南昌大学继电保护第五章-电力系统的接地保护

在电力系统中，中性点的工作方式有中性点直接接地、中性点经消弧线圈接地和中性点不接地三种，后两种也称非直接接地。在我国110KV及以上电压等级的电网都采用中性点直接接地方式，而3～35KV的电网采用中性点非直接接地方式。在中性点直接接地的系统中，发生单相接地短路时，将出现很大的故障相电流和零序电流，故又称为大电流接地系统。在中性点非直接接地的系统中，发生单相接地时，因构不成短路回路，在故障点上流过比负荷电流小得多的电流，故又称为小电流接地系统。第五章电网的接地保护主要内容:第一节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单相接地时零序分量的特点及变压器中心点接地方式的选择（一）单相接地时零序分量的特点当发生单相接地短路时，将出现零序电压和零序电流，如图所示。零序电流可以看成是在故障点出现一个零序电压而产生的，它必须经过变压器接地的中性点构成回路。所以，零序电流只能在中性点接地的电网中流动。对零序电流的方向，规定母线流向线路为正，而零序电压的正负以大地为基准，线路高于大地的电压为正，低于大地的电压为负。这样形成的网络称为零序网络，如图5-1所示02!02!)(kkKKkKIIIUUU(由此可知，零序电流的实际方向，是线路流向母线的方向。零序网络中的零序电压、零序电流、零序功率等统称为零序分量，具有如下特点。1.零序电压零序电压的最高点位于接地故障处，系统中距故障点越远处的零序电压越低。零序电压的分布如图所示。保护安装处的母线零序电压其大小主要取决于变压器的零序电抗可见，零序分量的特点：（1）故障点零序电压Uk0最高,离故障点越远,Uk0越低.变压器中性点接地处Uk0=0,如图5-1(c)所示。(2)零序电流，如图5-1（d)其数值和分布与变压器中性点接地的多少和位置有关，而与电源的数目和位置无关。(3）(4）零序电流的分布与大小（5）零序功率是由故障点流向电源，即由故障线路流向母线。而通常规定，母线到线路的方向为正。所以，对于零序功率方向继电器，它是在负值零序功率下动作的。零序功率方向继电器的输入电压与输入电流之间的相位差完全取决于变压器的零序阻抗角，与被保护线路的零序阻抗及故障点的位置无关。所以，用零序电流和零序电压的幅值以及它们的相位关系即可实现接地短路的零序电流保护和零序方向保护。1,001)(TAOZIU（二）变压器中性点接地方式的选择系统中全部或部分变压器中性点直接接地是大接地电流系统的标志。其主要目的是降低对整个系统绝缘水平的要求。但中性点接地变压器的台数、容量及其分布情况变化时，零序网络也随之改变，因此，同一故障点的零序电流分布也随之改变。所以变压器的中性点接地情况改变，将直接影响零序电流保护的灵敏性。因此对变压器中性点接地的选择要满足下面两条要求：(1)不使系统出现危险的过电压。(2)不使零序网络有较大改变，以保证零序电流保护有稳定的灵敏性。A0UI1T根据上述两条要求，变压器中性点接地方式选择的原则如下：(1)在多电源系统中，每个电源处至少有一台变压器中性点接地，以防止中性点不接地的电源因某种原因与其他电源切断联系时，形成中性点不接地系统。在图5-1(a)中，如变压器T1的中性点不接地，当线路AB上发生接地短路时，B侧零序保护先动作跳开B侧断路器，则A侧成为一个中性点不接地系统并带接地故障点运行，从而会产生危险的弧光电压，使按大接地电流系统设计的设备的绝缘遭受到破坏。(2)在双母线按固定联接方式运行的变电站，每组母线上至少应有一台变压器中性点直接接地。这样，当母线联络开关断开后，每组母线上仍保留一台中性点直接接地的变压器。(3)每个电源处有多台变压器并联运行时，规定正常时按一台变压器中性点直接接地运行，其他变压器中性点不接地。这样，当某台中性点接地变压器由于检修或其他原因切除时，将另一台变压器中性点接地，以保持系统零序电流的大小与分布不变。