中性点不接地系统零序电流方向判定及应用

孙建忠

(上海炼安工业设备安装有限公司， 201512)

中性点不接地系统发生单相接地故障时，其优点是不形成短路回路，通过接地点的电流仅为接地电容电流，系统可以带故障运行一段时间，以便查找故障线路，因而大大提高了供电可靠性；但其缺点也非常明显，会产生弧光重燃过电压，所以对系统绝缘水平的要求较高[1]。中国石化上海石油化工股份有限公司(以下简称上海石化)10 kV/6 kV系统基本以中性点不接地方式运行，这些系统大部分已运行超过20年。由于电缆终端头或电缆中间接头的老化、电机长时间或周期性过热致绝缘状况恶化等因素，上海石化近期多次出现中性点不接地系统在运行期间发生单相接地故障。发生的故障中，由于接线错误，造成了高压电动机开关错误跳闸，或由于在零序电流方向设置方面的不完善，系统保护启动后因发生误报、不报等错误信息，加大了故障判断的难度，延长了故障处理的时间，这对于系统非故障相长时间处在线电压运行带来隐患(如极易扩大事故范围等)，或因绝缘长时承压对系统日后的运行埋下隐患。

中性点不接地系统发生单相接地时，故障电流只是各元件对地电容所流过的电流，数值较小，采用零序电流互感器(TA)并使用符合灵敏度要求的接地故障检测元件，依据电流、电压量输入，这样的灵敏接地故障保护可以实现零序电流和零序电压接地故障检测、接地选相、接地方向判定等功能。本文着重对零序电流方向保护原理进行分析，并举例介绍中性点不接地系统单相接地的继电保护应用及系统改进。

1 零序电压和零序电流

中性点不接地的三相系统在正常运行时，A、B、C三相电源相电压UA、UB、UC是对称的，电源中性点的电压为零。导线全长都分布了电容，假定各相导线对地的电容是相等的，故各相所流过的电容电流也是对称的。

1.1 零序电压的变化

当中性点不接地系统发生单相接地故障时，零序电压将发生明显变化，具体见图1，2。

ICA、ICB-A相、B相电源对地电容电流；IC-接地点K流过的A相、B相电容电流之和；U0-中性点对地电压

UKA、UKB-A相、B相电源对地电压

当C相在K点发生金属性接地时，三相电源对地电压分别为：

(1)

式中：U0——中性点对地电压。

故障点K的零序电UK0为

(2)

1.2 零序电流的变化

在实际运行中，电力网中有电源及多条线路，当发生单相接地故障时，电容电流的分布如图3所示。电源和每条线路均有对地电容存在，以CG、CⅠ、CⅡ和CⅢ等集中电容来表示。

在线路Ⅲ上C相的K点发生单相接地故障后，如果忽略了负荷电流和电容电流在线路阻抗上的压降，则全系统C相对地电压均为零，从而C相对地的电容电流亦为零。

(1)非故障线路

由图3可见：在非故障线路I上，C相电流为零，A相和B相中流过其自身的电容电流为ICAⅠ和ICBⅠ，因此在该线路始端所反应的零序电流I0Ⅰ为：

3I0Ⅰ=ICAⅠ+ICBⅠ

(3)

当电力网中线路有多条时，上述结论适用于每一条非故障线路。

(2)电源侧线路

电源G的A相和B相也有对地电容电流ICAG和ICBG，由图3可见：在电源的出线端各线路的电容电流由于从电源的C相流入后又分别从A相和B相流出，因此，相加后相互抵消，而只余电源自身的电容电流,见式(4)。

3I0G=ICAG+ICBG

(4)

(3)故障线路

对于故障线路Ⅲ，接地点K流回全系统A相和B相对地电容电流的总和，其值为：

图3 单相接地时电容电流的分布情况

IC=(ICAⅠ+ICBⅠ)+(ICAⅡ+ICBⅡ)+

(ICAⅢ+ICBⅢ)+(ICAG+ICBG)

(5)

接地点的电流要从C相流回电源，因此，从C相流出的电流为ICⅢ= -IC，这样，从故障线路Ⅲ始端流过的零序电流为：

3I0Ⅲ=ICAⅢ+ICBⅢ+ICⅢ

=ICAⅢ+ICBⅢ- [(ICAⅠ+ICBⅠ)+(ICAⅡ+ICBⅡ)+(ICAⅢ+ICBⅢ)+(ICAG+ICBG)]

