第二节 中性点不接地电网中单相接地故障的保护.doc

第二节 小接地电流系统单相接地故障的保护一、 中性点不接地系统单相接地的特点和保护方式（一）单相接地的特点 图512(a)所示为一中性点不接地的简单系统。为分析方便，假定电网负荷为零，并忽略电源和线路上的压降。电网各相对地电容为，这三个电容相当一对称负载，其中性点就是大地。所以正常运行时，电源中性点对地电压等于零，即，又因为忽略电源和线路上的压降，所以各相对地电压即为相电势。各相电容在三相对称电压作用下，产生三相电容电流也是对称的，并超前相应电压。其相量如图512(b)所示。三相对地电压之和与三相电容电流之和都为零，所以电网正常运行时无零序电压和零序电流。图 5-12 中性点不接地的简单系统 （a）系统图；（b）正常运行时的相量图；(c)接地故障时的相量图当A相线路发生一点接地时，接地相对地电容被短接，A相对地电压变为零。此时中性点对地电压就是中性点对A相的电压，即。线路各相对地电压和零序电压分别为 （5-17）上式说明，A相接地后B相和C相对地电压升高倍，此时三相电压之和不为零，出现了零序电压。其相量如图512(c)所示。保护安装点各相电流和故障点三倍零序电流分别为 （518）上式说明，两非故障相出现超前相电压的电容电流，流向故障点的电流，即为零序电容电流。 图513示出一单电源多线路中性点不接地系统。线路、和发电机的各相对地电容，分别为、。当在线路上K点发生A相接地故障后，系统中A相电容被短接，因而各元件A相对地电容电流为零。各元件的B相和C相对地电容电流，都要通过大地、故障点、电源和本元件构成的回路，如图513(a)所示。图513（b）为K点A相接地时的零序网络，因输电线路的零序阻抗远小于输电线路每相对地电容的容抗，故零序网络中可不计各元件的零序阻抗。 图 5-13 中性点不接地电网 （a）网络图；（b）K点A相接地时的零序网络；(c)零序电流与零序电压间的相量关系由图513(a)可见，非故障线路保护安装处流过的零序电容电流，参照式(518)得 (519)而发电机保护安装处流过的零序电容电流为 (520)故障线路保护安装处流过的零序电容电流，仍以由母线流向线路作为假定正方向时，则 （521）其相量如图13(c)所示。 综上所述，可得如下结论： (1)发生接地后，全系统出现零序电压和零序电流。非故障相电压升高至原来的倍，电源中性点对地电压，的相量与故障相电势的相量大小相等方向相反； (2)非故障线路保护安装处，流过本线路的零序电容电流。容性无功功率是由母线指向非故障线路；(3)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。而容性无功功率是由故障线路指向母线，即其功率方向与非故障线路方向相反。（二）、中性点不接地系统单相接地故障的保护方式根据上述单相接地故障的特点，在中性点不接地系统中，其单相接地故障的保护方式主要有以下几种。 1无选择性绝缘监视装置由以上分析可知，中性点不接地系统正常运行时无零序电压，一旦发生单相接地故障时就会出现零序电压。因此，可利用有无零序电压来实现无选择性的绝缘监视装置。图 5-14 绝缘监视装置原理接线图 绝缘监视装置原理接线示于图514，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，在其星形接线的二次侧接入三只电压表，用以测量各相对地电压，在开口三角侧接入一只过电压继电器，带延时动作于信号。因装置给出的信号没有选择性，运行人员只能根据信号和三个电压表的指示情况判别故障相，而选不出故障线路。如要查寻故障线路，还需运行人员依次短时断开各条线路，根据零序电压信号是否消失来确定出故障线路。 显然，这种方式只适用于比较简单并且允许短时停电的线路。 2零序电流保护 零序电流保护是利用故障元件的零序电流大于非故障元件的零序电流的特点，区分出故障和非故障元件，从而构成有选择性的保护。根据需要保护可动作于信号，也可动作于跳闸。 这种保护一般使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。当单相接地电流较大，足以克服零序电流滤过器中的不平衡电流影响时，保护装置可接于由三只电流互感器构成的零序电流滤过器回路中。 保护装置的动作电流，应按躲过本线路的对地电容电流整定，即 (522)式中 相电压有效值；本线路每相对地电容；可靠系数，它的大小与动作时间有关，若保护为瞬时动作时，为防止对地电容电流暂态分量的影响，一般取45；若保护为延时动作，可取1。