零序电流保护的二、三段式方法

在大接地电流系统中的零序电流保护是利用中性点直接接地系统中发生接地故障时出现零序电流的特点而构成的。对110k V及以上的单电源辐射形网络，常常采用无方向的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由以下三部分组成：

（1）无时限零序电流速断保护，又称零序Ⅰ段保护。

（2）带时限零序电流速断保护，又称零序Ⅱ段保护。

（3）零序过电流保护，又称零序Ⅲ段保护。

从保护构成情况来看，三段式零序电流保护与三段式相间电流保护类似，其主要区别在于零序电流保护的测量元件反映的是零序电流，而不是相间短路电流。

1.零序电流Ⅰ段

无时限零序电流速断保护与反映相间短路的电流Ⅰ段在动作原理上是相似的。当在被保护线路上发生接地短路时，有零序电流3I 0流过保护。为了保证保护的选择性，其零序电流Ⅰ段动作电流按下述原则整定：

（1）躲过被保护线路末端单相或两相接地短路时流过保护的最大3倍零序电流整定，即

式中　3I0.max——被保护线路末端单相或两相接地时的最大3倍零序电流；

——零序Ⅰ段的可靠系数，一般取1.2～1.3。

可见零序Ⅰ段与电流Ⅰ段一样，它是按躲开末端短路整定，因此它也只能保护本线路的一部分。但是，由于线路的零序阻抗较正序阻抗大（x0＝2～3.5x1），因此零序Ⅰ段的保护范围比相间电流Ⅰ段大得多。另一方面，由于零序电流受运行方式的变化影响小，因此它的保护范围也比较稳定。

（2）躲过断路器三相触头不同而合闸时所出现的最大零序电流即

式中　KK——可靠系数，一般取1.1～2.2；

　　　I0.bt——三相触头不同而合闸时，出现的最大零序电流。

　　　I0.bt的计算可按一相断线或两相断线的公式计算，但比较繁杂，若保护动作时间大于断路器三相不同期合闸时间（快速开关），本条件可不考虑。

（3）在220k V以及以上的电网中普遍采用综合重合闸，若在非全相运行时，又发生振荡，此时出现较大的零序电流，可能使零序Ⅰ段误动。为此，用综合重合闸闭锁零序Ⅰ段（按条件（1）、（2）整定的零序Ⅰ段称为灵敏Ⅰ段），为了保证此时仍有快速的零序保护，特增设一个不灵敏的零序Ⅰ段，它按躲过非全相振荡时出现的最大零序电流整定。即

式中　KK——可靠系数，一般取1.1～2.2；

　　　I0.zhd——非全相振荡时的零序电流。

综上所述，零序电流Ⅰ段分为两种，零序灵敏Ⅰ段的动作电流按条件（1）、（2）中较大值来整定；零序不灵敏Ⅰ段按条件（3）整定。

2.零序电流Ⅱ段

零序Ⅱ段即带时限零序电流速断保护，它的原理及整定计算与用于相间短路保护的电流Ⅱ段相似。它能够保护线路全长，但在时间上要比相邻下一线路的零序Ⅰ段长一个时限Δt。

它的动作电流应与下一线路的零序Ⅰ段相配合，为了保证选择性，其保护范围不应超过下一条线路的零序Ⅰ段的保护范围。

但是，当两个保护之间的变电站母线上接有中性点接地的变压器时，需要考虑该变压器分流的影响。当下一级线路发生接地短路时，流过下一级线路零序电流保护与本线路零序电流保护的零序电流分别为I 0.BC和I 0.AB，两者之差就是流经该变压器中性点的零序电流，该电流称为“分支电流”。在零序Ⅱ段整定中，必须考虑这个分支电流的影响；分支电流的影响可以引入一个分支系数的概念，即

式中　K0.fz——零序电流的分支系数，当变压器中性点接地时，K0.fz＞1，当变压器中性点不接地时，K0.fz＝1。

此时，零序Ⅱ段的动作电流定义公式为

式中　——零序Ⅱ段的可靠系数，一般取1.1～1.2。

式（415）的意义为本线路的零序Ⅱ段应与下一级线路的零序Ⅰ段相配合，并考虑两个保护之间中性点接地变压器分流的影响。

若灵敏度校验不合格时，可考虑与相邻线路零序Ⅱ段相配合。按与相邻下一线路零序Ⅱ段配合进行整定时，有

式中　——相邻下一条线路零序Ⅱ段的动作电流。

零序Ⅱ段动作时间的整定方法如下：

（1）当零序Ⅱ段的动作电流与下一条相邻线路的零序Ⅰ段配合时，有

（2）当零序Ⅱ段的动作电流与下一条相邻线路的零序Ⅱ段配合时，有

若零序电流保护与综合重合闸配合使用时，通常设置两个零序Ⅱ段，一个叫灵敏Ⅱ段，按式（415）整定；一个叫不灵敏Ⅱ段，按式（416）整定，与下一条相邻线路的不灵敏Ⅰ段配合。

