如何保护大电流接地系统的接地？

1.零序电流、零序电压和零序功率的分布

图6-32所示为大电流接地系统中发生单相接地短路时的零序网络及零序电压的分布和相量关系。从图上可以看出：当发生单相接地时，在故障点出现了零序电压，规定零序电压的方向是线路高于大地为正。零序电流可以看成是由故障点的零序电压所产生的，它必须经过变压器的中性点形成回路。零序电流的方向，仍然采用由母线流向故障点为正。

图6-32　接地短路时的零序网络及零序电压的分布和相量关系

由图6-32所示零序网络可见，零序分量具有以下特点：

1）故障点的零序电压最高，离故障点越远，零序电压越低，变压器中性点接地处的零序电压为零。在保护安装处，母线A、B的零序电压分别为和，其大小主要决定于变压器T1和T2的零序电抗，而与被保护线路的零序电抗及故障点的位置无关。

2）零序电流的分布与中性点接地的位置和数目有关。例如，图6-32所示网络中发生单相接地短路时，有

式中，为短路点的零序电流，，其中为电源的合成电动势；分别为系统的综合正序、负序和零序电抗；分别为变压器T1和T2的零序电抗；分别为短路点两侧线路的零序电抗。

在图6-32中，若变压器T2的中性点不接地，则

3）零序功率由于故障点的零序电压最高，所以故障点的零序功率也最大。在故障线路上，零序功率的方向是由线路指向母线，与正序功率相反，因此，零序功率方向继电器都是在负值零序功率下动作的。

2.零序分量的获取方法

（1）零序电流的获取方法　架空线路的零序电流一般用零序电流滤过器获得，如图6-33a所示，三相电流互感器的二次电流相量相加后流入继电器。在正常运行时，三相电流对称，零序电流滤过器无零序电流输出，继电器不动作；当发生接地故障时，零序电流滤过器将输出零序电流，使相应的继电器动作。由于三个互感器的磁化特性不完全相同，所以即使三相电流对称，零序电流滤过器的输出电流也不等于零，总会有不平衡电流产生。

电缆线路的零序电流一般用零序电流互感器（零序变流器）获得，如图6-33b所示。零序电流互感器有一个铁心，三相电缆线穿过其铁心，从铁心上的二次绕组取出线路故障电流中的零序电流。因此，这个互感器的一次电流就是，只有当一次侧出现零序电流时，在互感器的二次侧才有相应的输出，故称它为零序电流互感器。和零序电流滤过器相比，其主要优点是没有不平衡电流，同时接线也简单。

（2）零序电压获取方法　为了取得零序电压，通常不用专门设置的零序电压滤过器，而使用电压互感器。一种方法是将三个单相电压互感器的二次绕组接成开口三角形来获取，如图6-34a所示；另一种方法是从三相五柱式电压互感器二次侧的开口三角形绕组来获取，如图6-34b所示。

3.大电流接地系统的零序电流保护

图6-33　零序电流的获取

a）零序电流滤过器　b）零序电流互感器

图6-34　零序电压的获取

a）　三单相式　b）　三相五柱式

在大电流接地系统中的零序电流保护是利用接地故障时出现零序电流的特点来构成的。对110kV及以上的单电源辐射形网络，通常采用三段式零序电流保护作为接地故障的主保护及后备保护。三段式零序电流保护的工作原理与一般的三段式过电流保护工作原理基本相同，第Ⅰ段为无时限零序电流速断保护，第Ⅱ段为带时限零序电流速断保护，第Ⅲ段为定时限零序过电流保护，其原理接线图如图6-35所示。

图6-35　三段式零序电流保护原理接线图

（1）无时限零序电流速断保护　无时限零序电流速断保护的作用原理与相间短路无时限过电流速断保护相似。为了保证选择性，其动作电流应躲过下一级相邻线路首端发生短路时，流过保护安装处的最大零序电流，即

式中，为可靠系数，取1.2～1.3；为相邻线路首端接地短路时，流过保护安装处母线侧的最大零序电流。

计算的运行方式是故障点的最小、保护安装侧变压器中性点接地最多、线路末端变压器不接地的运行方式，当时，采用单相接地短路，反之则采用两相接地短路作为计算短路类型。(www.xing528.com)

零序电流保护第Ⅰ段与一般的过电流保护第Ⅰ段一样，它只能保护本线路的一部分，但是由于线路的零序阻抗比正序阻抗大，故的曲线较陡，因此，零序电流保护第Ⅰ段的保护范围比一般的过电流保护第Ⅰ段大得多。此外，由于零序电流受运行方式的变化影响较小，因此它的保护范围也比较稳定。

