中性点接地电网零序电流保护优化方案

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：但对于两相短路故障和三相短路故障不能反应，因此只能作为接地短路保护的后备保护，一般配置三段式或四段式零序电流保护。为保证保护的动作选择性，零序电流I段保护区不能超出本线路，其动作电流按下述原则整定。2)改用接地距离保护。零序电流Ⅲ段保护范围较长，对于本线路和相邻线路的接地故障，零序过电流保护都应能够反应。不平衡电流是指在一次侧三相电流严格对称、无零序分量情况下，有一定的电流流入零序电流保护。

1.零序电流和零序电压的获取

(1)零序电流的获取方法。微机保护根据数据采集系统得到的三相电流值再用软件进行相加得到3I0值，目前微机保护外接3I0(如图2-40所示)与自采3I0两种方式都采用，通过两种方式得到的3I0值比较可以检测数据采集系统是否正常。

(2)零序电压的获取方法：

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图2-40　微机保护外接3I0的获取图

1)从TV 开口三角形处获取。可由三个单相电压互感器或三相五柱式电压互感器的次级绕组接成开口三角形，即首尾相连得到的电压就是3U0电压。发电机中性点经电压互感器或消弧线圈接地时，可以通过它们的二次侧也可获取零序电压。

2)自产3U0方式。微机保护根据数据采集系统得到的三相电压值再用软件进行矢量相加得到3U0值，在线路保护中3U0主要用于接地故障时判别故障方向。

目前零序电压的获取大多数采用自产3U0方式，只有在TV 断线时才改用开口三角处的3U0。

(3)离散序分量算法。序分量滤过器是基于对称分量基本公式 (以电压为例，其中α=ej120°)

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基于移相原理，利用采样值直接移相方法可得序列3u1、3u2、3u0。

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只要求得a、b、c三相的采样序列，经过移相120°或240°后按式 (2-35)运算即可得到正序、负序和零序分量的序列，相当于各序分量的采样值。设每周采样12点，即N=12，ωTS=30°，则

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2.零序电流保护

零序电流保护能区分正常运行和短路故障，并且能区分短路点的远近，以便在近处故障时较短的时间切除故障，满足选择性的要求。但对于两相短路故障和三相短路故障不能反应，因此只能作为接地短路保护的后备保护，一般配置三段式或四段式零序电流保护。零序电流Ⅰ段为速动段保护，零序电流Ⅱ段为带时限零序电流速段保护，零序电流Ⅲ段为零序过电流保护。

(1)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工作原理，与反应相间短路故障的无时限电流速断保护工作原理相似，所不同的是无时限零序电流速断保护，仅反应电流中的零序分量。当在被保护线路MN 上发生单相或两相接地短路时，故障点沿线路MN 移动时，流过M 处保护的最大零序电流变化曲线，如图2-41所示。为保证保护的动作选择性，零序电流I段保护区不能超出本线路，其动作电流按下述原则整定。

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图2-41　零序电流速断保护的动作电流整定说明图

(a)系统图；(b)动作电流与短路电流关系图

1)零序电流Ⅰ段的动作电流应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

式中　I0.max——线路末端发生接地故障时流过的最大零序电流；

pagenumber_ebook=57,pagenumber_book=51 ——可靠系数，一般取1.2～1.3。

求取3I0.max的故障点应选取线路末端，如图2-41所示中的M 处的零序电流Ⅰ段整定时故障点应在N 处。故障类型应选择使得零序电流最大的一种接地故障，单相或两相接地短路如式 (2-37)所示。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。

2)零序电流Ⅰ段的动作电流应躲过手动合闸或自动重合闸期间断路器三相触头不同时合上所出现的最大零序电流，即

式中　I0.act——断路器三相触头不同时合闸所出现的最大零序电流；

I0.ust——在断路器三相触头不同时合上时存在，所以持续时间较短，一般小于100ms。

如果在断路器手动合闸或自动重合闸期间，零序电流Ⅰ段保护增加延时t (一般为0.1s)，用来躲过断路器三相触头不同时合上时的零序电流，则可不考虑这个整定条件。

3)零序电流Ⅰ段的动作电流应躲过非全相运行期间振荡所造成的最大零序电流，即

式中　I0.unc——非全相运行伴随振荡时的最大零序电流。

一般而言，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。如按此整定，则定值比较大，灵敏性较低。为解决这个问题，可安装两套灵敏性不同的零序电流速断保护，即

a.灵敏Ⅰ段：不考虑躲过非全相运行时的零序电流，当220kV 线路实行单相重合闸时，灵敏Ⅰ段保护会误动，应当退出。

b.不灵敏Ⅰ段：考虑躲过非全相运行时的零序电流，当220kV 线路实行单相重合闸时，不灵敏Ⅰ段保护不会误动，不需要退出。

(2)带时限零序电流速段保护(零序电流Ⅱ段)。带时限零序电流速断保护动作电流的整定原则与相间短路的限时电流速断保护相同，整定时应注意将零序电流的分流因素考虑在内，动作时限应比下一条线路零序电流Ⅰ段的动作时限大一个时限级差Δt。如图2-42所示中的保护M 处，其动作电流按下述原则整定。