(4)两台变压器并联运行，应选用零序阻抗相等的变压器，正常时将一台变压器中性点直接接地。当中性点接地变压器退出运行时，则将另一台变压器中性点直接接地运行(5)220kV以上大型电力变压器都为分级绝缘，且分为两种类型，其中绝缘水平较低的一种(500kV系统，中性点绝缘水平为38kV的变压器)，中性点必须直接接地。第二节中性点直接接地电网的零序电流保护一、零序电流保护的构成1。零序电流滤过器的不平衡电流不平衡电流：正常运行时通过保护的电流TaKerstnpunbKIKKKI)3(max.max.2。零序电流保护的接线第四节对称分量滤过器一。零序电流滤过器28页)(13)]()[(10mCmBmATATAmCmBmACBATAcbarIIIKKIIIIIIIKIIII当三相对称时)(1mCmBmATArIIIKI当三相不对称时TArKII03二。零序电压滤过器TVCbamnKUUUUU032.零序电流保护的接线零序电流保护与三段式相间短路保护基本相似，也分为三段式：零序电流I段为瞬时零序电流速断，只保护线路的一部分；零序电流II段为限时零序电流速断，可保护本线路全长，并与相邻线路零序电流速断保护相配合，带有延时，它与零序电流I段共同构成本线路接地故障的主保护；零序电流III段为零序过电流保护，动作时限按阶梯原则整定，它作为本线路和相邻线路的接地故障的后备保护。零序电流与线路的阻抗有关，可以作出随线路长度变化的关系曲线，然后进行整定，其整定原则类似于相间短路的三段式电流保护。二、三段式零序电流保护的整定计算1.无时限零序电流速断保护（零序电流I段）无时限零序电流速断保护的动作电流的整定应考虑以下三个原则：（1）躲过被保护线路末端发生单相或两相接地短路时流过本线路的最大零序电流.即：计算3I0.max求取的条件：①故障点应选取线路末端，图中A处的零序电流I段整定时故障点应在B处。②故障类型应选择使得零序电流最大的一种接地故障，当X1∑＞X0∑采用两相接地短路，X1∑＜X0∑采用单相接地。③整定时应按照最大运行方式考虑，即系统的零序等值阻抗最小。OPImax.01,03IKIrelop(2)应大于断路器三相不同时合闸(非全相运行)时出现的最大零序电流，即式中——可靠系数，取1.1～1.2。ΙrelK求取3I0.ust的方法：a.两相先合，相当于一相断线的零序电流，类似于两相接地短路有b.一相先合，相当于两相断线的零序电流，类似于单相接地短路有（3）躲过非全相运行期间振荡所造成的最大零序电流，即：注：非全相运行伴随振荡时的最大零序电流是上述三点中最大的。如按（3）整定，则定值比较大，灵敏性较低。则可装设两套灵敏性不同的零序电流速断保护，即：式中Z11、Z22、Z00——系统的纵向正序、负序、零序等值阻抗。取式中的较大者a.灵敏I段：按整定条件（1）（2）整定（两者中取较大者为整定值），或只是按照整定条件（1）整定，单相自动重合闸时灵敏I段自动闭锁。b.不灵敏I段：按整定条件（3）整定。非全相运行时投入。灵敏性：保护范围要求大于线路全长的15%～20%。动作时间为0。ustrelopIKI,0,03若按上述原则整定，则动作电流过大，使保护范围缩小，不能充分发挥零序Ⅰ段的作用。此时，应设置灵敏度不同的两套零序电流速断保护：①灵敏的Ⅰ段：仍按上述原则（1）（2）整定，因动作值小，保护范围大，所以灵敏。主要任务是对全相运行状态下的接地故障进行保护。当单相自动重合闸启动时(即开始切除单相接地故障时)将其自动闭锁，待恢复全相运行时再重新投入。②不灵敏的Ⅰ段：其整定原则为（3）因动作值大，保护范围小，所以不灵敏。主要任务是专为非全相运行状态下(如单相自动重合闸过程中)，其他两相又发生了单相接地故障时的保护，以便尽快地将故障切除。当然，它也能反应全相运行状态下的接地故障，只是其保护范围比灵敏的Ⅰ段要小。