而T1中性点不接地，情况有何变化？思考整定QF1的三段式零序电流保护1，整定保护1过程中，涉及N和P点故障的零序电流2，可无视T13，N或P故障都要考虑两侧的零序分流思考计算N点短路的零序故障电流计算P点短路的零序电流的思路类同这里采用零序助增系数不合适思考零序助增系数的本意是：保护与下一级保护相配合时，引入助增系数，消除本级线路末端母线的零序助增支路的影响。试问：T1中性点不接地时，保护1与保护2（零序）相配合整定，是否存在助增？（或问：为什么T1中性点接地时，保护1与保护2配合存在助增？）答：T1中性点不接地时，则流过保护2的零序电流等于流过保护1的零序电流，所以不存在助增。即对保护1而言，助增系数=1。思考.N.f这里采用零序助增系数不合适因为保护1的助增系数应该等于1。.N.f.min思考保护1的零序II段第三节中性点经小电阻接地系统的高阻接地故障检测题目本意为：中性点经小电阻接地系统发生接地故障与其他系统发生高阻接地故障的特性类似。1.高阻接地故障定义线路通过非金属性介质发生接地故障包括：道路、土壤、树枝、水泥建筑物特征故障电流很小，呈现电弧性、间歇性、瞬时性普通的零序电流保护难以检测针对高阻接地故障的保护原理零序反时限过电流保护基于三次谐波电流幅值和相位的接地保护利用采样值突变量的保护2.零序反时限过电流保护起动电流：躲开正常运行情况下出现的不平衡电流动作时限：3.基于三次谐波电流幅值和相位的接地保护原理：发生高阻接地时，零序电流波形会因接地电阻的非线性而产生三次谐波电流非线性来源于电弧和短路介质本身三次谐波电流的含量在高阻接地故障中很高故障点电弧电压特性近似交变的方波奇次谐波含量较大第四节中性点不接地系统的接地保护1.中性点不接地系统单相接地故障特征VOVAVBVC简单中性点不接地系统示意图1.中性点不接地系统单相接地故障特征简单中性点不接地系统单相接地故障分析（A相接地）故障相电压为0；非故障相电压升高1.732倍；三相间电压保持不变。非故障相电容电流升高1.732倍；故障相电容电流升高3倍；故障相电容电流方向与正常方向相反1.中性点不接地系统单相接地故障特征1.中性点不接地系统单相接地故障特征中性点不接地系统单相接地的故障特征全系统出现零序电压非故障元件出现零序电流，数值等于本身对地电容电流，容性无功方向由母线流向线路故障元件的零序电流为全系统非故障元件对地电容电流之和，容性无功方向由线路流向母线2.中性点不接地系统的单相接地保护绝缘监视装置反映全系统发生单相接地时，出现的零序电压无选择性零序电流保护利用故障线路零序电流较非故障线路大的特点有选择性动作电流应躲开本线路的对地电容电流灵敏系数2.中性点不接地系统的单相接地保护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实现选择性用于零序电流保护不能满足灵敏系数要求时为提高零序方向保护动作的可靠性和灵敏性，在零序电流元件动作后，再延时50~100ms后，才起动方向元件的相位比较回路。按相间短路的不平衡电流整定灵敏性高零序电压超前零序电流90°为最灵敏角2.中性点不接地系统的单相接地保护零序电流元件控制零序方向元件比相回路方案的特点只在接地故障时方向元件才投入工作，提高可靠性；不受正常运行及相间短路时零序不平衡电压和电流影响；电流元件动作后经过延时再进入方向元件，可防止单相接地瞬间过渡过程对方向元件的影响；区外故障时，流过保护的电流是被保护元件自身的电容电流，方向元件可靠不动作。按相间短路的不平衡电流整定灵敏性高零序电压超前零序电流90°为最灵敏角第五节中性点经消弧线圈接地系统的接地保护1.中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障特征中性点不接地系统发生单相接地故障的危害接地点流过全系统对地电容电流，若电流较大，接地点会产生燃烧电弧，引起弧光电压，使非故障相电压进一步升高，破坏绝缘，形成多点接地短路。为了减少容性短路电流，在中性点接入电感线圈中性点产生感性电流，与接地点的容性电流相抵消可减轻流经故障点的短路电流——消弧线圈1.中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障特征全系统电容电流超过一定数值要求装设消弧线圈3~6kV电网超过30A10kV电网超过20A22~66kV电网超过10A装设消弧线圈后，单相接地的电流分布将变化由于在接地点增加一个感性电流分量，从接地点流回的总电流为全系统电容电流A相短路时，中性点的电位1.中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障特征根据补偿程度不同，有三种补偿方式完全补偿——使IL=IC∑，补偿后短路电流为0；欠补偿——使IL<IC∑，补偿后短路电流依然为容性；过补偿——使IL>IC∑，补偿后短路电流为感性。完全补偿方式可完全消除故障点的电弧，似乎是最好的方式；但当完全补偿时，电感与全系统电容在50Hz下满足串联谐振条件，则当系统正常运行时，一旦出现短时不平衡的零序电压，都会在发生谐振，中性点电压将严重升高，危害极大；所以，实际上不