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零序电流方向保护系统设计

在我国电力系统中, 一般110kv及以上电压等级的电网都采用中性点直接接地方式, 这类电网称中性点直接接地电网, 又称大接地电流系统。在这种电网中, 线路接地故障占线路所有故障的80%-90%。当发生接地短路时, 将出现很大的零序电流、零序电压, 而正常运营情况下, 它们是很小的。因此, 运用零序电流、零序电压来构成的接地短路保护, 就具有显著优点。
1、零序参数的产生
当电力系统出现不对称运营时, 就要出现零序电流。例如所有的接地故障, 单相重合闸过程中的两相运营, 变压器三相参数不同所引起的不对称运营, 三相重合闸和手动合闸时的三相断路器不同期, 空投变压器时产生的不平衡励磁涌流等等, 都会产生零序电流、零序电压.
2、零序参数的特点
(1)当系统任一点单相及两相接地短路时,网络中任何处的倍零序电压或电流的相量和, 即3U0=Ua+Ub+Uc或3I0=Ia+Ib+Ic
(2)系统零序电流的分布和变压器中性点接地的多少及位置有关。
(3)故障点的零序电压U0最高, 变压器中性点接地处的电压为0
(4)零序电流的方向由母线指向线路为正零序电压的方向是线路高于大地的电压为正。而零序功率S0=U0I0 故障点的电压U0最高, 故S0也最大。愈靠近变压器中性点接地处,S0愈小。在故障线路上,S0方向是由线路流向母线, 与正序功率方向相反
(5) 接地故障时, 零序电流与零序电压的相位关系凡与变电所和有关支路的零序阻抗角有关, 与故障点有无过渡电阻无关。
a）正方向接地故障, 如图1、2、3中,k点故障时, 零序网络中线路侧, 流过零序电流Im0母线M侧零序电压UM0为UM0=-IM0ZM0。, 其中ZM0为侧零序电源阻抗。

ZM0重要决定与变电所中性点接地变压器的零序阻抗, 所以阻抗角约为85o 以上。零序电压与零序电流相量关系如图3所示, 零序电压滞后零序电流约95o
b)反方向接地故障, 例如图4、5、6中, K点故障时, M侧保护零序电流为对侧所供电流, 即IM0=-IN0。若线路上没有插人任何感应零序电压, 则M侧母线零序电压为UM0=-IN0(ZN0+ZM0)= IM0(ZN0+ZM0)

ZN0为对侧变电所零序电源阻抗。ZL0为线路零序阻抗。ZN0+ZL0重要决定于线路阻抗, 所以阻抗角约为80o左右。零序电流与零序电压相量关系如图6所示, 零序电压超前零序电流80o左右。
3、零序电流保护的构成
零序电流保护可分为带方向的和不带方向的, 所谓不带方向的, 就是一个简朴的三段式零序过流保护。
零序电流速断保护范围不超过本线路的末端, 启动电流按如下原则整定。
(1)躲过被保护线路末端, 接地短路时的最大零序电流。
(2)躲过断路器三相触头不同时接通时, 所引起的最大零序电流。
(3)在装有重合闸的线路时, 应躲过非全相状态下, 发生震荡所出现的最大零序电流。通常设立两个零序保护段, 一个按条件(1)、(2)整定的零序Ⅰ段(称灵敏Ⅰ段), 重要任务对全相运营状态下, 接地故障起保护作用, 在单相重合闸启动时, 将其闭锁;另一个是按条件(3)整定的Ⅰ段(称不灵敏Ⅰ段), 装设的目的是在单相重合闸过程中, 又发生接地故障时起保护作用。
零序电流限时速断保护保护范围涉及整条线路, 启动电流按如下整定。
启动电流应与下一线路零序电流速断配合,即躲过下一线路零序Ⅰ段保护范围末端接地短路时, 通过本保护的最大零序电流, 动作时限取0.5s, 若灵敏度校验不合格, 则改用下面这种方法整定。与下一段线路零序电流限时速断保护相配合进行整定, 时限再抬高1～1.2s。
零序过电流保护启动电流按以下面原则进行整定。
(1)躲过相邻线路出口处三相短路时所出现的最大不平衡电流。
(2)启动电流按逐级配合原则整定, 即本线路零序过电流保护的保护范围不能超过相邻线路上零序过电流的保护范围。
带方向的零序电流保护即加人一个零序功率方向继电器, 以判断零序功率方向。零序功率方向继电器是比较零序电压与零序电流之间的相位关系来判断方向的。在大接地电流系统中, 假如线路两端的变压器中性点都接地, 当线路上发生接地短路时, 在故障点与各变压器中性点之间都有零序电流流过, 其情况和两侧供电的辐射形电网中相间故障电流保护同样。为了保证各零序电流保护有选择性的动作和减少定值, 就必须加装方向继电器, 构成零序方向电流保护, 使得零序方向电流保护在母线向线路输送零序功率时退出, 而线路向母线输送零序功率时投人。对的的零序功率方向继电器动作特性和接线, 应在被保护线路正方向接地故障时, 使零序电流与零序电压的相位关系进人继电器动作区的较灵敏部分。当电流自母线流向线路为正, 电压以线路高于大地为正时, 线路正方向故障, 零序电流超前零序电压180o-θ，θ为变电所变压器零序阻抗的阻抗角, 若θ为85o则零序电流超前零序电压约为95o

