中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)零序電流方向判定及應(yīng)用

孫建忠

(上海煉安工業(yè)設(shè)備安裝有限公司， 201512)

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，其優(yōu)點(diǎn)是不形成短路回路，通過接地點(diǎn)的電流僅為接地電容電流，系統(tǒng)可以帶故障運(yùn)行一段時(shí)間，以便查找故障線路，因而大大提高了供電可靠性；但其缺點(diǎn)也非常明顯，會(huì)產(chǎn)生弧光重燃過電壓，所以對(duì)系統(tǒng)絕緣水平的要求較高[1]。中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱上海石化)10 kV/6 kV系統(tǒng)基本以中性點(diǎn)不接地方式運(yùn)行，這些系統(tǒng)大部分已運(yùn)行超過20年。由于電纜終端頭或電纜中間接頭的老化、電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間或周期性過熱致絕緣狀況惡化等因素，上海石化近期多次出現(xiàn)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)在運(yùn)行期間發(fā)生單相接地故障。發(fā)生的故障中，由于接線錯(cuò)誤，造成了高壓電動(dòng)機(jī)開關(guān)錯(cuò)誤跳閘，或由于在零序電流方向設(shè)置方面的不完善，系統(tǒng)保護(hù)啟動(dòng)后因發(fā)生誤報(bào)、不報(bào)等錯(cuò)誤信息，加大了故障判斷的難度，延長(zhǎng)了故障處理的時(shí)間，這對(duì)于系統(tǒng)非故障相長(zhǎng)時(shí)間處在線電壓運(yùn)行帶來隱患(如極易擴(kuò)大事故范圍等)，或因絕緣長(zhǎng)時(shí)承壓對(duì)系統(tǒng)日后的運(yùn)行埋下隱患。

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，故障電流只是各元件對(duì)地電容所流過的電流，數(shù)值較小，采用零序電流互感器(TA)并使用符合靈敏度要求的接地故障檢測(cè)元件，依據(jù)電流、電壓量輸入，這樣的靈敏接地故障保護(hù)可以實(shí)現(xiàn)零序電流和零序電壓接地故障檢測(cè)、接地選相、接地方向判定等功能。本文著重對(duì)零序電流方向保護(hù)原理進(jìn)行分析，并舉例介紹中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地的繼電保護(hù)應(yīng)用及系統(tǒng)改進(jìn)。

1 零序電壓和零序電流

中性點(diǎn)不接地的三相系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，A、B、C三相電源相電壓UA、UB、UC是對(duì)稱的，電源中性點(diǎn)的電壓為零。導(dǎo)線全長(zhǎng)都分布了電容，假定各相導(dǎo)線對(duì)地的電容是相等的，故各相所流過的電容電流也是對(duì)稱的。

1.1 零序電壓的變化

當(dāng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，零序電壓將發(fā)生明顯變化，具體見圖1，2。

ICA、ICB-A相、B相電源對(duì)地電容電流；IC-接地點(diǎn)K流過的A相、B相電容電流之和；U0-中性點(diǎn)對(duì)地電壓

UKA、UKB-A相、B相電源對(duì)地電壓

當(dāng)C相在K點(diǎn)發(fā)生金屬性接地時(shí)，三相電源對(duì)地電壓分別為：

(1)

式中：U0——中性點(diǎn)對(duì)地電壓。

故障點(diǎn)K的零序電UK0為

(2)

1.2 零序電流的變化

在實(shí)際運(yùn)行中，電力網(wǎng)中有電源及多條線路，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，電容電流的分布如圖3所示。電源和每條線路均有對(duì)地電容存在，以CG、CⅠ、CⅡ和CⅢ等集中電容來表示。

在線路Ⅲ上C相的K點(diǎn)發(fā)生單相接地故障后，如果忽略了負(fù)荷電流和電容電流在線路阻抗上的壓降，則全系統(tǒng)C相對(duì)地電壓均為零，從而C相對(duì)地的電容電流亦為零。

(1)非故障線路

由圖3可見：在非故障線路I上，C相電流為零，A相和B相中流過其自身的電容電流為ICAⅠ和ICBⅠ，因此在該線路始端所反應(yīng)的零序電流I0Ⅰ為：

3I0Ⅰ=ICAⅠ+ICBⅠ

(3)

