【继保原理】“简单又复杂”—零序电流保护简述

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前言：本期将为大家介绍一下零序电流保护，它只用于系统接地故障，相比于其他保护具有一定的优势，同时也有局限性，让我们具体了解一下吧。

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基本原理

在介绍零序电流保护之前，需要了解一下电网发生接地故障时的特点，通过零序序网图，我们可以更加直观的分析其特点。

（1）什么是零序序网图？

以图一的等值系统图为例，途中Es、Er为发电机，M、N侧代表母线。因为电力系统各元件可认为是线性的，假如在K点发生单相接地时（以A相为例），将故障点的电压分解为正序、负序和零序，即Uka=Uka1+Uka2+Uka0，同理对地电流Ika=Ika1+Ika2+Ika0

图一：故障点电气量分解图

我们再将其正序、负序和零序的序网图分别画出，以A相为例。Zs1、Zmk1、znk1、Zr1为其等效正序阻抗；同理下标为2和0的分别是其等效负序和等效零序阻抗。（值得注意的是，在零序网图中的N0有着不同的含义，因为零序电流要经过大地才能形成通路，N0代表是 接地中性点而不是系统中性点，因此零序网络一般与正、负序图有很大差别）

图二：各序序网图

上图中的最后一个就是零序网络了，我们在分析零序电流保护时，可以将其拿出来单独分析。

零序网图有以下几个特点：

1、零序网络中无发电机电动势；

2、各序网图各自独立，其中零序网络不包括负荷电流，因此零序电流保护在整定时不必躲过负荷电流；

3、在短路点处零序电压最大，因此零序方向元件没有电压死区；

4、零序电流必须“借助”大地形成通路，因此要看系统中性点是否接地。

（2）电力系统各元件的零序阻抗

①变压器的零序阻抗：变压器的零序阻抗与绕组接线方式、中性点是否接地以及铁芯结构有关。

简单说就是三角形绕组绕组接线（Yn,d)和中性点不接地的星形绕组接线(Yn,y)，零序电流不能Yn侧流到另一侧，无法形成通路。另外，对于三相三柱式的变压器而言，还要考虑励磁阻抗的影响。

②输电线路的零序阻抗：输电线路的零序阻抗应考虑互感抗的影响。对于无架空地线的单回线来说，零序阻抗可取正序阻抗的3.5倍；当有架空线路时，零序阻抗可取正序阻抗的2倍。

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影响零序电流大小的因素

（1）不同类型的接地故障，零序电流的大小也不相同

当系统在同一点发生发生单相接地故障和两相接地故障时，其流过短路点的零序电流也是不同的，根据对称分量法容易得到：

值得指出的是，一般正序阻抗和负序阻抗相等，上式中为Z1=Z2化简后的公式，所以零序电流不仅与零序阻抗有关，而且与正序阻抗、负序阻抗同样有关。

发电机虽然不出现在零序网图当中，但是它的正、负序网图会影响I_K0的大小，同样，系统中变压器运行的多少也会影响I_K0的大小。

（2）与背后系统和对端系统的中性点接地的变压器多少有关

图三：零序序网图

如上图所示，流过保护安装处的零序电流大小等于

通过上式我们可以看出，I₀和保护背后系统的和对侧系统的Z_r0有关，如果保护背后系统的中性点接地变压器越多时，Z_s0则越小；同理，对端系统的中性点接地变压器越多时，Z_r0则越小。以上两种情况流过保护的零序电流I₀会越大。

（3）与短路点的远近点有关

通过上述分析，如果短路点越近，则Z_nk0越大，保护处的零序电流I₀则越大；反之越小。

（4）零序电流保护定值的整定

对于三段式的零序保护来说，三段之间应该按照选择性来互相配合，达到迅速切除故障的目的：

❶瞬时速断的I段按照躲过本线路末端的接地短路时的最大零序电流来整定（这里我们忽略了断路器三相触头不同期合闸的情况），所以I段只能保护本线路的一部分，并且I段动作一般没有延时或延时很小t1（为躲过断路器三相触头不同期合闸时产生的不平衡电流）。

❷限时速断的II段应该保护本线路的全长，为保证选择性，应加一段延时t2。

❸定时动作的III段作为I段、II段的后备保护使用，并且再加一段延t3(t3应大于t2)，所以它的整定值很小，具有较高的灵敏性。

通过以上分析，我们可以看到，零序电流保护的原理虽然简单，但是其影响因素很多，整定计算很复杂，尤其是零序I段受电网运行方式的影响很大，有可能保护范围很小

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带零序方向的电流保护

对于双侧电源线路的保护来说，增加方向继电器可以提高其选择性和灵敏性，不必考虑与反方向保护配合的问题了。

零序方向继电器的基本就是比较零序电压和零序电流的相为来判断正、反方向的接短路。对于下图中M处的方向继电器F，我们规定零序电流的正方向为母线指向线路，零序电压的正方向为母线电压为正，中性点为负。

正方向短路： 

      

图四：正反向短路及向量图

发生正方向短路时，U₀=-I₀×Z_S0，设系统中各零序阻抗的阻抗角为80^o,那么零序电压超前零序电流的角度为

φ=arg( U₀/I₀ )=arg(-Z_S0)=-100^o

从上式我们可以看到，发生正向短路时，φ只和反方向的零序阻抗角有关，因此零序方向继电器不受过渡电阻的影响。

反方向短路： 

图五：反方向短路及向量图

发生反方向短路时，U₀= I₀×(Z_mk0+Z_nk0+Z_r0)，设系统中各零序阻抗的阻抗角为80^o,那么零序电压超前零序电流的角度为

φ=arg( U₀/I₀)=arg(Z_mk0+Z_nk0+Z_r0)=80^o

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零序电流保护的特点

优点：

1、零序电流的整定与负荷电流无关，其整定值一般较小，因此保护灵敏度高；

2、零序电流不受过度电阻的影响；

3、系统震荡时无零序分量，因此零序电流保护不受其影响；

缺点：

1、当系统发生两相短路或三相短路，零序电流保护就“无能为力”了；

2、受系统运行方式影响大，其整定计算较复杂；

3、受线间互感影响较大。

例如：在一定的情况下（双回线线间互感较大，电气联系较弱时），双回线中一条线路发生接地故障时，将可能造成另一条线路的零序方向继电器误判，造成保护误动。

思考题