基于中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)線路保護(hù)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(diǎn)非直接接地系統(tǒng)線路保護(hù)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(duì)接地的危害及其對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的影響,本文提出了幾種線路保護(hù)的方式,并進(jìn)行了比較，中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)線路保護(hù)的研究為相關(guān)電壓等級(jí)的電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了可靠保障。

電力系統(tǒng)；線路保護(hù)；安全運(yùn)行

0 引言

在我國(guó)電力系統(tǒng)中，中性點(diǎn)分為直接接地和非直接接地，在10KV、35KV的電力網(wǎng)中，中性點(diǎn)常采用非直接接地連接形式，中性點(diǎn)非直接接地的系統(tǒng)也被稱為小接地電流系統(tǒng)。在這一系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地相的對(duì)地電流的一般較小，接地相對(duì)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(duì)稱，對(duì)負(fù)荷基本沒(méi)有影響，因此規(guī)定允許繼續(xù)運(yùn)行1～2小時(shí)。但在實(shí)際運(yùn)行中可能會(huì)由于過(guò)電壓引發(fā)供電電纜爆炸、保險(xiǎn)熔斷、母線短路等事故，因此在實(shí)際運(yùn)行中，必須迅速確定系統(tǒng)接地點(diǎn)消除單相接地故障。

1 電網(wǎng)的電流保護(hù)

1.1 電流速斷保護(hù)

根據(jù)對(duì)繼電保護(hù)的動(dòng)作速動(dòng)性的要求，保護(hù)裝置切除故障的時(shí)間，必須滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定和供電可靠性要求。通常將反應(yīng)于電流增大而瞬時(shí)動(dòng)作的電流保護(hù)稱為電流速斷保護(hù)。

對(duì)反應(yīng)于電流升高而動(dòng)作的電流保護(hù)而言，能使該保護(hù)裝置動(dòng)作的最小電流值稱為保護(hù)裝置的啟動(dòng)電流，以Idz表示，只有當(dāng)實(shí)際的短路電流Id≥Idz時(shí)，保護(hù)裝置才能啟動(dòng)。保護(hù)裝置的啟動(dòng)值Idz所代表的意義是：當(dāng)在被保護(hù)線路的一次側(cè)電流達(dá)到或超過(guò)這個(gè)電流值時(shí)，安裝在該處的保護(hù)裝置就能動(dòng)作，低于該電流值時(shí)，保護(hù)裝置不能動(dòng)作。

1.2 電流速斷保護(hù)整定

從電路分析可知，當(dāng)電源電動(dòng)勢(shì)E一定時(shí)，短路電流大小取決于短路點(diǎn)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(wǎng)電源的相電動(dòng)勢(shì)；

Zd——短路點(diǎn)到保護(hù)裝置安裝處之間線路的阻抗；

Zs——保護(hù)裝置安裝處到電網(wǎng)電源之間線路的阻抗。

圖1 三段式電流保護(hù)的接線原理圖

其中

如三段式電流保護(hù)接線圖1所示，其中1LJ、3ZJ、4XJ構(gòu)成第Ⅰ段無(wú)時(shí)限電流速斷保護(hù)；2LJ、5LJ、7SJ、8XJ、構(gòu)成第Ⅱ段帶時(shí)限電流速斷保護(hù)；6LJ、9LJ、12SJ、13XJ構(gòu)成第Ⅲ段定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)。

2 電網(wǎng)的電壓、電流保護(hù)

2.1 階段式電壓、電流保護(hù)

電壓保護(hù)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(hù)裝置。電壓保護(hù)裝置一般由瞬時(shí)段、定時(shí)段組成，具備三段式階梯保護(hù)特性。

三段式階梯保護(hù)的Ⅰ、Ⅱ段稱為主保護(hù)段，第Ⅲ段稱為后備保護(hù)段。

2.2 電壓保護(hù)的整定計(jì)算

電力系統(tǒng)中，系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化對(duì)電流保護(hù)影響很大，要想在不增加動(dòng)作時(shí)限的條件下，大范圍地提高系統(tǒng)保護(hù)的靈敏性，可采用階段式電壓、電流保護(hù)。

2.2.1 電壓、電流瞬時(shí)速斷保護(hù)動(dòng)作電壓按下式計(jì)算確定

式中

Uop——低壓元件動(dòng)作電壓；

Uop2——負(fù)序電壓元件動(dòng)作電壓；K1

rel——可靠系數(shù)取≥1.3；Ik.max——取本線路對(duì)側(cè)或兩側(cè)故障的數(shù)值，對(duì)于允許伸入變壓器的保護(hù)裝置，在差動(dòng)保護(hù)為主保護(hù)時(shí)，Ik.max為變壓器其他電壓側(cè)故障時(shí)本線路最大三相短路電流；

UN——額定電壓；

I'op2——并聯(lián)運(yùn)行變壓器裝設(shè)的電流速斷定值；

n ——并聯(lián)運(yùn)行的變壓器臺(tái)數(shù)；

K'rel——電流速斷作為變壓器主保護(hù)時(shí)，變壓器速斷保護(hù)配合的可靠系數(shù)，取≥1.1。

電流元件按電流速斷保護(hù)整定原則整定，電壓整定值按被保護(hù)線路末端出現(xiàn)故障 時(shí)有足夠的靈敏系數(shù)進(jìn)行整定。

2.2.2 延時(shí)電流、電壓保護(hù)

（1）在相鄰線路電流、電壓元件均作為測(cè)量元件的瞬時(shí)速斷保護(hù)配合中，電壓整定值按保證測(cè)量元件末端出現(xiàn)故障時(shí)有足夠的靈敏系數(shù)進(jìn)行整定。