當(dāng)電力網(wǎng)中線路有多條時(shí)，上述結(jié)論適用于每一條非故障線路。

(2)電源側(cè)線路

電源G的A相和B相也有對(duì)地電容電流ICAG和ICBG，由圖3可見：在電源的出線端各線路的電容電流由于從電源的C相流入后又分別從A相和B相流出，因此，相加后相互抵消，而只余電源自身的電容電流,見式(4)。

3I0G=ICAG+ICBG

(4)

(3)故障線路

對(duì)于故障線路Ⅲ，接地點(diǎn)K流回全系統(tǒng)A相和B相對(duì)地電容電流的總和，其值為：

圖3 單相接地時(shí)電容電流的分布情況

IC=(ICAⅠ+ICBⅠ)+(ICAⅡ+ICBⅡ)+

(ICAⅢ+ICBⅢ)+(ICAG+ICBG)

(5)

接地點(diǎn)的電流要從C相流回電源，因此，從C相流出的電流為ICⅢ= -IC，這樣，從故障線路Ⅲ始端流過的零序電流為：

3I0Ⅲ=ICAⅢ+ICBⅢ+ICⅢ

=ICAⅢ+ICBⅢ- [(ICAⅠ+ICBⅠ)+(ICAⅡ+ICBⅡ)+(ICAⅢ+ICBⅢ)+(ICAG+ICBG)]

= -(ICAⅠ+ICBⅠ+ICAⅡ+ICBⅡ+ICAG+ICBG)

(6)

其絕對(duì)值

3I0Ⅲ= 3UPHω(C∑-CⅢ)

(7)

式中：Uph——相電壓；

ω——角頻率，rad/s；

C∑——全系統(tǒng)各相對(duì)地電容的總和。

由式(7)可見：發(fā)生一點(diǎn)接地后流經(jīng)故障線路的零序電流，其數(shù)值等于全系統(tǒng)非故障元件對(duì)地電容電流之總和(不包括故障線路)[2]。

2 零序電流方向判定

2.1 零序電流的取得

零序電流的取得可用3個(gè)單相的電流互感器構(gòu)成零序電流濾過器，但使用3個(gè)單相的電流互感器存有誤差，即使三相電流對(duì)稱，在它的二次側(cè)也會(huì)有不平衡電流輸出；且單相接地時(shí)的電容電流并不大，反應(yīng)不靈敏。故更多采用的方式是通過接入零序TA直接取得該幅值。

2.2 零序電壓的取得

零序電壓的取得有自產(chǎn)與外接兩種方式。

外接零序電壓的方式是從電壓互感器開口三角處取得。電壓互感器的三相繞組首尾相連成開口三角形，開口三角形處輸出的電壓就是三相電壓之和，也即是零序電壓。

2.3 方向判定

按傳統(tǒng)方式規(guī)定，零序電流以母線流向被保護(hù)線路方向?yàn)檎较?，零序電壓是以母線指向大地為正方向。

圖4 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障時(shí)的矢量分布

當(dāng)單相接地故障發(fā)生于非本線路時(shí)，流過本線路的電流為本身對(duì)地電容電流(見式(3))，方向?yàn)閺哪妇€流向線路，以I0表示。對(duì)于一般線路，由于線路電阻及非完全金屬性接地的弧光電阻等原因，I0與U0并不嚴(yán)格的成90°，一般約為70°(最小角度一般不小于45°)。當(dāng)故障發(fā)生在本線路時(shí)，流過被保護(hù)線路的零序電流為全系統(tǒng)所有非故障元件對(duì)地電容電流之和(見式(6))，以3I0表示，其方向與I0相反。

接地方向判定的依據(jù)可用零序有功(或無(wú)功)功率的方向與相應(yīng)的零序電流的有效分量，決定于3I0與U0的相角關(guān)系，另外須考慮到容性電流的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，圖4中，3I0的無(wú)功分量oc遠(yuǎn)較有功分量od為大，I0的無(wú)功分量ob遠(yuǎn)較有功分量oa為大。因此，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中利用零序無(wú)功功率具有更高的靈敏度。因零序無(wú)功功率Q=U0(3I0)sinα，故對(duì)于不同方向的接地故障，利用零序無(wú)功功率的正負(fù)號(hào)即可方便地加以區(qū)分。

