中性點不接地系統零序電流方向判定及應用

孫建忠

(上海煉安工業設備安裝有限公司， 201512)

中性點不接地系統發生單相接地故障時，其優點是不形成短路回路，通過接地點的電流僅為接地電容電流，系統可以帶故障運行一段時間，以便查找故障線路，因而大大提高了供電可靠性；但其缺點也非常明顯，會產生弧光重燃過電壓，所以對系統絕緣水平的要求較高[1]。中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡稱上海石化)10 kV/6 kV系統基本以中性點不接地方式運行，這些系統大部分已運行超過20年。由于電纜終端頭或電纜中間接頭的老化、電機長時間或周期性過熱致絕緣狀況惡化等因素，上海石化近期多次出現中性點不接地系統在運行期間發生單相接地故障。發生的故障中，由于接線錯誤，造成了高壓電動機開關錯誤跳閘，或由于在零序電流方向設置方面的不完善，系統保護啟動后因發生誤報、不報等錯誤信息，加大了故障判斷的難度，延長了故障處理的時間，這對于系統非故障相長時間處在線電壓運行帶來隱患(如極易擴大事故范圍等)，或因絕緣長時承壓對系統日后的運行埋下隱患。

中性點不接地系統發生單相接地時，故障電流只是各元件對地電容所流過的電流，數值較小，采用零序電流互感器(TA)并使用符合靈敏度要求的接地故障檢測元件，依據電流、電壓量輸入，這樣的靈敏接地故障保護可以實現零序電流和零序電壓接地故障檢測、接地選相、接地方向判定等功能。本文著重對零序電流方向保護原理進行分析，并舉例介紹中性點不接地系統單相接地的繼電保護應用及系統改進。

1 零序電壓和零序電流

中性點不接地的三相系統在正常運行時，A、B、C三相電源相電壓UA、UB、UC是對稱的，電源中性點的電壓為零。導線全長都分布了電容，假定各相導線對地的電容是相等的，故各相所流過的電容電流也是對稱的。

1.1 零序電壓的變化

當中性點不接地系統發生單相接地故障時，零序電壓將發生明顯變化，具體見圖1，2。

ICA、ICB-A相、B相電源對地電容電流；IC-接地點K流過的A相、B相電容電流之和；U0-中性點對地電壓

UKA、UKB-A相、B相電源對地電壓

當C相在K點發生金屬性接地時，三相電源對地電壓分別為：

(1)

式中：U0——中性點對地電壓。

故障點K的零序電UK0為

(2)

1.2 零序電流的變化

在實際運行中，電力網中有電源及多條線路，當發生單相接地故障時，電容電流的分布如圖3所示。電源和每條線路均有對地電容存在，以CG、CⅠ、CⅡ和CⅢ等集中電容來表示。

在線路Ⅲ上C相的K點發生單相接地故障后，如果忽略了負荷電流和電容電流在線路阻抗上的壓降，則全系統C相對地電壓均為零，從而C相對地的電容電流亦為零。

(1)非故障線路

由圖3可見：在非故障線路I上，C相電流為零，A相和B相中流過其自身的電容電流為ICAⅠ和ICBⅠ，因此在該線路始端所反應的零序電流I0Ⅰ為：

3I0Ⅰ=ICAⅠ+ICBⅠ

(3)

當電力網中線路有多條時，上述結論適用于每一條非故障線路。

(2)電源側線路

電源G的A相和B相也有對地電容電流ICAG和ICBG，由圖3可見：在電源的出線端各線路的電容電流由于從電源的C相流入后又分別從A相和B相流出，因此，相加后相互抵消，而只余電源自身的電容電流,見式(4)。

3I0G=ICAG+ICBG

(4)

(3)故障線路

對于故障線路Ⅲ，接地點K流回全系統A相和B相對地電容電流的總和，其值為：

圖3 單相接地時電容電流的分布情況

IC=(ICAⅠ+ICBⅠ)+(ICAⅡ+ICBⅡ)+

(ICAⅢ+ICBⅢ)+(ICAG+ICBG)

(5)

接地點的電流要從C相流回電源，因此，從C相流出的電流為ICⅢ= -IC，這樣，從故障線路Ⅲ始端流過的零序電流為：

3I0Ⅲ=ICAⅢ+ICBⅢ+ICⅢ

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

= -(ICAⅠ+ICBⅠ+ICAⅡ+ICBⅡ+ICAG+ICBG)