= -(ICAⅠ+ICBⅠ+ICAⅡ+ICBⅡ+ICAG+ICBG)

(6)

其绝对值

3I0Ⅲ= 3UPHω(C∑-CⅢ)

(7)

式中：Uph——相电压；

ω——角频率，rad/s；

C∑——全系统各相对地电容的总和。

由式(7)可见：发生一点接地后流经故障线路的零序电流，其数值等于全系统非故障元件对地电容电流之总和(不包括故障线路)[2]。

2 零序电流方向判定

2.1 零序电流的取得

零序电流的取得可用3个单相的电流互感器构成零序电流滤过器，但使用3个单相的电流互感器存有误差，即使三相电流对称，在它的二次侧也会有不平衡电流输出；且单相接地时的电容电流并不大，反应不灵敏。故更多采用的方式是通过接入零序TA直接取得该幅值。

2.2 零序电压的取得

零序电压的取得有自产与外接两种方式。

外接零序电压的方式是从电压互感器开口三角处取得。电压互感器的三相绕组首尾相连成开口三角形，开口三角形处输出的电压就是三相电压之和，也即是零序电压。

2.3 方向判定

按传统方式规定，零序电流以母线流向被保护线路方向为正方向，零序电压是以母线指向大地为正方向。

图4 中性点不接地系统单相接地故障时的矢量分布

当单相接地故障发生于非本线路时，流过本线路的电流为本身对地电容电流(见式(3))，方向为从母线流向线路，以I0表示。对于一般线路，由于线路电阻及非完全金属性接地的弧光电阻等原因，I0与U0并不严格的成90°，一般约为70°(最小角度一般不小于45°)。当故障发生在本线路时，流过被保护线路的零序电流为全系统所有非故障元件对地电容电流之和(见式(6))，以3I0表示，其方向与I0相反。

接地方向判定的依据可用零序有功(或无功)功率的方向与相应的零序电流的有效分量，决定于3I0与U0的相角关系，另外须考虑到容性电流的绝对优势，图4中，3I0的无功分量oc远较有功分量od为大，I0的无功分量ob远较有功分量oa为大。因此，中性点不接地系统中利用零序无功功率具有更高的灵敏度。因零序无功功率Q=U0(3I0)sinα，故对于不同方向的接地故障，利用零序无功功率的正负号即可方便地加以区分。

另外，由中性点不接地系统单相接地故障时的象限示意(图5)可以看出：若零序无功功率是正的(Q>0)，故障被认为是朝向被保护设备方向的(正向)；若零序无功功率是负的(Q<0)，故障就被认为是相反方向的(反向)。

P-有功功率；Q-无功功率；

3 应用

零序电流方向判定的成功与否，主要与零序电流互感器安装、二次接线及接地故障检测元件的设置等密不可分，以西门子7SJ系列微机为例进行说明。

3.1 安装与接线

零序电流互感器如图6所示，电缆从零序电流互感器铁心中央孔穿过时，要将电缆头与支架绝缘隔开，并将电缆头的接地线穿过电流互感器的铁心中央孔后再接地。当系统发生单相接地故障时，系统的接地电流经由故障线路电缆外皮入地，这样可使电缆外皮与接地线中的电流抵消；而在正常运行情况下，还可减小零序回路的误差电流。

(a)安装图

(b)电流走向

电流和电压回路应按同极性分别与电流互感器和电压互感器相连接，否则继电保护装置不能正常工作。为确保正确性，设置安装、接线标准，并按表1(零序电流方向保护标准安装、接线表)进行安装、接线及检查。

表1 零序电流方向保护标准安装、接线表

注：(1) L1、L2为同名端；若电缆由零序电流互感器正面L1侧穿入，则L1、K1为同名端；

(2)K1为零序电流互感器极性端；K2为零序电流互感器接地端；

(3) Q8、 Q7、 R17、R18均为西门子7SJ系列继电保护装置接线端子。

3.2 设置

当输入电压和电流的幅值不变时，其输出值随两者间相位差的大小而改变，输出为最大时的相位差称为继电保护装置的最大灵敏角[3]。知道了继电保护装置的最大灵敏角，就可知道该继电保护装置最灵敏的动作角度、继电保护装置的动作区(在最大灵敏角两边扩展不大于90°的范围内)。

