基于中性點非直接接地系統線路保護的研究

魏明昊（江蘇省電力公司鹽城供電公司，江蘇 鹽城 224000）

基于中性點非直接接地系統線路保護的研究

魏明昊
（江蘇省電力公司鹽城供電公司，江蘇 鹽城 224000）

針對接地的危害及其對電力系統安全運行的影響,本文提出了幾種線路保護的方式,并進行了比較，中性點非直接接地系統線路保護的研究為相關電壓等級的電力系統的安全運行提供了可靠保障。

電力系統；線路保護；安全運行

0 引言

在我國電力系統中，中性點分為直接接地和非直接接地，在10KV、35KV的電力網中，中性點常采用非直接接地連接形式，中性點非直接接地的系統也被稱為小接地電流系統。在這一系統中，當發生單相接地故障時，接地相的對地電流的一般較小，接地相對地電壓降為零，非接地相電壓升高到相電壓的倍，但三相之間的線電壓仍然保持對稱，對負荷基本沒有影響，因此規定允許繼續運行1～2小時。但在實際運行中可能會由于過電壓引發供電電纜爆炸、保險熔斷、母線短路等事故，因此在實際運行中，必須迅速確定系統接地點消除單相接地故障。

1 電網的電流保護

1.1 電流速斷保護

根據對繼電保護的動作速動性的要求，保護裝置切除故障的時間，必須滿足系統的穩定和供電可靠性要求。通常將反應于電流增大而瞬時動作的電流保護稱為電流速斷保護。

對反應于電流升高而動作的電流保護而言，能使該保護裝置動作的最小電流值稱為保護裝置的啟動電流，以Idz表示，只有當實際的短路電流Id≥Idz時，保護裝置才能啟動。保護裝置的啟動值Idz所代表的意義是：當在被保護線路的一次側電流達到或超過這個電流值時，安裝在該處的保護裝置就能動作，低于該電流值時，保護裝置不能動作。

1.2 電流速斷保護整定

從電路分析可知，當電源電動勢E一定時，短路電流大小取決于短路點到電源之間的電路阻抗，三相短路電流可表示為

式中

E——電網電源的相電動勢；

Zd——短路點到保護裝置安裝處之間線路的阻抗；

Zs——保護裝置安裝處到電網電源之間線路的阻抗。

圖1 三段式電流保護的接線原理圖

其中

如三段式電流保護接線圖1所示，其中1LJ、3ZJ、4XJ構成第Ⅰ段無時限電流速斷保護；2LJ、5LJ、7SJ、8XJ、構成第Ⅱ段帶時限電流速斷保護；6LJ、9LJ、12SJ、13XJ構成第Ⅲ段定時限過電流保護。

2 電網的電壓、電流保護

2.1 階段式電壓、電流保護

電壓保護裝置能反映電流突然增大，母線電壓突然降低，并接于全電壓的相間保護裝置。電壓保護裝置一般由瞬時段、定時段組成，具備三段式階梯保護特性。

三段式階梯保護的Ⅰ、Ⅱ段稱為主保護段，第Ⅲ段稱為后備保護段。

2.2 電壓保護的整定計算

電力系統中，系統運行方式的變化對電流保護影響很大，要想在不增加動作時限的條件下，大范圍地提高系統保護的靈敏性，可采用階段式電壓、電流保護。

2.2.1 電壓、電流瞬時速斷保護動作電壓按下式計算確定

式中

Uop——低壓元件動作電壓；

Uop2——負序電壓元件動作電壓；K1

rel——可靠系數取≥1.3；Ik.max——取本線路對側或兩側故障的數值，對于允許伸入變壓器的保護裝置，在差動保護為主保護時，Ik.max為變壓器其他電壓側故障時本線路最大三相短路電流；