(6)

其絕對值

3I0Ⅲ= 3UPHω(C∑-CⅢ)

(7)

式中：Uph——相電壓；

ω——角頻率，rad/s；

C∑——全系統各相對地電容的總和。

由式(7)可見：發生一點接地后流經故障線路的零序電流，其數值等于全系統非故障元件對地電容電流之總和(不包括故障線路)[2]。

2 零序電流方向判定

2.1 零序電流的取得

零序電流的取得可用3個單相的電流互感器構成零序電流濾過器，但使用3個單相的電流互感器存有誤差，即使三相電流對稱，在它的二次側也會有不平衡電流輸出；且單相接地時的電容電流并不大，反應不靈敏。故更多采用的方式是通過接入零序TA直接取得該幅值。

2.2 零序電壓的取得

零序電壓的取得有自產與外接兩種方式。

外接零序電壓的方式是從電壓互感器開口三角處取得。電壓互感器的三相繞組首尾相連成開口三角形，開口三角形處輸出的電壓就是三相電壓之和，也即是零序電壓。

2.3 方向判定

按傳統方式規定，零序電流以母線流向被保護線路方向為正方向，零序電壓是以母線指向大地為正方向。

圖4 中性點不接地系統單相接地故障時的矢量分布

當單相接地故障發生于非本線路時，流過本線路的電流為本身對地電容電流(見式(3))，方向為從母線流向線路，以I0表示。對于一般線路，由于線路電阻及非完全金屬性接地的弧光電阻等原因，I0與U0并不嚴格的成90°，一般約為70°(最小角度一般不小于45°)。當故障發生在本線路時，流過被保護線路的零序電流為全系統所有非故障元件對地電容電流之和(見式(6))，以3I0表示，其方向與I0相反。

接地方向判定的依據可用零序有功(或無功)功率的方向與相應的零序電流的有效分量，決定于3I0與U0的相角關系，另外須考慮到容性電流的絕對優勢，圖4中，3I0的無功分量oc遠較有功分量od為大，I0的無功分量ob遠較有功分量oa為大。因此，中性點不接地系統中利用零序無功功率具有更高的靈敏度。因零序無功功率Q=U0(3I0)sinα，故對于不同方向的接地故障，利用零序無功功率的正負號即可方便地加以區分。

另外，由中性點不接地系統單相接地故障時的象限示意(圖5)可以看出：若零序無功功率是正的(Q>0)，故障被認為是朝向被保護設備方向的(正向)；若零序無功功率是負的(Q<0)，故障就被認為是相反方向的(反向)。

P-有功功率；Q-無功功率；

3 應用

零序電流方向判定的成功與否，主要與零序電流互感器安裝、二次接線及接地故障檢測元件的設置等密不可分，以西門子7SJ系列微機為例進行說明。

3.1 安裝與接線

零序電流互感器如圖6所示，電纜從零序電流互感器鐵心中央孔穿過時，要將電纜頭與支架絕緣隔開，并將電纜頭的接地線穿過電流互感器的鐵心中央孔后再接地。當系統發生單相接地故障時，系統的接地電流經由故障線路電纜外皮入地，這樣可使電纜外皮與接地線中的電流抵消；而在正常運行情況下，還可減小零序回路的誤差電流。

(a)安裝圖

(b)電流走向

電流和電壓回路應按同極性分別與電流互感器和電壓互感器相連接，否則繼電保護裝置不能正常工作。為確保正確性，設置安裝、接線標準，并按表1(零序電流方向保護標準安裝、接線表)進行安裝、接線及檢查。

表1 零序電流方向保護標準安裝、接線表

注：(1) L1、L2為同名端；若電纜由零序電流互感器正面L1側穿入，則L1、K1為同名端；

(2)K1為零序電流互感器極性端；K2為零序電流互感器接地端；

(3) Q8、 Q7、 R17、R18均為西門子7SJ系列繼電保護裝置接線端子。

3.2 設置

當輸入電壓和電流的幅值不變時，其輸出值隨兩者間相位差的大小而改變，輸出為最大時的相位差稱為繼電保護裝置的最大靈敏角[3]。知道了繼電保護裝置的最大靈敏角，就可知道該繼電保護裝置最靈敏的動作角度、繼電保護裝置的動作區(在最大靈敏角兩邊擴展不大于90°的范圍內)。

