继电保护讲义-电网的接地保护

第四章电网的接地保护

电力系统中性点的工作方式主要决定于系统的绝缘水平、供电的可靠性以及继电保护的

要求等。通常UOKV及以上电压等级电网采用中性点直接接地方式；35KV及以下电压等级电

网采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式。

低压系统发生接地的几率达到70%〜80除高压或超高压系统发生接地故障的几率高达

90%以上。电力系统正常运行或发生相间故障时，系统的零序分量为零，而发生接地故障时

存在一个特殊分量一零序分量，而反应零序分量构成的接地保护具有接线简单、动作迅速、

灵敏度高，不受系统振物和过负荷的影响等特点。因此，反应零序分量构成的接地保护得到

广泛应用。

第一节大接地电流系统的零序保护

中性点直接接地系统中，发生一点接地时，接地点与故障线路和中性接地点直接构成短

路电流通路，短路电流很大，因此，称为大接地电流系统。根据大接地电流系统发生接地故

障时零序分量的特点即可构成零序保护。

一.单相接地时零序分量特点及变压器中性点接地的考虑

(-)单相接地时零序分量特点

中性点直接接地系统如图4T(a)所示，假定零序电流的正方向为母线指向线路，零序

电压的正方向为线路高于大地。当线路上发生单相接地短路时，在故障点零序电压的

作用下，产生零序电流心、其分布如图4T(b)零序网络所示;