2.带时限零序电流速断保护（零序电流II段）：1。动作电流的整定计算带时限零序电流速断保护的整定原则与相间短路的限时电流速断保护相同（1）零序II段的动作电流应与相邻线路的零序Ⅰ段保护相配合整定，如图所示。2,0min,1,0opbrelopIKKImin,0,0min,)(ABBCbIIK5.1~3.131,0min,0min,opsIIK若灵敏系数效验不合格，可采用下面的措施：（2）（3）2,0min,1,0opbrelopIKKI2,0min,1,0opbrelopIKKI2,0min,1,0opbrelopIKKI动作时间整定：（三）零序过电流保护（1）(2)按与相邻线路的零序电流III段配合进行整定。(3)应大于非全相运行时出现的最大三相零序电流，即按上述的整定原则计算，应选取其中较大者作为的整定值。max,1,0unbrelopIKI灵敏度校验：作本线路的近后备时，其灵敏度应按本线路末端接地短路时流过本保护的最小零序电流校验，要求灵敏系数大于1.3～1.5。作为相邻线路的远后备保护时，应按相邻线路末端接地短路时流过本保护的最小零序电流校验，要求灵敏系数大于1.2。动作时间：从零序网的最末级开始按阶梯原则向电源方向推算。定时限零序过电流保护的动作时限按阶梯原则确定，如图所示。必须注意的是，在接法的变压器低压侧的任何故障都不会在高压侧引起零序电流，因此保护3的零序过电流可以是瞬时动作的，所以对零序过电流保护来说，动作时限可从保护3开始逐级配合，即，。为便于比较，将反应相间短路的过电流保护的时限特性也画在同一图中，它是从保护4开始逐级配合的。由图可见，同一线路上零序过电流保护的动作时限小于相间短路过电流保护的动作时限。这是零序过电流保护的优点之一。0,d0203ttt0102ttt第三节中性点直接接地电网的方向性零序电流保护一。零序方向电流保护的工作原理在双侧或多侧电源的网络中，电源处变压器的中性点至少有一台要接地，由于零序电流的实际流向是由故障点流向各个中性点接地的变压器，因此，在变压器接地数目比较多的复杂网络中，就需要考虑零序电流保护动作的方向性问题。如图所示，线路两侧电源处的变压器中性点均直接接地，这样当k1点发生接地短路时，其零序等效网络和零序电流分布如图(b)所示，按照选择性的要求，应该由保护1、2动作切除故障，但是零序电流也流过保护3时，就可能引起保护3的误动作。同样当k2点发生接地短路时，其零序等效网络和零序电流分布如图(c)所示，其零序电流又可能使保护2误动作。这与双侧电源电网反应相间短路的电流保护一样。为了保证位于母线两侧的零序电流保护有选择性地切除故障，必须在零序电流保护中加装功率方向元件，构成零序电流方向保护。此时，只需按同一方向的零序电流保护进行配合，并构成阶段式零序方向电流保护。二、零序电压滤过器零序功率方向继电器需要输入保护安装处的零序电压和零序电流三、接地短路时保护安装处零序电压与零序电流的相位关系如上图所示：正方向接地短路故障时，零序电压滞后零序电流110o-95o。如图所示：反方向接地短路故障时，零序电压超前零序电流110o-95o。四.零序功率方向继电器的接线零序功率方向继电器的接线见图5-8为判别零序功率的方向，因为零序功率方向继电器反应的是零序功率的方向，所以需要接入零序电压和零序电流；由图可知，当k点发生接地短路时，按规定的电流、电压正方向看，零序电压将滞后于零序电流约95°～110°，即继电器的最大灵敏角为-95°～-110°目前，生产厂家实际制造的零序功率方向继电器的最灵敏的角度是70°～85°，即电流滞后于电压70°～85°时继电器动作最灵敏。所以，见图5-8，在使用零序功率方向继电器时，若以正极性端接入继电器电流线圈的极性端，则必须以负极性端接入继电器电压线圈的极性端。（负号表示电流超前电压)。具体接线如图所示，将零序功率方向继电器电流线圈的