另外，由中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障時(shí)的象限示意(圖5)可以看出：若零序無(wú)功功率是正的(Q>0)，故障被認(rèn)為是朝向被保護(hù)設(shè)備方向的(正向)；若零序無(wú)功功率是負(fù)的(Q<0)，故障就被認(rèn)為是相反方向的(反向)。

P-有功功率；Q-無(wú)功功率；

3 應(yīng)用

零序電流方向判定的成功與否，主要與零序電流互感器安裝、二次接線及接地故障檢測(cè)元件的設(shè)置等密不可分，以西門子7SJ系列微機(jī)為例進(jìn)行說明。

3.1 安裝與接線

零序電流互感器如圖6所示，電纜從零序電流互感器鐵心中央孔穿過時(shí)，要將電纜頭與支架絕緣隔開，并將電纜頭的接地線穿過電流互感器的鐵心中央孔后再接地。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，系統(tǒng)的接地電流經(jīng)由故障線路電纜外皮入地，這樣可使電纜外皮與接地線中的電流抵消；而在正常運(yùn)行情況下，還可減小零序回路的誤差電流。

(a)安裝圖

(b)電流走向

電流和電壓回路應(yīng)按同極性分別與電流互感器和電壓互感器相連接，否則繼電保護(hù)裝置不能正常工作。為確保正確性，設(shè)置安裝、接線標(biāo)準(zhǔn)，并按表1(零序電流方向保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)安裝、接線表)進(jìn)行安裝、接線及檢查。

表1 零序電流方向保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)安裝、接線表

注：(1) L1、L2為同名端；若電纜由零序電流互感器正面L1側(cè)穿入，則L1、K1為同名端；

(2)K1為零序電流互感器極性端；K2為零序電流互感器接地端；

(3) Q8、 Q7、 R17、R18均為西門子7SJ系列繼電保護(hù)裝置接線端子。

3.2 設(shè)置

當(dāng)輸入電壓和電流的幅值不變時(shí)，其輸出值隨兩者間相位差的大小而改變，輸出為最大時(shí)的相位差稱為繼電保護(hù)裝置的最大靈敏角[3]。知道了繼電保護(hù)裝置的最大靈敏角，就可知道該繼電保護(hù)裝置最靈敏的動(dòng)作角度、繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作區(qū)(在最大靈敏角兩邊擴(kuò)展不大于90°的范圍內(nèi))。

帶方向保護(hù)的繼電保護(hù)裝置均能提供方向特性曲線。為完成接地方向判定功能，繼電保護(hù)裝置需要用戶根據(jù)不同的系統(tǒng)確定相應(yīng)的方向特性曲線并確定用于方向判定的零序電流有效分量的起動(dòng)值。這主要通過輸入3個(gè)整定參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

(1)“MEAS.METHOD”地址“3125”：方向判別的測(cè)量類型。中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中須選擇以“SIN phi”的測(cè)量類型。

(2)“PHI CORRECTION”地址“3124”：以上述選擇的測(cè)量類型為基礎(chǔ)的方向判別的校正角，整定范圍為(-45°～45°)。例如，不接地系統(tǒng)中與母線相連的電動(dòng)機(jī)，由于接地電流常是電阻-電容性電流，將以“COS Phi”測(cè)量的方向特性偏轉(zhuǎn)45°可以獲得更高的靈敏度。

(3)“RELEASE DIRECT”地址“3123”：用于方向判定的有效分量的起動(dòng)值，整定范圍3～1 200 mA。這是因?yàn)?，一方面，方向判定與零序電流檢測(cè)段結(jié)合一起使用，另一方面，零序電流檢測(cè)段計(jì)算的是接地電流的幅值，而“RELEASE DIRECT”僅計(jì)算與方向特性曲線垂直的有效分量，它總是小于或等于接地電流幅值。所以，“RELEASE DIRECT”的整定值應(yīng)小于上述相應(yīng)零序電流幅值段定值。

