基于中性点非直接接地系统线路保护的研究

魏明昊（江苏省电力公司盐城供电公司，江苏 盐城 224000）

基于中性点非直接接地系统线路保护的研究

魏明昊
（江苏省电力公司盐城供电公司，江苏 盐城 224000）

针对接地的危害及其对电力系统安全运行的影响,本文提出了几种线路保护的方式,并进行了比较，中性点非直接接地系统线路保护的研究为相关电压等级的电力系统的安全运行提供了可靠保障。

电力系统；线路保护；安全运行

0 引言

在我国电力系统中，中性点分为直接接地和非直接接地，在10KV、35KV的电力网中，中性点常采用非直接接地连接形式，中性点非直接接地的系统也被称为小接地电流系统。在这一系统中，当发生单相接地故障时，接地相的对地电流的一般较小，接地相对地电压降为零，非接地相电压升高到相电压的倍，但三相之间的线电压仍然保持对称，对负荷基本没有影响，因此规定允许继续运行1～2小时。但在实际运行中可能会由于过电压引发供电电缆爆炸、保险熔断、母线短路等事故，因此在实际运行中，必须迅速确定系统接地点消除单相接地故障。

1 电网的电流保护

1.1 电流速断保护

根据对继电保护的动作速动性的要求，保护装置切除故障的时间，必须满足系统的稳定和供电可靠性要求。通常将反应于电流增大而瞬时动作的电流保护称为电流速断保护。

对反应于电流升高而动作的电流保护而言，能使该保护装置动作的最小电流值称为保护装置的启动电流，以Idz表示，只有当实际的短路电流Id≥Idz时，保护装置才能启动。保护装置的启动值Idz所代表的意义是：当在被保护线路的一次侧电流达到或超过这个电流值时，安装在该处的保护装置就能动作，低于该电流值时，保护装置不能动作。

1.2 电流速断保护整定

从电路分析可知，当电源电动势E一定时，短路电流大小取决于短路点到电源之间的电路阻抗，三相短路电流可表示为

式中

E——电网电源的相电动势；

Zd——短路点到保护装置安装处之间线路的阻抗；

Zs——保护装置安装处到电网电源之间线路的阻抗。

图1 三段式电流保护的接线原理图

其中

如三段式电流保护接线图1所示，其中1LJ、3ZJ、4XJ构成第Ⅰ段无时限电流速断保护；2LJ、5LJ、7SJ、8XJ、构成第Ⅱ段带时限电流速断保护；6LJ、9LJ、12SJ、13XJ构成第Ⅲ段定时限过电流保护。

2 电网的电压、电流保护

2.1 阶段式电压、电流保护

电压保护装置能反映电流突然增大，母线电压突然降低，并接于全电压的相间保护装置。电压保护装置一般由瞬时段、定时段组成，具备三段式阶梯保护特性。

三段式阶梯保护的Ⅰ、Ⅱ段称为主保护段，第Ⅲ段称为后备保护段。

2.2 电压保护的整定计算

电力系统中，系统运行方式的变化对电流保护影响很大，要想在不增加动作时限的条件下，大范围地提高系统保护的灵敏性，可采用阶段式电压、电流保护。

2.2.1 电压、电流瞬时速断保护动作电压按下式计算确定

式中

Uop——低压元件动作电压；

Uop2——负序电压元件动作电压；K1

rel——可靠系数取≥1.3；Ik.max——取本线路对侧或两侧故障的数值，对于允许伸入变压器的保护装置，在差动保护为主保护时，Ik.max为变压器其他电压侧故障时本线路最大三相短路电流；