带方向保护的继电保护装置均能提供方向特性曲线。为完成接地方向判定功能，继电保护装置需要用户根据不同的系统确定相应的方向特性曲线并确定用于方向判定的零序电流有效分量的起动值。这主要通过输入3个整定参数来实现。

(1)“MEAS.METHOD”地址“3125”：方向判别的测量类型。中性点不接地系统中须选择以“SIN phi”的测量类型。

(2)“PHI CORRECTION”地址“3124”：以上述选择的测量类型为基础的方向判别的校正角，整定范围为(-45°～45°)。例如，不接地系统中与母线相连的电动机，由于接地电流常是电阻-电容性电流，将以“COS Phi”测量的方向特性偏转45°可以获得更高的灵敏度。

(3)“RELEASE DIRECT”地址“3123”：用于方向判定的有效分量的起动值，整定范围3～1 200 mA。这是因为，一方面，方向判定与零序电流检测段结合一起使用，另一方面，零序电流检测段计算的是接地电流的幅值，而“RELEASE DIRECT”仅计算与方向特性曲线垂直的有效分量，它总是小于或等于接地电流幅值。所以，“RELEASE DIRECT”的整定值应小于上述相应零序电流幅值段定值。

3.3 灵敏度与系统改进

为了使接地保护有选择性动作，零序电流保护的启动电流须按大于本线路的电容电流整定

IK.act= Krel3I0

= Krel3UPHωC

(8)

式中： Krel——可靠因子，它的大小与保护的动作时间有关。瞬时动作的零序电流保护取4～5，延时动作的零序电流保护取1.5～2；

3I0——本线路的零序电容电流；

C——本线路的对地电容。

例如在线路Ⅲ上发生接地，本线路保护的灵敏度因子为

(9)

式中，Ksen为灵敏因子，对电缆线路应大于1.25，对架空线路应大于1.5。

由式(9)看出：只有当线路数目较多时，才有足够的灵敏度；随着线路数目的减少，灵敏度也会随之降低；当存在只有极少数线路运行的特殊方式下，实现这种保护是有困难的。此时可利用接地时故障相和非故障相电容电流方向相反的特点，以及降低用于方向判定的零序电流有效分量的起动值，实现零序电流方向保护。

当线路很长时，接地电容电流就会过大，超过临界值，接地电弧将不能自熄，容易形成间歇性的弧光接地或电弧稳定接地。间歇性的弧光接地能导致危险的过电压；稳定性电弧接地会导致相间短路。对于10 kV及以下电力网，接地电流不超过30 A；对于35kV电压等级电力网，接地电流不超过10 A时，接地电弧通常可以自行熄灭。当单相接地电流超过以上允许值时，可采用消弧线圈补偿电容电流保证接地电弧瞬间熄灭，消除弧光间歇接地过电压。

4 结语

10 kV/6 kV中性点不接地系统在上海石化的数量较多，该系统中与零序电流方向保护有关的设备，依据标准，采取逐一排查其安装、接线以及继电保护设置等环节，对发现的不符合现象及时安排整改，消除隐患以确保系统在单相接地故障来临时保护装置能正确动作。因上海石化具有连续性大生产等特点，系统计划性检修的次数较少且非同步性，所以即时整改不具备条件，同时还存在着不具有电流方向判定保护功能的继电保护装置。在这种情况下，需事先建立起每条线路的电容电流台账，当系统单相接地故障来临、保护装置又未正确动作时，可逐一翻阅继电保护装置中电容电流的显示值，经与正常运行时的电容电流值对比、综合分析判断后，视情况选择切断电容电流数值最大的线路，可确保故障正确、及时消除，从而将对系统的影响减至最低。对于系统保护在无法满足灵敏度要求的特殊情况，也提出了解决方案。

[1] 中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册[M].北京：中国电力出版社,2005：32.

[2] 蓝之达.供用电工程[M].北京：中国电力出版社,1998：427.

[3] 江苏省电力公司.电力系统继电保护原理与实用技术[M].北京：中国电力出版社,2006：362.