保护的灵敏度，应按在被保护线路上发生单相接地故障时，流过保护的最小零序电流校验，灵敏系数为 （523）式中 电网在最小运行方式下，各线路每相对地电容之和。图 5-15 利用零序电流互感器构成的接地保护利用零序电流互感器构成的接地保护如图515所示。在具体实施上述保护时，应该指出的是接地故障电流或其它杂散电流，可能在地中流动，也可能沿故障或非故障线路导电的电缆外皮流动。这些电流被传变到电流继电器中，就可能造成接地保护误动，拒动或降低灵敏度。为了解决这一问题，应将电缆盒及零序电流互感器到电缆盒的一段电缆对地绝缘，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，如图515所示。这样，可使经电缆外皮流过的电流再经接地线流回大地，使其在铁芯中产生的磁通互相抵消，从而消除其对保护的影响。 3零序电流功率方向保护 在出线较少的情况下，非故障线路的零序电容电流与故障线路的零序电容电流相差不大，采用零序电流保护灵敏度很难满足要求，可利用故障线路和非故障线路零序功率方向的不同，区分出故障线路，构成有选择性的零序方向保护。零序功率方向保护的原理接线，如图516(a)所示。零序方向继电器最大灵敏角。非故障线路保护安装处零序电流超前零序电压，而故障线路保护安装处的零序流落后零序电压。所以由图516(b)所示的零序功率方向继电器KWZ动作区看，应将零序方向继电器按正极性接入和，才能保证在正方向接地时继电器KWZ动作。 图 5-16 小接地电流系统零序方向保护（a）零序方向继电器接线；（b）零序方向元件动作区二、中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障的特点和保护方式由图513(a)可见，当中性点不接地系统中发生单相接地故障时，流过接地故障点的电流为全系统零序电容电流的总和。如果此电流较大，就会在接地点产生电弧，引起间歇性弧光过电压，造成非故障相绝缘破坏，从而发展为两点或多点接地短路，使事故扩大。为解决这一问题，通常在中性点接入一个电感线圈（消弧线圈）L，如图513(a)中虚线所示。当系统发生单相接地后，其中零序电容电流的分布与图513(a)相同，所不同的是在零序电压作用下消弧线圈有一电感电流经接地点流回消弧线圈。此时，流过接地点的电流除全系统零序电容电流之外，还有消弧线圈的电感电流。电感电流补偿了接地故障点的总电容电流，因此，接地点流回的总电流为，因与相位相反，受到补偿而减小，其零序电流分布和相量如图517所示。 图 5-17 中性点经消弧线圈接地系统单相接地时电流分布图（a）网络图及电流分布；（b）各元件保护安装处的电流相量图根据对电容电流的补偿程度分为三种补偿方式。当时，称为完全补偿；当时，称为欠补偿；当时，称为过补偿。为防止消弧线圈L与三相对地电容形成串联谐振，通常不采取完全补偿。欠补偿方式也不宜采用，因为欠补偿时，在接地点的电流仍然是容性的。一旦因运行方式改变或因某些线路检修切除后，电网对地电容电流减小，同样会出现串联谐振情况，从而造成过电压。实际上常用的是过补偿方式，其补偿度 （5-24）一般不大于10。由此可见，中性点经消弧线圈接地电网中，当采用过补偿方式时，流经故障线路和非故障线路保护安装处的电流，是电容性电流，其容性无功功率方向都是由母线流向线路。故无法利用功率方向来判别是故障线路还是非故障线路。当过补偿度不大时，也很难利用电流大小判别出故障线路。对中性点经消弧线圈接地系统，根据运行要求有时采用消弧线圈并（串）电阻运行的派生接地方式，有时采用自动跟踪补偿消弧线圈。 （二）、中性点经消弧线圈接地系统的接地保护 由上述可见，在中性点经消弧线圈接地的电网，要实现有选择性的保护是很困难的。目前这类电网可采用无选择性的绝缘监视装置。除此之外，还可采用零序电流有功分量法、稳态高次谐波分量法、暂态零序电流首半波法、注入信号法、小波法等保护原理。 1反应稳态5次谐波分量的接地保护 在发电机制造中虽已采用短节矩线圈，以消除5次谐波，但经过变压器后(由于变压器铁芯工作在近于饱和点)，还会在变压器高压侧产生高次谐波，其中以3次、5次谐波为主要成分。消弧线圈的作用是对基波而言的，5次谐波的补偿作用仅相当于工频时的1/25，5次谐波电流的分布基本不受影响与中性点不接地电网分布规律一样。仍可利用5次谐波电流构成有选择性的保护。同样，也可利用5次谐波功率方向构成有选择性的保护。 2反应暂态零序电流的保护前面所述有关零序电流的特点，指的都是稳态电流值。