UN——额定电压；

I'op2——并联运行变压器装设的电流速断定值；

n ——并联运行的变压器台数；

K'rel——电流速断作为变压器主保护时，变压器速断保护配合的可靠系数，取≥1.1。

电流元件按电流速断保护整定原则整定，电压整定值按被保护线路末端出现故障 时有足够的灵敏系数进行整定。

2.2.2 延时电流、电压保护

（1）在相邻线路电流、电压元件均作为测量元件的瞬时速断保护配合中，电压整定值按保证测量元件末端出现故障时有足够的灵敏系数进行整定。

Zs.min——线路背侧系统在最大运行方式下的最小等值阻抗；

Es——系统等值相电势；

ZL—— 本线路阻抗；

Uop.2——本线路负序电压整定值；

Uop.2——相邻线路瞬时速断保护动作电压；

I1op.2——相邻线路瞬时速断保护动作电流；

Kb.max——最大分支系数；

K2rel——可靠系数，取K2rel＞=1.1；

两式计算结果取较大值作为电流定值。

（3）电压闭锁过电流保护

式中

图2 三段电压、电流保护的接线原理图

三段式电压、电流保护接线图，其中1LJ、4ZJ、XJ构成第Ⅰ段无时限电压、电流速断保护；2LJ、4YJ、ZJ、构成第Ⅱ段带时限电压、电流速断保护；3LJ、6YJ、XJ构成第Ⅲ段电压、电流速断保护。

3 单相接地零序电流保护

3.1 零序电流速断（Ⅰ段）保护

零序电流保护是在系统发生接地故障时，反应线路零序电流大小和方向的多段式电流保护装置，在我国大短路电流接地系统的不同电压等级电力网中，这种接地保护装置被广泛应用。

零序保护的Ⅰ段的整定原则是当本线路末端发生单相短路时，应能躲过流经保护装置的最大零序电流。

零序保护的Ⅱ段在整定时，要与保护安装处相邻线路零序保护的Ⅰ段相配合，它既能保护本线路，也可以将保护延伸到相邻线路。

作为Ⅰ、Ⅱ段的后备保护，零序保护的Ⅲ段在整定时，要与相邻线路的Ⅱ段相配合。

3.2 零序电流限时速断（Ⅱ段）保护

与相间短路限时电流速断保护的原理一样，零序Ⅱ段的起动电流首先应考虑与下一线路的零序电流速断相配合，要有一个微小的时限，这样，可以保证动作的选择性。

两段保护之间，如果变电所母线上接有中性点接地的变压器，受分支电路的影响，零序电流的分布会发生变化。这种情况下，可通过引入零序电流的分支系数K确定电流整定值。此时零序电流Ⅱ段保护的起动电流整定值为

式中

I'——下一线路的零序Ⅰ段电流整定值。

3.3 零序过电流（Ⅲ段）保护

零序电流Ⅲ段保护的作用类似于相间短路的过电流保护，通常作为后备保护使用的，但在中性点直接接地的电网中（大电流接地系统），也可以作为主保护。

在零序过电流Ⅲ段保护中，继电器的起动电流整定，一般应能避开下一线路出口发生相间短路时，出现的最大不平衡电流I，引入可靠系数K，启动电流整定值为

同时还必须综合考虑，保证各段保护之间的灵敏系数能够相互配合。零序过电流保护的整定计算时，应遵循按级配合的原则,不能越级保护。如两级保护之间具有分支系数，保护装置的起动电流整定值为

式中

Kk——可靠系数，一般取为1.1～1.2；

K0fz——相邻线路的零序电流Ⅲ段保护范围末端发生接地短路故障时，线路中零序电流与流过本保护装置中零序电流之比。

图3 零序电流保护接线原理图

零序电流保护接线图，其中1LJ、ZJ、LP1构成第Ⅰ段零序电流速断保护；2LJ、1SJ、LP2构成第Ⅱ段零序电流速断保护；3LJ、2SJ、LP3构成第Ⅲ段零序电流保护。

3.4 单向接地零序功率方向保护

在双侧或多侧电源的系统中，电源端变压器的中性点至少有一台必须接地，零序电流的实际方向是由故障点流向各个中性点接地的变压器，因此在多台变压器接地的系统中，需要考虑零序电流保护动作的方向性。

故障线路与非故障线路零序功率方向是不同的，可利用这一特点来实现有选择性的保护，并动作于信号或跳闸。这种方式适用于零序电流保护不能满足灵敏系数的要求时和接线复杂的系统中。

除了上述保护方式外，还可以利用中性点非直接接地电网中单相接地故障时产生的高次谐波或故障过渡过程的某些特点来实现保护。

4 结论

上述这些保护方式各自适用于一定结构和参数的中性点非直接接地的电网，各有一定的局限性和缺点。对于中性点非直接接地电力系统（小电流接地系统），首先应根据具体情况，选择恰当的接地运行方式，再根据接地运行方式选择合适的保护装置，确定保护方法，并选择正确的计算公式进行整定值计算，这样才能保证电力系统运行的可靠性。

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