中性点直接接地电网接地短路故障的特点分析

1.接地短路故障分析

中性点直接接地方式，即将中性点直接接入大地。我国110 kV 及以上电压等级的电网均采用大接地电流系统。统计表明，在大接地电流系统中发生的故障，绝大多数是接地短路故障。因此，在这种系统中需装设有效的接地保护，并使之动作于跳闸，以切断接地的短路电流。从原理上讲，接地保护可以与三相星形接线的相间短路保护共用一套设备，但实际上这样构成的接地保护灵敏度低（因继电器的动作电流必须躲开最大短路电流或负荷电流）、动作时间长（因保护的动作时限必须满足相间短路时的阶梯原则），所以普遍采用专门的接地保护装置。下面以图2−1−1 为例，分析接地短路故障的特点。

在电力系统中发生接地短路时，如图2−1−1（a）所示，可以利用对称分量法将电流和电压分解为正序、负序和零序分量，并利用复合序网来

图2−1−1　接地短路时的零序等效网络

（a）系统接线；（b）零序网络；（c）零序电压的分布；（d）忽略电阻时的相量图； （e）记及电阻时的相量图（设φk0=80°）

表示它们之间的关系。短路计算的零序网络如图2−1−1（b）所示，零序电流可以看成在故障点出现一个零序电压Uk0 而产生的，它必须经过变压器接地的中性点构成回路。对零序电流的方向，仍然采用母线流向故障点为正，而零序电压的方向，是线路高于大地的电压为正，如图2−1−1（b）中的“↑”所示。

由上述等效网络可见，零序分量的参数具有如下特点：

（1）故障点的零序电压越高，系统中距离故障点越远处的零序电压越低，零序电压的分布如图2−1−1（c）所示，如在变电所A 母线上零序电压为UA0、变电所B 母线上零序电压为UB0 等。

（2）由于零序电流是Uk0 产生的，当忽略回路的电阻时，按照规定的正方向画出零序电流和零序电压的相量图，如图2−1−1（d）所示， 0I′和I0′′将超前Uk0 90°。计及回路电阻时，例如，取零序阻抗角为φk0 = 80°，如图2−1−1（e）所示，I 0′和 I0′将超前Uk0 100°。

零序电流的分布主要取决于送电线路的零序阻抗和中性点接地变压器的零序阻抗，而与电源的数目和位置无关，如在图2−1−1（a）中，当变压器T2 的中性点不接地时， 0I′=0。

（3）对于发生故障的线路，两端零序功率的方向与正序功率的方向相反，零序功率的方向实际上都是从线路到母线。

（4）从任一保护（如保护1）安装处的零序电压与零序电流之间的关系看，由于A 母线上的零序电压UA0 实际上是从该点到零序网络中性点之间零序阻抗上的电压降，因此可表示为

式中 XT1.0——变压器T1 的零序阻抗。

该处零序电流与零序电压之间的相位差也将由XT1.0 的阻抗角决定，而与被保护线路的零序阻抗及故障点的位置无关。

（5）在电力系统运行方式变化时，如果送电线路和中性点接地的变压器数目不变，则零序阻抗和零序网络就是不变的。但此时，系统的正序阻抗和负序阻抗要随着运行方式而变化，正、负序阻抗的变化将引起Uk1、Uk2、Uk3 之间电压分配的改变，从而间接地影响零序分量的大小。

2.零序电流过滤器

要构成专门的接地保护，就需要取出零序电流（或零序电压），根据对称分量的表达式，将三相电流互感器二次侧同极性端并联，构成零序电流过滤器，如图2−1−2所示。

将三相电流同极性相加，其输出的量是三相电流之和，即零序分量电流。不对称电流中使用对称分量法分解出来的正序、负序电流都是对称电流，三相电流之和等于零，因此没有输出。只有零序分量电流的三相大小相等、方向相同。在实际使用中，零序电流过滤器不需要专门的电流互感器，而需要接入相间保护用电流互感器的中线。