04-10D000D00D0D

0aO00ID0bD000D00co0D000]00000dlD0

根据零序网络写出故障点4处、出母线和川母线处的电压为

UKO=-j］（Z，o+Z"）

,^MO=-，OZB（）

八。=-，［z［o

线路沿线各点零序电压分布如图4-1（c）所示；

根据对称分量法，故障点片的边界条件为

=-（0K2+40）

/KI=，d2—1K0

由于九、兀、几。共枕复数相等，所以各序复数功率的关系为

SKI=—（SK2+Sxo）

因此，A相单相接地时，系统零序电流、电压和量加图4-1（d）所示-

可知，中性点直接接地系统发生接地故障时零序分量的特点为：

a）故障点零序电压最高，变压器中性接地点最低；

b）零序电流由故障点零序电压产生，其大小和分布决定于中性点接地变压器的数目和位

置，受系统运行方式变化的影响较小。

c）零序或负序功率方向与正序功率发现相反，正方向由线路指向母线。

（-）变压器中性点接地的故虑

基本原则：①保证变压器在系统在单相接地时不产生危险过电压；②零序电流的分布

不变或变化最小，以保证零序保护动作范围的稳定。

（1）每个发电厂或低压侧有电源的变电所至少一台变压器中性点接地；

（2）每个电源处多台变压器，选择变压器中性点部分接地；

（3）变压器低压侧无电源，又不装设单相重合闸时.变压器中性点一般不接地；

（4）220KV及以上电力变压器，中性点绝缘水平较低的，中性点必须接地；

（5）自耦变压器由于结构的要求，中性点必须接地。

二.零序电流保护

零序电流保护类似相间故障的电流保护，只反应被保护线路靠近电源一侧的电气量，由

于误差的原因，不能准确区分本线路末端和下一线路出口的故障，因此，同样应构成阶段式

II

保护。零序电流保护有四段式，根据具体线路决定保护采用的段数，通常采用三段式，其保

护范围与同段相间故障的电流保护的保护范围相同。

三段式零序电流保护的原理接线如图4-2所示，主保护为：无时限零序电流速断保护（零

序I段）和限时零序电流速断保护（零序II段）；后备保护为：零序过电流保护（零序HI段）。

（一）无时限零序电流速断保护（零序I段）

零序电流保护仅反应线路电流中的零序分量。如图4-3所示曲线①为线路各点接地短路时

的最大零序电流max曲线。

整定原则：

（1）按躲被保护线路末端，单相或两相接地短路时，流过保护的最大零序电流

由包黑ax，3/盥｝整定，即

/晨=木/黑松3服2卜缄

式中

图4-3零序I段动作电流整定计算说明

2|

限时零序电流速断保护与相间短路的限时电流速断保护的保护范围相同，因此，其动作

值应与相邻下一线路零序I段配合整定，即：躲开下一线路零序I段保护范围末端发生接地

当上下级线路之间变电所的母线上接有中性点接地的变压器.沿线路各点发生接地短路

时,流过线路AB、BC的短路电流3兄B.max、3108c.max曲线①、曲线②如图4-4所示,短路电

流3jo8C.max=37°A8.max+3jo机max。由图上4可知，当保护2零序I段范围末端4点发生接地

短路时，流过线路AB上保护1的短路电流计算值为人,,保护1的零序II段电流动作值应

躲过该电流，并且动作时限比下一线路保护2零序I段高一个时限级差A,即

J黑』=K"O3

4.叩.1=lJop.2+M

依此来保证保护的选择性。

零序II段的灵敏度按被保护线路末端发生接地短路的最小零序电流min{3咒*，3/霭}

校验，要求〜1.5,即

K=min{3%3-}

八6C7?-.j|—1.□L.J

IOop

当线路装设综合重合闸装置，若本线路或相邻线路单相重合闸时会引起保护误动作，则

非全相运行时，将零序II段保护退出，或适当提高保护的动作时限。

当灵敏度&nWl.3〜1.5,不满足要求时，可采取以下措施：

a）与相邻线路零序II段动作电流值、动作时限配合整定；

4|

保留0.5s的零序II段，增设与相邻线路零序II段配合整定的满足灵敏度要求的零序II

段，即装设不灵敏零序n段和灵敏零序II段两个零序I［段；