帶方向保護的繼電保護裝置均能提供方向特性曲線。為完成接地方向判定功能，繼電保護裝置需要用戶根據不同的系統確定相應的方向特性曲線并確定用于方向判定的零序電流有效分量的起動值。這主要通過輸入3個整定參數來實現。

(1)“MEAS.METHOD”地址“3125”：方向判別的測量類型。中性點不接地系統中須選擇以“SIN phi”的測量類型。

(2)“PHI CORRECTION”地址“3124”：以上述選擇的測量類型為基礎的方向判別的校正角，整定范圍為(-45°～45°)。例如，不接地系統中與母線相連的電動機，由于接地電流常是電阻-電容性電流，將以“COS Phi”測量的方向特性偏轉45°可以獲得更高的靈敏度。

(3)“RELEASE DIRECT”地址“3123”：用于方向判定的有效分量的起動值，整定范圍3～1 200 mA。這是因為，一方面，方向判定與零序電流檢測段結合一起使用，另一方面，零序電流檢測段計算的是接地電流的幅值，而“RELEASE DIRECT”僅計算與方向特性曲線垂直的有效分量，它總是小于或等于接地電流幅值。所以，“RELEASE DIRECT”的整定值應小于上述相應零序電流幅值段定值。

3.3 靈敏度與系統改進

為了使接地保護有選擇性動作，零序電流保護的啟動電流須按大于本線路的電容電流整定

IK.act= Krel3I0

= Krel3UPHωC

(8)

式中： Krel——可靠因子，它的大小與保護的動作時間有關。瞬時動作的零序電流保護取4～5，延時動作的零序電流保護取1.5～2；

3I0——本線路的零序電容電流；

C——本線路的對地電容。

例如在線路Ⅲ上發生接地，本線路保護的靈敏度因子為

(9)

式中，Ksen為靈敏因子，對電纜線路應大于1.25，對架空線路應大于1.5。

由式(9)看出：只有當線路數目較多時，才有足夠的靈敏度；隨著線路數目的減少，靈敏度也會隨之降低；當存在只有極少數線路運行的特殊方式下，實現這種保護是有困難的。此時可利用接地時故障相和非故障相電容電流方向相反的特點，以及降低用于方向判定的零序電流有效分量的起動值，實現零序電流方向保護。

當線路很長時，接地電容電流就會過大，超過臨界值，接地電弧將不能自熄，容易形成間歇性的弧光接地或電弧穩定接地。間歇性的弧光接地能導致危險的過電壓；穩定性電弧接地會導致相間短路。對于10 kV及以下電力網，接地電流不超過30 A；對于35kV電壓等級電力網，接地電流不超過10 A時，接地電弧通常可以自行熄滅。當單相接地電流超過以上允許值時，可采用消弧線圈補償電容電流保證接地電弧瞬間熄滅，消除弧光間歇接地過電壓。

4 結語

10 kV/6 kV中性點不接地系統在上海石化的數量較多，該系統中與零序電流方向保護有關的設備，依據標準，采取逐一排查其安裝、接線以及繼電保護設置等環節，對發現的不符合現象及時安排整改，消除隱患以確保系統在單相接地故障來臨時保護裝置能正確動作。因上海石化具有連續性大生產等特點，系統計劃性檢修的次數較少且非同步性，所以即時整改不具備條件，同時還存在著不具有電流方向判定保護功能的繼電保護裝置。在這種情況下，需事先建立起每條線路的電容電流臺賬，當系統單相接地故障來臨、保護裝置又未正確動作時，可逐一翻閱繼電保護裝置中電容電流的顯示值，經與正常運行時的電容電流值對比、綜合分析判斷后，視情況選擇切斷電容電流數值最大的線路，可確保故障正確、及時消除，從而將對系統的影響減至最低。對于系統保護在無法滿足靈敏度要求的特殊情況，也提出了解決方案。

[1] 中國航空工業規劃設計研究院.工業與民用配電設計手冊[M].北京：中國電力出版社,2005：32.

[2] 藍之達.供用電工程[M].北京：中國電力出版社,1998：427.

[3] 江蘇省電力公司.電力系統繼電保護原理與實用技術[M].北京：中國電力出版社,2006：362.