4、零序电流方向保护装置统一设计技术性能规定
1.装置应有5个电流元件，4个时间元件，1个零序功率方向元件。
2.装置应能实现:
(1)一般四段式保护。
(2)三段式保护，有两个第一段，低定值一段重合后带0. 1秒延时，延时回路应能维持3秒以上，以保证在对侧后合闸时，不致因开关三相合闸不同期而误跳闸，也可以接成第一段带时间的三段式保护。
(3)单相重合闸线路的三段式保护，有两个第一段或两个第二段，重合闸起动后可将定值躲但是非全相运营零序电流的第一段或第二段退出运营，重合闸后侧经全相运营判别回路延时0.1秒加速对本线路末端接地故障有足够灵敏度的第二段或第三段。最后一段时间在重合闸起动后可以缩短Δt。
3.装置中的一个灵敏电流元件，可以根据运营规定实现下列作用:
(1)接至相邻电流互感器零序回路，实现电流回路断线闭锁措施r其接点可引入控制所需要闭锁的保护段。
(2)作为高频闭锁保护起动发信用。
4.零序功率方向元件应能根据需要控制其一段或几段，其零序电压可直接接入3U0电压，但零序功率方向元件动作应有信号指示。
5.保护的瞬时段经方向元件控制时，方向元件接点应直接控制起动回路，而不靠重动继电器，以尽量缩短保护动作时间。
6.对保护延时段，机械型时间接点与电流元件接点应串接起动出口跳闸继电器，以尽量缩短保护返回时间。
7.手动合闸后加速保护动作时间应有0. 1秒延时。
8.对瞬时动作电流元件应采用措施减少直流分量和谐波分量对元件起动值的影响，由制造厂提供暂态误差数据;减少零序电流元件功耗。
9.装置应有配合收发讯机构成高频闭锁零序方向保护及配合综合重合闸的相应接点与回路。

5、电流保护调试中的常见问题
零序电流保护中零序过流部分往往没有问题。问题总是出现在零序功率方向上, 保护人员经常弄错。现场重要有两个问题：TA的极性问题、保护装置的内角问题。
5.1 TA极性问题
微机线路保护的零序电流取自三相TA星型接线方式形成的3I0，TA极性为母线指向线路为正方向。
5.2 保护装里的内角问题
20世纪90年代前常使用的零序方向电流保护, 一般采用内角为70o的零序功率方向继电器,施工中将3U0电压极性反接, 即接人装置电压为负3U0，零序电流回路同极性接人, 采用这样的接线方式, 最终实现零序方向电流保护功能。现在微机线路保护装置普遍采用自产3U0解决方案, 正常情况下不用外部3U0，TV断线后使用外接3U0，以南端RCS901A型保护代表。当TV断线时装置自动退出零序方向元件, 只保存不带方向的零序过流保护。而CLS103B型保护则是此外一种情况, 正常用自产3U0，TV断线后使用外接3U0 , 而外部3U0按同极性接入。

6、零序方向过流保护回路接线的对的性检查
为保证零序方向电流保护装置内部交流电流电压回路极性的对的性, 对新建项目的保护装置现场实验中, 必须通人电气量对其极性进行检查。
(1)对于南瑞RCS901系列, 线路保护装置,由于零序电压电流都是软件自产3U0、3I0不能专门对3U0、3I0极性检查, 但要在保护屏端子排分别加50V正序电压, 5A的正序电流, 通过管理插件液晶显示窗口检查电压与电流的相序及相位对的,就能证明保护装置的零序方向元件的对的性。
(2)对于CLS-100系列, 按以下方法检查3U0、3I0接线的对的性。将电流回路的IA与3I0之间串入A相电流, 将电压回路UA与3U0之间加入A相电压打印采样值, IA与3I0应为同相位, UA与3U0为同相位, 说明保护装置的零序功率方向元件对的。(3)带负荷测量零序功率方向继电器。零序功率方向继电器的具体接线见图9, 其中开口三角接线方式可有很多种, 为使其统一, 建议三相的二次线圈按如下编号,a-x、b-y、c-z分别表达a、b、c三相的二次低压线圈的两端, a、b、c分别为极性端。ad-xd、bd-yd、cd-zd表达开口三角辅助线圈两端, 其中ad、bd、cd为极性端, 开口三角接线的接地端选cd ,为N600, 然后zd与bd,yd与ad相连, 为便于模拟A相出口处接地, 将电压Ua的实验线编号为SA601, 最后引出xd, 编号L630, 这样引出开口三角电压Ud=-3U0。适于将L630直接引向方向继电器U*端, 将N600直接引向继电器的U-端, 即了Uj=Ud=-3U0。而电流回路3I0应当引向方向继电器电流输人的I*端流入, 从I-端流出, 即Il=3I0。模拟出口相接地短路, 在正常三相负荷对称, 电压正常时UA+UB+UC=0。模拟A相出口接地短路, 就是令UA=0,将开口三角输出电压中UA甩掉,将方向继电器U*端从L630搬到SA601同时将IA电流通过方向继电器I*、I-。具体做法是将IB、IC 两相电流完全从零序功率方向继电器的电流线圈外旁路。这样流过零序功率方向继电器的电压为Uj=-3U0=-UA+UB=UA。电流Ij=3I0=IA 阻抗为Zj=UA/IA, 也就是负荷阻抗。