第三章输电线路的接地保护

第三章 输电线路的接地保护电力装置的继电保护和自动装置设计规范GB50062-92规定：1.对3～63kV 中性点非直接接地电力网中的单相接地故障，继电保护配置原则的具体规定。

（1）在发电厂和变电所母线，应装设单相接地监视信号装置。

一旦电网中发生单相接地故障，信号装置动作告警，以便通告运行人员及时处理及寻找故障点。

（2）在线路上装设有选择性的单相接地保护。

对有零序电流互感器的线路，或者不能安装零序电流互感器，而单相接地保护能够躲过电流回路中不平衡电流的影响，也可将保护装置接于三相电流互感器构成的零序回路中。

（3）在出线回路数不多，线路又不是特别重要，或装设选择性保护也难保证有选择性时，可以采取依次断开线路的方法，寻找单相接地在哪条线路。

有时为了快速恢复对完好线路的供电，断开后如无故障，靠自动重合闸恢复供电。

2.对110kV 线路的下列故障应装设相应的保护装置（1）单相接地短路。

（2）相间短路。

对接地短路应装设相应的保护装置并应符合下列规定：1.宜装设带方向或不带方向的阶段式零序电流保护。

2.对某些线路当零序电流保护不能满足要求时可装设接地距离保护并应装设一段或二段零序电流保护作后备保护。

第一节 大接地电流系统的接地故障特点一、接地保护概述在中性点直接接地电网中，当发生单相接地短路时，将出现大的短路电流，故中性点直接接地电网又称为大接地电流电网。

在我国通常110kV 及以上电压等级的电网，均为中性点直接接地电网。

前面讲述的电流保护和方向电流保护，若采用三相完全星形接线，虽然也能反应中性点直接接地电网的单相接地短路，但由于它们的动作电流较大，而单相接地短路电流又往往比相间短路电流小，因此灵敏系数常常不能满足要求。

另外，反应相间短路的保护兼作接地保护时，其时限也比专用接地保护长，故为了反应中性点直接接地电网的单相接地短路故障，通常装设专用的接地保护－反应零序分量的保护。

电压为3~35kV 的电网，采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式，统称为中性点非直接接地电网。

在这种电网中发生单相接地时，不构成短路回路，故没有短路零序电流，只有零序电容电流，其值比负荷电流小得多，所以这种电网又称为小接地电流电网。

由于这种电网发生单相接地时故障电流很小，且电网的线电压仍对称，不影响对负荷供电，故允许带着接地点继续运行一段时间。

因此中性点非直接接地电网通常装设作用于信号的零序分量保护，以便采取措施消除接地故障，防止故障扩大。

二、大接地电流系统接地故障的特点大接地电流系统的接地故障主要是单相或两相接地短路。

下面分析在发生上述故障时的参数特征。

正常运行或三相短路时，由于三相电压和电流是对称的，故∙0U = 31(∙U U +∙V U +∙W U ) = 0∙0I = 31(∙U I +∙V I +∙W I ) = 0 即没有零序电压和零序电流。

两相短路时，例如VW 两相短路，在故障点∙U kV =∙U KW = -21∙U kU ；∙I kU = 0，；∙I kV =-∙I kW ，因此故障点的零序电压和零序电流为∙U d0 = 31(∙U U +∙V U +∙W U ) = 31(∙U kU -21∙U kU -21∙U kU ) = 0 ∙0I = 31(∙I kU +∙I kV +∙I kW ) = 31(0 +∙I kV -∙I kV ) = 0 上述分析说明，正常运行及相间短路时，均没有零序电压和零序电流。

但是，发生接地短路时，情况不同。

例如U 相接地短路，则在接地故障点，故障相电压∙U KU = 0，∙U KV =∙V U ，∙U kW =∙W U ；∙U I =∙IKU ，∙V I = 0，∙W I = 0，因此故障点的零序电压、零序电流为 )1(k0∙U = 31(∙U kV +∙U kW ) = 31(∙V U +∙W U ) (3-1) ∙0I (1)= 31∙I kU(3-2)若发生VW 两相接地短路，在故障点有，∙U kV =∙U KW = 0，∙U kU =∙U U ，∙I kU = 0，则有)1.1(k0∙U=图 3-1 大接地电流电网单相接地短路时的零序分量 （a ）网络接线；（b ）零序等效网络；(c) 零序电压分布31∙U kU =∙U U (3-3))1.1(k0∙I = 31(∙I kV +∙I kW ) (3-4)由上述分析可知，出现零序电压和零序电流是接地故障区别于正常运行和相间短路的基本特征。

下面进一步分析零序电压和零序电流的分布。

故障点处三相电压不对称的程度最高，故该点零序电压也最高，离故障点越远零序电压越低，变压器接地中性点处零序电压为零。

例如在图3-1(a)所示电网中k 点单相接地时，其零序电压的分布见图3-1(b)。

由于故障点处出现零序电压所以产生零序电流'0I 和''0I ，它们经变压器的中性点构成回路。

对零序电流的方向，仍然采用母线流向故障点为正，而对零序电压的方向是线路高于大地为正，根据图3-1(b)所示等效网络，则有∙U k0 = -'0I (0.T1Z +'0L Z )= -''0I (0.T2Z +''0LZ ) (3-5) 保护安装处的零序电压为∙0.M U = -'0I 0.T1Z ∙0.N U = -''0I 0.t2Z (3-6) 式(3-6)说明，保护安装处母线上的零序电压与零序电流的大小关系决定于该处背后的零序阻抗值，零序电压和零序电流的相位差则决定于母线背后零序阻抗的阻抗角φk0通常φk0约为70°~ 85°，所以3'0∙I 落后于-3∙0.M U 70°~ 85°，或者说3'0∙I 超前3∙0.M U 95°~ 110°，见图3-2。