3.3 靈敏度與系統(tǒng)改進(jìn)

為了使接地保護(hù)有選擇性動(dòng)作，零序電流保護(hù)的啟動(dòng)電流須按大于本線路的電容電流整定

IK.act= Krel3I0

= Krel3UPHωC

(8)

式中： Krel——可靠因子，它的大小與保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間有關(guān)。瞬時(shí)動(dòng)作的零序電流保護(hù)取4～5，延時(shí)動(dòng)作的零序電流保護(hù)取1.5～2；

3I0——本線路的零序電容電流；

C——本線路的對(duì)地電容。

例如在線路Ⅲ上發(fā)生接地，本線路保護(hù)的靈敏度因子為

(9)

式中，Ksen為靈敏因子，對(duì)電纜線路應(yīng)大于1.25，對(duì)架空線路應(yīng)大于1.5。

由式(9)看出：只有當(dāng)線路數(shù)目較多時(shí)，才有足夠的靈敏度；隨著線路數(shù)目的減少，靈敏度也會(huì)隨之降低；當(dāng)存在只有極少數(shù)線路運(yùn)行的特殊方式下，實(shí)現(xiàn)這種保護(hù)是有困難的。此時(shí)可利用接地時(shí)故障相和非故障相電容電流方向相反的特點(diǎn)，以及降低用于方向判定的零序電流有效分量的起動(dòng)值，實(shí)現(xiàn)零序電流方向保護(hù)。

當(dāng)線路很長(zhǎng)時(shí)，接地電容電流就會(huì)過大，超過臨界值，接地電弧將不能自熄，容易形成間歇性的弧光接地或電弧穩(wěn)定接地。間歇性的弧光接地能導(dǎo)致危險(xiǎn)的過電壓；穩(wěn)定性電弧接地會(huì)導(dǎo)致相間短路。對(duì)于10 kV及以下電力網(wǎng)，接地電流不超過30 A；對(duì)于35kV電壓等級(jí)電力網(wǎng)，接地電流不超過10 A時(shí)，接地電弧通?？梢宰孕邢?。當(dāng)單相接地電流超過以上允許值時(shí)，可采用消弧線圈補(bǔ)償電容電流保證接地電弧瞬間熄滅，消除弧光間歇接地過電壓。

4 結(jié)語(yǔ)

10 kV/6 kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)在上海石化的數(shù)量較多，該系統(tǒng)中與零序電流方向保護(hù)有關(guān)的設(shè)備，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，采取逐一排查其安裝、接線以及繼電保護(hù)設(shè)置等環(huán)節(jié)，對(duì)發(fā)現(xiàn)的不符合現(xiàn)象及時(shí)安排整改，消除隱患以確保系統(tǒng)在單相接地故障來臨時(shí)保護(hù)裝置能正確動(dòng)作。因上海石化具有連續(xù)性大生產(chǎn)等特點(diǎn)，系統(tǒng)計(jì)劃性檢修的次數(shù)較少且非同步性，所以即時(shí)整改不具備條件，同時(shí)還存在著不具有電流方向判定保護(hù)功能的繼電保護(hù)裝置。在這種情況下，需事先建立起每條線路的電容電流臺(tái)賬，當(dāng)系統(tǒng)單相接地故障來臨、保護(hù)裝置又未正確動(dòng)作時(shí)，可逐一翻閱繼電保護(hù)裝置中電容電流的顯示值，經(jīng)與正常運(yùn)行時(shí)的電容電流值對(duì)比、綜合分析判斷后，視情況選擇切斷電容電流數(shù)值最大的線路，可確保故障正確、及時(shí)消除，從而將對(duì)系統(tǒng)的影響減至最低。對(duì)于系統(tǒng)保護(hù)在無(wú)法滿足靈敏度要求的特殊情況，也提出了解決方案。

[1] 中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社,2005：32.

[2] 藍(lán)之達(dá).供用電工程[M].北京：中國(guó)電力出版社,1998：427.

[3] 江蘇省電力公司.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理與實(shí)用技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社,2006：362.