零序电流保护第Ⅰ段的保护范围也应不小于本线路全长的15%～20%。

（2）带时限零序电流速断保护　带时限零序电流速断保护的作用原理与相间短路带时限过电流速断保护相似。它能够保护本线路全长，其动作电流应与下一级线路的零序电流保护第Ⅰ段相配合，保护范围不应超过下一级线路零序电流保护第Ⅰ段的保护范围。但是，当两个保护之间的变电所母线上接有中性点接地的变压器时，如图6-36所示，应考虑该变压器的影响。此时，零序电流保护第Ⅱ段的动作电流为

式中，为可靠系数，取1.1～1.2；为相邻下一级线路零序电流保护第Ⅰ段的动作电流；为分支系数，等于下一级线路零序电流速断保护范围末端接地短路时，流过故障线路和被保护线路的零序电流之比，应取最小值。

图6-36　带时限零序电流速断保护的作用原理

零序电流保护第Ⅱ段的动作时间应与下一级零序保护第Ⅰ段相配合，其动作时间一般取0.5s。

零序电流保护第Ⅱ段的灵敏度，应按最小运行方式下被保护线路末端发生接地短路时，流过保护的最小3倍零序电流来校验，要求。若灵敏度不满足要求，可改为与下一级线路的零序电流保护第Ⅱ段相配合。

（3）定时限零序过电流保护　定时限零序过电流保护的作用原理与相间短路过电流保护相似。它主要作为本线路接地短路的近后备保护和相邻元件接地短路的远后备保护。但在中性点接地电网中的终端线上，也可以作为接地短路的主保护使用。

零序电流保护第Ⅲ段的动作电流应躲过下一线路首端三相短路时，流过保护装置的最大零序不平衡电流，即

式中，为可靠系数，取1.2～1.3；为下一线路首端三相短路时，零序电流滤过器输出的最大零序不平衡电流。

根据经验，一般取零序电流保护第Ⅲ段电流继电器的动作电流为2～4A就可以躲开不平衡电流，又能保证保护的灵敏度。

零序电流保护第Ⅲ段的灵敏度，应按被保护范围末端发生接地短路时，流过保护的最小3倍零序电流来校验。作为近后备时，灵敏度校验点为本线路末端，要求；作为远后备时，灵敏度校验点为相邻线路末端，要求。由于较小，灵敏度一般均能满足要求。

零序电流保护第Ⅲ段的动作时间和相间短路的定时限过电流保护一样，也按阶梯原则整定，如图6-37所示。为便于比较，图中还给出了相间短路过电流保护的动作时限。由图可知，在同一线路上的零序过电流保护的动作时限比相间短路过电流保护的动作时限小，这是零序电流保护第Ⅲ段的一大优点。

图6-37　零序过电流保护的动作时限

4.方向性零序电流保护

在双电源和多电源的大电流接地系统中，为了保证接地故障时零序电流保护动作的选择性，与相间短路电流保护相似，常常也要加装零序功率方向继电器，以构成零序功率方向保护。零序功率方向继电器的原理接线图如图6-38a所示，其电流线圈接于零序电流滤过器回路，输入电流为；电压线圈接于电压互感器二次侧开口三角形绕组的输出端，输入电压为

功率方向继电器只反映被保护线路正方向接地短路时的零序功率方向。按规定的电流、电压正方向，当被保护线路发生接地短路时，超前约90°～110°，这时继电器应正确动作，并应工作在最灵敏的条件下，亦即继电器的最大灵敏角为-90°～-110°。而当前，在电力系统中实际使用的零序功率方向继电器都是把最大灵敏角制成70°～85°，即当从其正极性输入的滞后于按正极性端子输入的时，继电器最灵敏。为此，在使用零序功率方向继电器时，若以正极性端接入继电器电流线圈的极性端，则必须以负极性端接入继电器电压线圈的极性端，这时接入继电器的电流和电压分别为和，。由图6-38b所示的相量图可以看出，此时滞后，即，这就保证了正方向发生接地故障时继电器工作在最灵敏的状态下。

由于接地故障点的零序电压最高，所以当接地故障位于保护安装处附近时，不会出现零序方向继电器的电压死区。但当接地故障点距保护安装处很远时，由于保护安装处的很小，它可能拒动，为此，必须校验零序功率方向继电器的灵敏度，即

图6-38　零序功率方向继电器的原理接线图和相量图

a）原理接线图　b）接入和的相量图

式中，为保护区末端接地短路时，保护安装处的最小零序功率；为零序功率方向继电器的动作功率。

根据规程要求，用于后备保护中的零序功率方向继电器，在本线路末端接地短路时（近后备），；在下一线路末端接地短路时（远后备），