实际上，在发生单相接地，故障电压和电流的暂态过程持续时间短但含有丰富的故障信息，较稳态值大很多倍，又因为故障时的暂态过程不受接地方式的影响，即系统不接地和系统经消弧线圈接地时的暂态过程是相同的，利用暂态分量以下特点可构成接地保护。 中性点非直接接地系统发生单相接地后，故障相对地电压突然降低为零，并引起故障相对地电容放电。放电电流衰减快、振荡频率高达数千赫，这是由于放电回路电阻和电感都比较小的缘故。而非故障线路由于对地电压突然升高倍，从而引起充电电流。因为充电回路要通过电源，故电感较大，所以充电电流衰减较慢，且振荡频率也较低(仅数百Hz)。当发生接地故障时，暂态电容电流波形如图518所示。 图 5-18 单相接地时暂态电流（a）暂态电流分布；（b）暂态电流波形图（1）反应零序电流首半波的保护 理论计算和实践经验证明，在接地故障发生后，故障线路暂态零序电流第一个周期的首半波比非故障线路的保护安装处暂态零序电流大得多，且方向相反。故可利用这些特点构成有选择性接地保护。（2）反应小波变换的保护 小波变换是在傅里叶变换基础上发展起来的一种现代信号处理理论与方法，是一种信号的时间频率分析方法，它具有多分辨率分析的特点，而且时频两域都具有表征信号局部性的能力。反应小波变换的保护原理就是把测得的暂态零序电流的信息进行小波分析处理获得小波系数、小波突变信号、小波突变量等特征量来选择故障线路。3、注入信号法首先定出故障的相别，然后向TV接地相副边注入信号电源，其频率取在各次谐波之间，使其不反应工频分量及高次谐波，故障时接地相的TV原边处于被短接的状态，由副边感应来的信号电流沿接地线路的接地相流动并经接地点入地，用信号电流探测器在开关柜后对每一条出线进行探测，探测到注入信号的线路即故障线路，该方法利用处于不工作状态的接地相TV注入信号，不增加一次设备，不影响系统运行。保护原理如图519所示。假设线路的A相发生单相接地短路，在TV副边注入频率为（220HZ）的信号电流，图中虚线1，原边感应电流见虚线2。 图 5-19 S注入信号法原理三、中性点经电阻接地单相接地故障的特点和保护方式中性点经电阻接地方式是在变压器中性点接电阻或接一个单相辅助变压器，在其二次侧接电阻。其等效网络如图520所示。为中性点电阻，由图可知流过非故障线路、首端的电流为本线路的对地电容电流见式（5-19）；流过故障线路首端的零序电流为 （5-25）可见，流过故障线路始端的零序电流可分为2部分：中性点电阻产生的有功电流，其相位与零序电压差，非故障线路零序电流之和，相位滞后于零序电压。流过非故障线路的零序电流只有由本支路对地电容产生的容性电流，相位超前零序电压。图5-20中性点经电阻接地系统零序等效网络及相量图（a）零序等效网络图 ；（b）零序电压和零序电流相量图由于有功电流只流过故障线路，与非故障线路无关，因此，只要以零序电压作为参考矢量，将此有功电流取出，就可实现接地保护。在中性点经消弧线圈接地系统中，由于消弧线圈本身含有较大的电阻或中性点采用消弧线圈并联电阻、串联电阻的接地方式，此种保护原理也适用。以上介绍了几种小电流接地系统的接地保护原理，还有一些故障选线方法正在试运行中，例如电流突变量法、网络化选线方法等。应当指出，上述各种保护方式均有一定的适用条件和局限性。由于计算机技术和通讯技术的迅速发展，小电流接地系统的接地保护原理和故障选线技术也得到了快速发展，目前已经生产出了各种保护原理集于一身的微机保护装置。该装置将各种选线判据有机地集成为充分判据，并与多种数据处理算法和各种选线方法融为一体。构成了各种判据有效域优势互补，能适应变化多端的单相接地故障形态的多层次全方位的智能化选线系统，大大提高了选择故障线路的可靠性。四、KA2003型小电流接地电网单相接地故障选线装置小电流接地选线装置由底板、主板、PT/CT 滤波板、数据采集卡、开关量输出板、交直流电源、液晶大屏幕、外置调制解调器、键盘、金属机箱等十部分组成，安装在密闭的机箱中。各种卡、板采用插拔式即插即用型设计，整套设备集中、紧凑、密封性好、扩展性强、便于维护。（一） 硬件框图如图5-21所示为装置的主要硬件组成。 图 5-21 KA2003装置硬件框图1、CT/PT滤波板小电流接地系统的母线零序电压信号和各条线路的零序电流信号经过现场的PT 和CT变换后输入高精度CT/PT 滤波板，经低通滤波器滤波后变换为平滑的电压信号送至A/D 卡。2、 A/D 卡 装置采用AC1820A 数据采集卡，采样数据通过ISA 总线存入寄存器。16 路单端输入（0-10V）。多通道时每通道的A/D 采样速度1000Ksps。输入通道自动扫描，可以程控从任意通道开始到任意通道结束。3、CPU中央处理器IPC-370VDF 是一块