这一点在后面分析零序功率方向继电器的动作行为时需特别注意。

接地故障点零序电流3∙0I 的大小取决于输电线路的零序阻抗和中性点接地变压器的数目。

中性点接地的变压器数目越多，系统的零序阻抗越小，接地故障点的零序电流越大。

故障点零序电流在故障点两侧的分配与各侧的零序阻抗成反比，若0.T1Z +'0L Z >0.T2Z +''0L Z ，则''0∙I >'0∙I ，若变压器B 2的中性点不接地，则0.T2Z = ∞，''0∙I = 0，'0∙I =∙0I ，即故障点的零序电流全部流经左侧。

因此对单侧电源电网，为提高线路首端零序电流保护的灵敏系数，线路末端变压器中性点一般不接地。

第二节 大接地电流系统的接地保护零序电流保护反应中性点接地系统中发生接地短路时的零序电流分量，原理简单可靠，灵敏度高、保护区较为稳定，在输电线路中获得了极为广泛的应用。

零序电流保护和反应相间短路的电流保护一样采用阶段式，多为四段式，并可根据运行需要而增减段数。

零序电流'0∙I图 3-2 零序电流与零序 电压的相位关系可由电流互感器构成的零序滤过器获得，零序电压可由电压互感器开口三角形获得，也有微机保护根据输入的三相电流、三相电压分别计算出零序电流、零序电压。

阶段式零序电流保护由零序电流速断保护(零序Ⅰ段)、限时零序电流速断保护(零序Ⅱ段)、零序过电流保护(零序Ⅲ段)组成。

零序Ⅰ段和零序Ⅱ段共同构成反应本线路接地故障的主保护，零序Ⅲ段为后备保护。

一、零序电流速断保护 (零序Ⅰ段)反应接地故障的零序电流速断保护与反应相间故障的瞬时电流速断保护相似，其选择性是靠动作电流的整定获得的。

为此，也可以求出单相或两相接地短路时零序电流3I 0随线路长度l 变化的关系曲线，然后用类似于相间短路保护Ⅰ段的整定计算方法求得零序Ⅰ段的动作电流。

零序Ⅰ段动作电流的整定需考虑以下三个原则：(1)为保证选择性，零序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可能出现的最大零序电流3I 0. max ，即I set = K rel 3I 0. max (3-7) 式中 K rel ——可靠系数，取1.2～1.3。

在确定最大零序电流时，要考虑零序电流为最大时的运行方式和接地故障类型。

具体说，应考虑系统正序阻抗Z 1为最小，保护安装侧变压器中性点接地数目最多，而线路末端变压器中性点接地数目最少或都不接地的情况。

至于是单相接地短路时的3I 0（1）大，还是两相接地短路时的3I 0（1.1）大，可比较∑1X 和∑0X ，若∑1X >∑0X ，则3I 0（1.1）>3I 0（1）；反之，若∑1X <∑0X ，则3I 0（1）>3I 0（1.1），这是因为，∑1X =∑0X 的条件下，单相接地短路电流为 3I 0（1）=∑∑+0123X X E (3-8) 而两相接地短路电流为3I 0（1.1）=∑∑+0123X X E(3-9)由式(3-8)和式(3-9)，不难得出上述结论。

由于零序Ⅰ段的动作电流需躲过被保护线路末端接地短路时的最大零序电流，故零序Ⅰ段不能保护本线路的全长，只能保护本线路的一部分。

但是，由于线路的零序阻抗远比正序阻抗大，一般X 0=(2～3.5) X 1，故线路始端与末端接地短路时，零序电流变化显著，即3I 0 = f ( l )曲线较陡，使零序Ⅰ段的保护范围比相间短路电流保护Ⅰ段的保护范围大。

而且由于系统运行方式变化时，一般变压器中性点接地点的数目和分布保持不变，即零序阻抗基本保持不变，所以零序电流受运行方式变化的影响小，使零序Ⅰ段的保护区比较稳定。

(2)零序Ⅰ段的动作电流应躲过由于断路器三相触头不同时合闸时所出现的最大零序电流3I 0. SC ，即I set = K rel 3I 0. SC (3-10) 如果在零序电流速断保护中设有一个小延时，由于该延时大于断路器三相触头不同时合闸的时间，则本项条件可以不考虑。

按上述两项原则整定的零序I 段，称为灵敏的零序I 段，其灵敏系数按保护范围的长度来校验，要求最小保护范围不小于线路全长的15%，这对零序Ⅰ段是较易满足的。

(3)在220kV 及以上电压等级的电网中，常采用综合重合闸装置，致使系统容易出现非图3-3 有分支电路时，零序Ⅱ段动作电流的整定 ( a ) 网络接线；( b ) 零序电流变化曲线 全相运行状态。

在非全相运行情况下又出现振荡时，将有较大的非全相振荡零序电流，此时上述灵敏的零序I 段可能误动作。

为避免这种误动作，可由综合重合闸闭锁灵敏的零序I 段，而为了仍有快速的零序保护，可增设不灵敏的零序I 段，它按躲过非全相振荡时出现的最大零序电流整定。

二、限时零序电流速断保护(零序Ⅱ段)零序I 段能瞬时动作，但不能保护本线路全长。