UN——額定電壓；

I'op2——并聯運行變壓器裝設的電流速斷定值；

n ——并聯運行的變壓器臺數；

K'rel——電流速斷作為變壓器主保護時，變壓器速斷保護配合的可靠系數，取≥1.1。

電流元件按電流速斷保護整定原則整定，電壓整定值按被保護線路末端出現故障 時有足夠的靈敏系數進行整定。

2.2.2 延時電流、電壓保護

（1）在相鄰線路電流、電壓元件均作為測量元件的瞬時速斷保護配合中，電壓整定值按保證測量元件末端出現故障時有足夠的靈敏系數進行整定。

Zs.min——線路背側系統在最大運行方式下的最小等值阻抗；

Es——系統等值相電勢；

ZL—— 本線路阻抗；

Uop.2——本線路負序電壓整定值；

Uop.2——相鄰線路瞬時速斷保護動作電壓；

I1op.2——相鄰線路瞬時速斷保護動作電流；

Kb.max——最大分支系數；

K2rel——可靠系數，取K2rel＞=1.1；

兩式計算結果取較大值作為電流定值。

（3）電壓閉鎖過電流保護

式中

圖2 三段電壓、電流保護的接線原理圖

三段式電壓、電流保護接線圖，其中1LJ、4ZJ、XJ構成第Ⅰ段無時限電壓、電流速斷保護；2LJ、4YJ、ZJ、構成第Ⅱ段帶時限電壓、電流速斷保護；3LJ、6YJ、XJ構成第Ⅲ段電壓、電流速斷保護。

3 單相接地零序電流保護

3.1 零序電流速斷（Ⅰ段）保護

零序電流保護是在系統發生接地故障時，反應線路零序電流大小和方向的多段式電流保護裝置，在我國大短路電流接地系統的不同電壓等級電力網中，這種接地保護裝置被廣泛應用。

零序保護的Ⅰ段的整定原則是當本線路末端發生單相短路時，應能躲過流經保護裝置的最大零序電流。

零序保護的Ⅱ段在整定時，要與保護安裝處相鄰線路零序保護的Ⅰ段相配合，它既能保護本線路，也可以將保護延伸到相鄰線路。

作為Ⅰ、Ⅱ段的后備保護，零序保護的Ⅲ段在整定時，要與相鄰線路的Ⅱ段相配合。

3.2 零序電流限時速斷（Ⅱ段）保護

與相間短路限時電流速斷保護的原理一樣，零序Ⅱ段的起動電流首先應考慮與下一線路的零序電流速斷相配合，要有一個微小的時限，這樣，可以保證動作的選擇性。

兩段保護之間，如果變電所母線上接有中性點接地的變壓器，受分支電路的影響，零序電流的分布會發生變化。這種情況下，可通過引入零序電流的分支系數K確定電流整定值。此時零序電流Ⅱ段保護的起動電流整定值為

式中

I'——下一線路的零序Ⅰ段電流整定值。

3.3 零序過電流（Ⅲ段）保護

零序電流Ⅲ段保護的作用類似于相間短路的過電流保護，通常作為后備保護使用的，但在中性點直接接地的電網中（大電流接地系統），也可以作為主保護。

在零序過電流Ⅲ段保護中，繼電器的起動電流整定，一般應能避開下一線路出口發生相間短路時，出現的最大不平衡電流I，引入可靠系數K，啟動電流整定值為

同時還必須綜合考慮，保證各段保護之間的靈敏系數能夠相互配合。零序過電流保護的整定計算時，應遵循按級配合的原則,不能越級保護。如兩級保護之間具有分支系數，保護裝置的起動電流整定值為

式中

Kk——可靠系數，一般取為1.1～1.2；

K0fz——相鄰線路的零序電流Ⅲ段保護范圍末端發生接地短路故障時，線路中零序電流與流過本保護裝置中零序電流之比。

圖3 零序電流保護接線原理圖

零序電流保護接線圖，其中1LJ、ZJ、LP1構成第Ⅰ段零序電流速斷保護；2LJ、1SJ、LP2構成第Ⅱ段零序電流速斷保護；3LJ、2SJ、LP3構成第Ⅲ段零序電流保護。

3.4 單向接地零序功率方向保護

在雙側或多側電源的系統中，電源端變壓器的中性點至少有一臺必須接地，零序電流的實際方向是由故障點流向各個中性點接地的變壓器，因此在多臺變壓器接地的系統中，需要考慮零序電流保護動作的方向性。

故障線路與非故障線路零序功率方向是不同的，可利用這一特點來實現有選擇性的保護，并動作于信號或跳閘。這種方式適用于零序電流保護不能滿足靈敏系數的要求時和接線復雜的系統中。

除了上述保護方式外，還可以利用中性點非直接接地電網中單相接地故障時產生的高次諧波或故障過渡過程的某些特點來實現保護。

4 結論

上述這些保護方式各自適用于一定結構和參數的中性點非直接接地的電網，各有一定的局限性和缺點。對于中性點非直接接地電力系統（小電流接地系統），首先應根據具體情況，選擇恰當的接地運行方式，再根據接地運行方式選擇合適的保護裝置，確定保護方法，并選擇正確的計算公式進行整定值計算，這樣才能保證電力系統運行的可靠性。

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