Zs.min——線路背側(cè)系統(tǒng)在最大運(yùn)行方式下的最小等值阻抗；

Es——系統(tǒng)等值相電勢(shì)；

ZL—— 本線路阻抗；

Uop.2——本線路負(fù)序電壓整定值；

Uop.2——相鄰線路瞬時(shí)速斷保護(hù)動(dòng)作電壓；

I1op.2——相鄰線路瞬時(shí)速斷保護(hù)動(dòng)作電流；

Kb.max——最大分支系數(shù)；

K2rel——可靠系數(shù)，取K2rel＞=1.1；

兩式計(jì)算結(jié)果取較大值作為電流定值。

（3）電壓閉鎖過(guò)電流保護(hù)

式中

圖2 三段電壓、電流保護(hù)的接線原理圖

三段式電壓、電流保護(hù)接線圖，其中1LJ、4ZJ、XJ構(gòu)成第Ⅰ段無(wú)時(shí)限電壓、電流速斷保護(hù)；2LJ、4YJ、ZJ、構(gòu)成第Ⅱ段帶時(shí)限電壓、電流速斷保護(hù)；3LJ、6YJ、XJ構(gòu)成第Ⅲ段電壓、電流速斷保護(hù)。

3 單相接地零序電流保護(hù)

3.1 零序電流速斷（Ⅰ段）保護(hù)

零序電流保護(hù)是在系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，反應(yīng)線路零序電流大小和方向的多段式電流保護(hù)裝置，在我國(guó)大短路電流接地系統(tǒng)的不同電壓等級(jí)電力網(wǎng)中，這種接地保護(hù)裝置被廣泛應(yīng)用。

零序保護(hù)的Ⅰ段的整定原則是當(dāng)本線路末端發(fā)生單相短路時(shí)，應(yīng)能躲過(guò)流經(jīng)保護(hù)裝置的最大零序電流。

零序保護(hù)的Ⅱ段在整定時(shí)，要與保護(hù)安裝處相鄰線路零序保護(hù)的Ⅰ段相配合，它既能保護(hù)本線路，也可以將保護(hù)延伸到相鄰線路。

作為Ⅰ、Ⅱ段的后備保護(hù)，零序保護(hù)的Ⅲ段在整定時(shí)，要與相鄰線路的Ⅱ段相配合。

3.2 零序電流限時(shí)速斷（Ⅱ段）保護(hù)

與相間短路限時(shí)電流速斷保護(hù)的原理一樣，零序Ⅱ段的起動(dòng)電流首先應(yīng)考慮與下一線路的零序電流速斷相配合，要有一個(gè)微小的時(shí)限，這樣，可以保證動(dòng)作的選擇性。

兩段保護(hù)之間，如果變電所母線上接有中性點(diǎn)接地的變壓器，受分支電路的影響，零序電流的分布會(huì)發(fā)生變化。這種情況下，可通過(guò)引入零序電流的分支系數(shù)K確定電流整定值。此時(shí)零序電流Ⅱ段保護(hù)的起動(dòng)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(guò)電流（Ⅲ段）保護(hù)

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

在零序過(guò)電流Ⅲ段保護(hù)中，繼電器的起動(dòng)電流整定，一般應(yīng)能避開(kāi)下一線路出口發(fā)生相間短路時(shí)，出現(xiàn)的最大不平衡電流I，引入可靠系數(shù)K，啟動(dòng)電流整定值為

同時(shí)還必須綜合考慮，保證各段保護(hù)之間的靈敏系數(shù)能夠相互配合。零序過(guò)電流保護(hù)的整定計(jì)算時(shí)，應(yīng)遵循按級(jí)配合的原則,不能越級(jí)保護(hù)。如兩級(jí)保護(hù)之間具有分支系數(shù)，保護(hù)裝置的起動(dòng)電流整定值為

式中

Kk——可靠系數(shù)，一般取為1.1～1.2；

K0fz——相鄰線路的零序電流Ⅲ段保護(hù)范圍末端發(fā)生接地短路故障時(shí)，線路中零序電流與流過(guò)本保護(hù)裝置中零序電流之比。

圖3 零序電流保護(hù)接線原理圖

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

3.4 單向接地零序功率方向保護(hù)

在雙側(cè)或多側(cè)電源的系統(tǒng)中，電源端變壓器的中性點(diǎn)至少有一臺(tái)必須接地，零序電流的實(shí)際方向是由故障點(diǎn)流向各個(gè)中性點(diǎn)接地的變壓器，因此在多臺(tái)變壓器接地的系統(tǒng)中，需要考慮零序電流保護(hù)動(dòng)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(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)有選擇性的保護(hù)，并動(dòng)作于信號(hào)或跳閘。這種方式適用于零序電流保護(hù)不能滿足靈敏系數(shù)的要求時(shí)和接線復(fù)雜的系統(tǒng)中。

除了上述保護(hù)方式外，還可以利用中性點(diǎn)非直接接地電網(wǎng)中單相接地故障時(shí)產(chǎn)生的高次諧波或故障過(guò)渡過(guò)程的某些特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

4 結(jié)論

上述這些保護(hù)方式各自適用于一定結(jié)構(gòu)和參數(shù)的中性點(diǎn)非直接接地的電網(wǎng)，各有一定的局限性和缺點(diǎn)。對(duì)于中性點(diǎn)非直接接地電力系統(tǒng)（小電流接地系統(tǒng)），首先應(yīng)根據(jù)具體情況，選擇恰當(dāng)?shù)慕拥剡\(yùn)行方式，再根據(jù)接地運(yùn)行方式選擇合適的保護(hù)裝置，確定保護(hù)方法，并選擇正確的計(jì)算公式進(jìn)行整定值計(jì)算，這樣才能保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

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