由图2−1−2所示电路可知，流入继电器的电流为

三相系统单相接地时 电容电流分布图 （动画/视频）

图2−1−2　零序电流过滤器(https://www.xing528.com)

只有接地短路故障时才产生零序电流，正常运行和相间短路时不产生零序电流，理想情况下继电器不会动作。但实际上三相电流互感器的励磁特性不一致，继电器中会有不平衡电流流过。设三相电流互感器的励磁电流分别为则流入继电器的电流为

式中 TAn ——电流互感器变比；

——不平衡电流，

在正常运行时，不平衡电流很小，在相间短路故障时互感器一次电流很大，铁芯饱和使不平衡电流增大。接地保护的动作电流应躲过此时的不平衡电流，以防止误动作。当发生接地短路时，在零序电流过滤器输出端有的电流输出，但相对于一般很小，可以忽略，零序保护即可反应于这个电流而动作。

3.零序电流互感器

零序电流互感器是一种利用单相接地短路故障线路的零序电流值较非故障电路大的特征，取出零序电流信号使继电器动作，实现有选择性跳闸或发出信号的装置。对于采用电缆引出的线路，广泛采用零序电流互感器取得零序电流，如图2−1−3所示。零序电流互感器套在电缆的外面，电缆穿过变流器（零序电流互感器）的铁芯为一次绕组，即零序电流互感器一次电流是二次绕组绕在铁芯上并与电流继电器串联。正常运行或三相对称短路时，没有零序电流；单相接地时，有接地电容电流通过铁芯，在一次侧通过零序电流时，零序电流互感器二次侧才有相应的输出，使继电器动作，故称为零序电流互感器。它的优点是不平衡电流小、接线简单。

图2−1−3　零序电流互感器

（a）结构；（b）接线

感知你的电气量

发生接地短路故障时，接地电流不仅可能在地中流动，还可能沿着故障线路电缆的导电外皮或非故障电缆的外皮流动；正常运行时，地中杂散电流也可能在电缆外皮上流过。这些电流可能导致保护的误动作、拒绝动作或使其灵敏度降低。为了解决这个问题，在安装零序电流互感器时，就使电缆头与支架绝缘，并将电缆头外皮的接地线穿过零序电流互感器的铁芯窗口后再接地（见图2−1−3）。这样，沿电缆外皮流动的电流来回两次穿过铁芯，互相抵消，因此在铁芯中不会产生相应磁通，也就不会影响保护的正确工作。

4.零序电压互感器

为了获取零序电压，需采用零序电压互感器。构成零序电压互感器时，必须考虑零序磁通的铁芯路径，所以采用的电压互感器铁芯类型只能是三个单相的或三相五柱式的。其一次绕组接成星形，并将中性点接地，其二次绕组顺极性接成开口三角形，即首尾相连，如图2−1−4（a）、（b）所示，以获得零序电压。

图2−1−4　零序电压互感器

（a）由三个单相电压互感器组成；（b）由三相五柱式电压互感器组成； （c）由发电机中性点电压互感器（零序电压互感器）取得零序电压

输出电压为

对于正序或负分量的电压，因三相相加等于零，没有输出，因此，这种接线就是零序电压互感器，只输出零序电压。

当发电机（或变压器）中性点经电压互感器或消弧线圈接地时，可直接通过它们的二次侧取得零序电压。因发电机（或变压器）中性点对地的电压值即零序电压的值，如图2−1−4（c）所示。

实际上在正常运行和电网相间短路时，由于零序电压互感器的误差及三相系统对地电压不平衡，在开口三角形侧会有数值不大的电压输出，此电压称为不平衡电压，零序电压保护应躲过其影响。

微机保护根据数据采集系统得到的三相电压值再用软件进行矢量相加得到3U0 值，这种方式称为自产3U0 方式，在线路保护中3U0 主要用于在接地短路故障时判别故障方向。

目前零序电压的获取大多数采用自产3U0 方式，只有在TV 断线时才改用开口三角形绕组处的3U0。