b）从电网全局考虑，采用接地距离保护，辅之零序过流保护。

（三）零序过电流保护（零序III段）

作为后备保护的零序过电流保护与相间故障的过电流保护有相同的保护范围，并且要保

证外部相问故障时不误动，还应保证其保护范围不超过相邻下一线路零序in段的保护范围。

i.零序过电流保护整定原则为：

（1）躲过最大运行方式下，相邻下•一线路出口三相短路时，流过保护的最大不平衡电流

Ain.riax,即

%=—岫=40」瑞max

式中Ki为可靠系数，取L1〜1.2c

根据运行经验，保护的二次动作值一般为叱p=2〜4A。

（2）各线路的零序川段，其灵敏度应逐级配合，零序IH段的保护范围不能超过相邻下一

线路零序HI段的保护范围。

如图4-4所示，上下级线路间变电所母线上有分支电路（支接中性点接地变压器），动作

值躲相邻线路末端C母线发生接地短路时，流过保护的最大零序电流计算值人.整定，即

式中A。1为可靠系数，取1.1〜1.2。

（3）零序川段的动作时限按照阶梯时限原则整定，并保证各线路零序川段的动作时限大

于相应主保护的动作时限，如图4-5所示。

0■©舛---------K----------------h3"一

=1।

4）i6\

物«

。1------------------।如------^

04-500000000000

由于不接地变压器&川发生接地故障时没有零序电流，因而在同一段线路上零序过电流

51

保护动作时限比相间故障过电流保护的动作时限要低。

2.零序HI段灵敏度校验：

近后备应保证本线路末端接地短路时的最小零序电流满足灵敏度要求近）21.3~1.5；

远后备应保证相邻下一线路末端接地短路时的最小零序电流满足灵敏度要求人…#21.2,

即

Ksen（近）_TiiiN1.3〜1Q

10.叩

如图4-4所示，上下级线路间变电所母线上支接中性点接地变压器，取相邻线路末端C

母线发生接地短路时，流过保护的最小零序电流计算值L校验远后备的灵敏度，即

K-'oc>17

八sen（远）一网-

'O.op

三.零序方向电流保护

（-）增设方向元件的必要性

D4-G000000000DD]DDD

如图4-6所示，在大接地电流系统中，线路两侧都有中性点接地变压器，当用点发生

接地短路时，零序电流3/；流过母线B两侧保护3和2；当“点发生接地短路时，零序电流3〃

流过母线B两侧保护2和3。B母线两侧动作时限小的保护将误动作，如果B母线两侧保护动

作时限相同，都将误动作，由于3%和31方向不同，因此，可装设方向元件闭锁误动作的

保护，构成零序方向电流保护。

（-）整流型零序功率方向继电器

LGT2型零序功率方向继电器原理接线如图4-7所示。其组成包括电抗变压器TL、电压

变换器TVM、环流法幅值比较回路和极化继电器肝等。工作回路电压4、制动回路电压口为

A=kuum+k,im

\B=KuUm-K,i„l

6|

式中(Pu=^gKu=0°.(P,=ArgK,=70°°

可知满足动作条件

A|>|^

即

|七"〃+k.im\之\kLrum-必//时，零序功率方向继电器动作。

转化为相位比较方式，动作条件为

-90°<90°

KJ”

考虑到A咽%=%-%=-70。，则

Ki

-20。"吆3£160。

/〃？

以电压作参考量，动作条

件为

-160°<A/^^<20°

Um

依此画出相量图，作出动作图4-7LG-12功率方向继电器原现接线

区，如图4-8所示，最大灵敏角的=70°。

图4-9零序电流、电压滤过器接线

图4-8零序方向继电器动作区(a)接线图；(b)电流、电压相量图

7|

（三）LG—12型零序功率方向继电器接线方式

零序电流、电压滤过器接线如图4-9（a）所示。

当在保护正方向发生接地短路时，零序电流力。、

零序电压3口相量如图4-9（b）所示，可知

-3U

（pm=Arg—=70°~85°与LG-12型功率方

?4-10LG-12???,???

???????