3.零序电流Ⅲ段(www.xing528.com)

零序Ⅲ段的作用与相间短路的过电流保护类似，在一般情况下用作本线路接地故障的近后备保护和相邻元件接地故障的远后备保护，但在中性点直接接地电网中的终端线路上，它也可以作为接地短路的主保护使用。

零序Ⅲ段的动作电流的整定可以分为三种情况：

（1）本线路零序过电流保护的动作电流原则上应躲开本线路末端三相短路时的最大不平衡电流，即

式中　——零序段的可靠系数，一般取1.2～1.3；

Ibp.max——本线路末端发生三相短路时的最大不平衡电流。

根据运行经验，一般取零序Ⅲ段的动作电流为2～4A就可以既能躲开不平衡电流，又能保证保护的灵敏度。

（2）与相邻线路零序Ⅲ段保护进行灵敏度配合，为此，零序Ⅲ段的启动电流必须进行逐级配合。零序Ⅲ段的动作电流为

式中　KK——配合系数，一般取1.1～1.2；

K0.fz——分支系数，其值等于相邻线路上发生接地短路时，流经相邻线路与本线路的零序电流之比，在计算中考虑两级线路之间变压器对零序电流的分流作用。

——下一级线路零序Ⅲ段动作电流。

（3）如果在保护安装电网中，任一线路允许非全相运行，则动作电流应躲过非全相运行时出现的零序电流。

式中　——Ⅲ段的可靠系数，一般取1.2～1.3；

I0.fqx——本线路非全相运行时，所出现的最大零序电流。

根据以上三个条件所确定的动作值，取较大者作为保护1零序Ⅲ段的动作值。

零序Ⅲ段的动作时间和相间短路的定时限过电流保护一样，也按阶梯型原则整定。

4.零序电流Ⅳ段

根据四统一设计的微机零序电流方向保护还设置有零序Ⅳ段。对于不同电压等级电力网和各种重合闸方式的不同要求，单纯三段式零序电流方向保护很难满足要求；对于旁路断路器上的保护，由于它要代替的线路保护较多，为了运行方便，一般也要多设几段保护。因此微机零序电流保护还设置了零序电流Ⅳ段。

它的整定原则如下所述。

（1）本线路经高电阻接地，有足够高灵敏度。一般为

（2）与相邻线路零序Ⅲ配合，则

式中　——相邻线路零序Ⅲ段的动作值。

（3）与相邻线路零序Ⅳ段配合，则

式中　——相邻线路零序Ⅳ段动作值。

选择以上较大值作为零序Ⅳ段的动作值。

实际上，零序Ⅳ段的动作值很小，在非全相运行时零序电流可能超过这个动作值而引起保护动作，因此零序Ⅳ段时间元件的整定必须使保护躲过重合闸周期。由于零序Ⅳ段动作值低，有足够高的灵敏度，在微机保护中常用该段动作值作为保护的零序辅助启动元件，与相电流差突变量元件一起担负启动的功能。

一般地，零序电流保护配置如下：系统全相运行时设置四个灵敏段，即零序Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段和Ⅳ段；若系统可能非全相运行，则还应设置两个不灵敏段，即瞬时动作的不灵敏Ⅰ段和带延时的不灵敏Ⅱ段。

5.零序功率方向元件

在双侧或多侧电源中性点直接接地电网中，电源处变压器中性点一般至少有一台是接地的。由于零序电流的实际流向是由故障点流向各个中性点接地的变压器。因此，在变压器接地数目比较多的复杂网络中，就要考虑零序电流保护动作的方向性问题。

取保护安装处零序电流的正方向为由母线指向线路方向，零序电压的方向是线路高于大地的电压方向，为正方向。零序功率方向继电器用来比较零序电流与零序电压的相位关系。故障点零序电流和零序电压之间的关系为

式中　Z0FF——零序综合序阻抗。

保护安装处母线上的零序电压为

式中　Z0S——保护背后零序网络由母线到中性点的等效零序阻抗，其相角φ0S为75°～90°。

因此零序功率方向继电器的最灵敏角一般取为-110°，即当超前时最灵敏。重要的是φ0B与故障点处的接地过渡电阻无关，因此零序功率方向继电器永远工作在最灵敏角处。