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图2-42　带时限零序电流速断保护动作电流整定说明图

零序电流Ⅱ段保护区不超出相邻线路零序电流Ⅰ段保护区，即躲过相邻线路Ⅰ段末端短路时流过本线路的最大零序电流。如图2-42所示，即

式中　IM0.max——保护PD2零序Ⅰ段末端故障流过MN 线路的最大零序电流；

pagenumber_ebook=58,pagenumber_book=52 ——可靠系数，一般取1.1。

零序电流Ⅱ段灵敏性，应按被保护线路末端发生接地短路时的最小零序电流来校验，要求Ksen≥1.3～1.5，即

应该指出的是，按上述原则整定的零序Ⅱ段，在本线路甚至在相邻线路单相重合闸过程中可能起动，故非全相运行时应退出保护，或者设立不灵敏Ⅱ段以躲过非全相运行或者适当提高动作时限(大于单相重合闸时间)。通常设立两个零序Ⅱ段的目的既是为了提高上一级零序电流保护的灵敏度或降低动作时间，同时也能改善本线路在非全相运行时的保护功能。

当灵敏系数不能满足要求时，可采取以下措施：

1)与相邻线路零序Ⅱ段配合整定。其动作时限应较相邻线路零序Ⅱ段时限长一个时间级差Δt。

2)改用接地距离保护。

(3)零序过电流保护(零序电流Ⅲ段)。

零序过电流保护在正常时应该不起动，故障切除后应该返回，为保证选择性，动作时间应当与相邻线路Ⅲ段按照阶梯原则配合。零序电流Ⅲ段保护范围较长，对于本线路和相邻线路的接地故障，零序过电流保护都应能够反应。

零序电流Ⅲ段的动作电流应躲过下一线路始端，即本线路末端三相短路时流过本保护的最大不平衡电流Iunb.max。即

式中　Iunb.max——本线路末端三相短路时流过本保护的最大不平衡电流；

pagenumber_ebook=59,pagenumber_book=53 ——可靠系数，一般取1.2～1.3。

不平衡电流是指在一次侧三相电流严格对称、无零序分量情况下，有一定的电流流入零序电流保护。不平衡电流是由于电流互感器励磁特性不一致形成的，电流互感器的误差主要来自于励磁电流，三相电流互感器的励磁特性不一致造成了电流互感器误差的不一致，即使一次侧三相电流完全对称，零序电流为零，二次侧电流仍有一些不对称，二次侧三相电流之和不为零，最大不平衡电流按下列校验公式计算

式中　Kaper——非周期分量系数，当t=0s时，取1.5～2之间，当t=0.5s时取1；

Kss——TA 同型系数，TA 型号相同时取0.5，型号不同时取1；

Ker——TA 误差，取0.1；

pagenumber_ebook=59,pagenumber_book=53 ——本线路末端三相短路时流过本保护的最大短路电流。

作为本线路近后备的零序Ⅲ段，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1.5。当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。动作时间与相间电流保护Ⅲ段的整定原则相同。

3.零序方向保护的原理和实现

(1)零序电流保护采用方向闭锁的必要性。如图2-43所示的k 点发生接地故障时，对于保护PD2而言是反方向故障，如果t02＜t03，则零序电流保护PD2先于零序电流保护PD3动作，无选择性切除故障，扩大事故范围。在这种大接地电流系统中的零序电流保护，需加安装零序方向元件构成零序方向电流保护，才能保证有选择地切除故障线路。

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图2-43　零序电流保护采用方向闭锁的说明图

(2)零序功率方向继电器。正、反方向接地短路故障时，保护安装处零序电压和零序电流的相位关系如图2-37和图2-39所示，即有正方向接地短路故障时，零序电压滞后零序电流110°～95°，反方向则接地短路故障时，零序电压超前零序电流70°～80°。

参照相间功率方向继电器，零序功率方向继电器比幅动作方程如下

式中　KU——电压变换器变比；

KI——电抗变换器的转移阻抗。

写成比相动作方程即

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式中　α——零序功率方向继电器的内角，内角一般取-80°，最灵敏角φsen=-α，即80°。

比相动作方程变为

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画出动作区如图2-44所示。

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图2-44　零序功率方向继电器动作特性图

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图2-45　零序功率方向继电器的实际接线图

(3)微机保护零序方向继电器及实现：

1)按零序电压、零序电流的相位比较实现。

微机保护选用软件自产3I0和自产3U0，由软件的算法实现

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2)按零序功率的幅值比较实现。

零序正、反方向元件(F0+、F0-)由零序功率P0决定，P0为

式中　u0(k)、i0(k)——零序电压、电流的瞬时采样值。

P0＞0时，方向元件F0-动作，判为反方向故障；P0＜0时，方向元件F0+动作，判为正方向故障。

(4)零序方向保护框图。如图2-46所示为110kV 线路零序方向保护逻辑框图。

如图2-46所示上述零序方向保护框图中设置了4个带延时段的零序方向电流保护，各段零序可由用户选择经或不经零序方向元件控制。在TV 断线时，零序Ⅰ段可由用户选择是否退出；4段零序电流保护均不经方向元件控制。所有零序电流保护都受起动过流元件控制，因此各零序电流保护定值应大于零序起动电流定值。当最小相电压小于0.8UN时，零序加速延时为100ms，当最小相电压大于0.8UN时，加速时间延时为200ms，其过流定值用零序过流加速段定值。TV 断线时，自动投入两段相过流元件，两个元件的延时可分别整定。

中性点接地电网零序电流保护优化方案

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