向继电器的最大灵敏角以叨=70。相符。

为使零序功率方向继电器壬确判别接地短

路方向，应将零序电压3。0反极性加入继

电器电压线圈的极性点“x”，将零序电流

31o正极性加入继电器电流线圈的极性点

74-11

“钎，接线方式如图4-10所示。

（四）三段式零序功率方向电流保护接线

三段式零序功率方向电流保护接线如图4T1所示。由无时限零序功率方向电流速断保

护、限时零序功率方向电流速断保护、零序功率方向过电流保护三部分组成。

（五）零序功率方向电流保护的整定计算

同方向零序功率方向电流保护的整定计算与三段式零序电流保护的整定计算相同。

零序功率方向电流保护电流元件的灵敏度校验，与三段式零序电流保护灵敏度校验相同。

考虑到远离保护安装处发生接地短路时，流过保护安装处的电流小、电压低，方向元件可能

不起动，因此，在相邻下一线路末端发生接地短路时，用最小零序电流min{3/；黑,3/霁二}、

最低零序电压min卜人器,3s黑}校验方向元件的电流却电压灵敏度,要求「21.5,即

K=min{3*3.仪］.5

S6H.UrT

op.min

8|

K0PL咆包备以阖“5

'op.jnin

式中以p.s、为方向元件的最小动作电压和电流。

四.大接地电流系统零序保护的评价

（1）灵敏度高；

（2）动作迅速；

（3）不受系统震荡和过负荷的影响；

（4）接线简单，经济可靠；

（5）复杂网不能满足要求，改用接地距离保护，辅之零序电流保护。

第二节小接地电流系统的零序保护

一.中性点不接地系统单相接地的特点

（一）简单系统

中性点不接地简单系统如图4-12（a）所示，电网各相与大地之间存在分布电容，以集中

参数C表示，如果系统对称，输电线路换相充分，则可以认为电网各相对地电容C相等，三

相对地电容相当于一个对称负载，其中性点就是大地。

1.正常运行时系统对称，电源中性点电位为零，因此，各相对地电容两端所加的

电压U1、U1、U'为相电压，在三相对称电压的作用下所产生的各相对地电容电流

/八、iB、'即

•・・

[A=.汝秋）七八

•IB=jcoC0EB

ic=jcoa）0Ec

也是对称的，并且超前于同名相电压90。，系统的零1/序电压V=0、零序

电流3/。=晨+九+"=0,其相量如图4-12（b）所示。由于容性电流没有直接的通路,

值很小，产生的压降也很小，因而可以假定全系统阻抗为零。系统某相发生一点接地，则全

系统的该相对地电压均为零。

2.当A相发生接地时A相对地电压降为零，中性点电位发生偏移，U,Y=-左人，各相

9|

孙,

(c)

图4-12中性点不接地简单系统

(a)系统图：(b)正常运行时的相量；(c)接地时的相量

对地电压U1、0^为

以二0

心=心』，

非故障相容性电流为

4=

ic=j①c。。、

可知，系统出现零序电压3U。、零序电流3/。(流向接地点”的电流，数值等于正常时各相

对地电容电流的算术和)，即

3“=虫+口+以=-瓦

3/=4+/=

0CjioC*+3=j3coe0。°

故障相对地电压降为零，非故障相对地电压由相电压升高为线电压。相量关系如图4-12(c)

所示。

(二)复杂系统

中性点不接地系统中发电机、线路XL、XL2的分布电容C*、Coi和Gn如图473(a)所示。

当线路XL,上小点发生A相接地后，全系统A相对地电容两端电位相等均为零，因此，全系

统A相对地电容电流为零，各元件非故障相B、C对地电容电流，经过大地、接地点、电源和

10|

本元件构成闭合回路，如图4-13（a）所示。

非故障线路XL保护安装处流过的零序电流（以母线流向线路作为正方向）为

3,oi=/5】+=j3fiXZ0I€70

零序电流3超前零序电压3U090。，且与假设正方向相同。

发电机出口的零序电流（以母线流向线路作为正方向）

34）尸=G+仆=和汉?（）/（）

故障线路XL?保护安装处流过的零序电流3/。„（以母线流向线路作为正方向）

3,O【I=—«B[+，CI)+凡11+，C【I)+(，8G+'CG)]++'cn

=-(/si+'ci)+('zJG+，CG)]

=-Mi+3h)

=-(3jcoC0iU0+jScoC^lJ0)

/3①(C。]+CQU+C0G)U0+j3c}CollUo

=_j3co(Co£-C0U)U0

零序电流3九|落后零序电压3Uo90°，且与假设正方向相反。

零序电流3/。|、3端和3〃相量如图4-13（b）所示。

可知，中性点不接地系统单相接地时零序分量特点

（1）全系统出现零序电压和零序电流。

（2）非故障线路保护安装处流过本线路零序电流；故障线路保护安装处流过所有非故障

111

元件零序电流之和。

(3)非故障线路容性无功功率由母线指向线路；故障线路容性无功功率由线路指向母线。

根据零序分量的特点，可构成相应的接地保护。

二.中性点不接地系统的接地保护

(一)无选择性绝缘监视装置

1.构成原理

(1)根据系统34的出现判断发生单相接地；

(2)根据系统各相对地电压的变化判别故障相；

(3)依次短时断开线路，根据各相对地电压的恢复和零序电压的消失查找故障线路。

2.原理接线

如图4T4所示，在发电厂或变电所的母线上装设一

台三相五柱式电压互感器7V,在主二次绕组侧每一相与中

性线之间各接入•只电压表，用以测量各相对地电压；在

辅助二次绕组开口三角形恻接入一只过电压继电器，用以

反应系统发生单相接地时产生的零序电压3。。。依此构成

绝缘监视装置。

(-)零序电流保护

1.构成原理：

在系统每一个元件上都装设电流保护，利用故障元件与非故障元件零序电流的不同，保

护有选择的动作，根据需要动作于信号或跳闸。

2.使用条件:

(1)有条件安装零序电流互感器外的电缆或经电缆引出的架空线路。

(2)有条件安装零序电流滤过器窗的架空线路(接地电流较大且能克服由三个电流互感

器组成零序滤过器的不平衡输出)。

3.注意事项:

如图4-15所示,利用零序电流互感器机构成接地

保护时，接地电流和其它杂散电流可能沿故障或非故障

12|

图4T5利用零序电流互感器

构成的接地保护

线路导电的电缆外皮流动，经零序电流互感器窗）传变到电流继电器中，将使保护的灵敏度

降低，甚至拒动或误动。因此，应将电缆盒（电缆头）及零序电流互感器加到电缆盒之间

的电缆对地绝缘，并将电缆盒的接地线穿回零序电流互感器的铁芯窗口再接地，这样，

经电缆外皮流过的电流再经接地线流向大地，在零序电流互感器以铁芯中产生的磁通a相

抵消，消除其对保护的影响。

4.整定计算

按躲过系统其它元件发生单相接地时，流过本线路的零序电流整定，即

/叩=KMCOC〃

式中为可靠系数，考虑对地电容电流暂态分量的影响，保护速动时，取4〜5；保护延

时动作时，取1.5〜2。

5.灵敏度校验

按被保护线路接地时，流过保护的最小零序电流校验，要求电缆线路鼠一电触路）21.25；

架空线路人短架空蝇）21.5,即

K_3力壮-Co）_C°£-C（）

八se，M电揽线路）―—干—八c——~

KQU*3coKvregro

K_3Ux（o（COE.C。）_C.—C0>,$

$6”架空线路）rzorj八「k「一"

K⑹SU©。。KrelC0

若系统各元件对地电容均为G,保护速动，对于架空线路有

K-Gz-G.5

八seW架空线路）一5c

COE=C。+7.5x5C0=&5co

可知，保护要满足灵敏度要求，系统至少要有8〜9个元件。当系统元件和出线较少时,

零序电流保护灵敏度一般不能满足要求，可采用有选择性的零序方向保护。

（二）零序方向保护

1.构成原理

根据故障线路容性无功功率方向由线路指向母线；非故障线路容性无功功率方向由母线

指向线路。即故隙线路零序电流3/。落后零序电压3U090。，非故障线路零序电流3/。超前零

序电压3，）90。，构成零序方向保护。

131

2.原理接线

零序方向保护原理接线如图476(a)所示。功率方向继电器A7嗝最大灵敏角(psen=900,

其动作区及故障线路零序电流

3心、非故障线路零序电流

与零序电压3"j相量如图4-16

(b)所示。可知，零序功率方向

继电器反应故障线路时，应正极

性接入3，)与3/。，如图616(a)

所示。

如果中性点不接地系统较为复杂，发生单相接地短路时，各元件的容性电流汇总到接地

点，在接地点产生电弧，不稳定的单相接地可能引起非故障相最高可达3.5倍额定相电压的

间隙性弧光过电压，造成系统绝缘薄弱环节的绝缘损坏，从而发展为两点或多点接地短路，

使事故范围扩大。因此，我国35KV电网发生接地短路，流过接地点的容性电流大于10A,10KV

电网大于20A、6〜10KV电网大于20A时，系统中性点应采用经消弧线圈接地方式。

三.中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障的特点

中性点经消弧线圈接地系统如图4-17(a)所示。当在d点发生单相接地时，流过接地点

的除了全系统总对地电容电流/口以外，还有经消弧线圈、接地点、故障线路、电源构成回

路在零序电压Uo作用下产生的感性电流乙，感性电流乙补偿总容性电流心。因此，接地

点的接地电流为九=乙+心，其相量如图4T7(b)所示。

接地点感性电流乙补偿容性总电流/口的方式有完仝补偿、欠补偿、过补偿三种。

1.完全补偿

完全补偿时，接地电流几二"+七为零，但同时=—,构成系

14|