宜宾电业局继电保护工作手册
第五章 电网安全与自动控制装置
第一节 中性点不接地电网的单相接地故障
与接地选线和消谐装置
宜宾局35KV及以下电网均采用中性点不直接接点运行方式，该类电网如果发生单相接地，接地点仅仅通过线路的对地电容电流，如果35KV电网电容电流不超过10A，10KV电网不超过30A，就采用不接地方式，如果超过这个值，就必须采用经消弧线圈接地方式。这两种方式统称小电流接地方式。
该类电网发生单相故障时，线电压仍然是三相对称，并不影响用户用电，且故障电流较小，可以允许电网继续运行1~2小时。但是单相故障若不及时排除，容易转换为多相故障。原始的方式是采用手工逐条线路拉闸的方式查找故障线路，现在采用接地选线装置可以自动判断出故障线路。
一、中性点不接地电网故障分析 A B C III Ic Ic 3Ic Ea 3Ic Eb II 6Ic Ec Ic Ic I K Ic Ic 6Ic 图5.1
在I号线路A相发生金属接地故障时，II、III号线路A相与地是等电位，无电容电流，三条线路的B、C两相对地都有电容电流Ic，由母线流向线路到大地，在故障点有故障电流6Ic由大地流入线路到母线。
省略掉复杂的计算公式，可以只观的从图5.1得到以下结论：
1、不接地系统发生单相故障，故障相对地电压为零，非故障相对地电压为电网的线电压，电网出现零序电压，大小等于电网正常时的相电压，但电网的线电压仍是三相对称的。
2、非故障线路的3I0大小为该线路的对地电容电流之和，故障线路的3I0大小为所有非故障线路的对地电容电流之和
在图5.1中，非故障的II、III号线路3I0=2Ic,方向为流出母线， I号故障线路 3I0=6Ic－2 Ic=4Ic,方向为线路流向母线。
41
宜宾电业局继电保护工作手册
3、结合结论2且因为零序电流是电容电流，所以非故障线路的零序电流超前零序电压为90°，故障线路的零序电流滞后零序电压为90°，两者相差180°。矢量图如图5.2
4、故障时接地点K的电流等于所有线路（包括故障线路）的接地电容电流的总和，它超前零序电压为90°。
在图5.1中，Ik=6Ic，这里的Ik应看做所有线路B、C两相电容电流之和，所以方向应与其一致。
故障线路3I0 非故障线路3I0
U0
图5.2
参考设计手册，线路电容电流可以有以下计算公式
U*L U*L
架空线路：Ic= 350 电缆线路：Ic= 10 Ic:对地电容电流
U：电网线电压（KV） L：线路长度（Km） 二、绝缘监察与接地选线装置
利用上面结论中的电气特征，设计出该装置。
由结论1，线路单相接地时，母线PT开口三角形上有输出电压，装置报警有线路接地，但此时还不知道具体的接地线路。要找出故障线路，结合结论2，采用考察零序电流大小的方式，结合结论3，采用考察零序功率方向的方式来查出故障线路。
一般都在出线电缆头处安装一穿心式零序CT来采集零序电流，在考察零序电流大小的方式中，装置选取零序电流最大的线路为故障线路。该方法在线路越多时，故障线路零序电流越大于非故障线路的零序电流，就越灵敏，越可靠。在考察零序功率功率方向的方式中，由结论3很容易理解故障线路零序功率方向与非故障线路的零序功率方向是相反的。
有的厂家生产的该装置是结合了以上两种方式来选线。先选出零序电流最大的三条线路，再判别功率方向。这种方法避免了因为线路长短不一，电容电流差别较大，有可能某条非故障线路零序电流与故障线路零序电流很接近的情况下装置选线错误。
三、消谐装置
在以上分析是以假设单相故障是金属性接地故障为前提的，实际中的故障往往是闪络性质的弧光接地，弧光的温度可以达到上千度，不容易熄灭，产生危害很大，造成线路绝缘降低转换成多相故障，扩大电网事故；弧光上的高电压也容易引起电气设备产生高压谐振，同时弧光的闪络产生大量杂波也不利于选线装置工作等等，所以有些电网还采用了消谐装置来消除这个危害。消谐装置的工作原理如图5.3
A
消谐装置 B
C
DLA DLB DLC
接地开关
故障线路
图5.3
42
宜宾电业局继电保护工作手册
当某条线路A相故障时，微机消谐装置根据输入的零序电压启动，再对输入的三相电压进行计算，当判断为弧光接地时，迅速将分相操作的一次接地开关DLA合上，从而达到迅速灭弧的目的。
第二节 中性点经消弧线圈接地电网单相接地故障
与接地选线和消弧装置
上节开始提到接地电容电流较大时，必须采用消弧线圈接地方式，有了消弧线圈，再出现接地故障，线圈会对电容电流进行补偿，使其迅速灭弧。电网中普遍采用过补偿方式，过补偿度为5%—10%。
该接地系统故障时的电气量分析如图5.4 A B C III Ic Ic 3Ic Ea 3Ic Eb II 6Ic+IL Ec 消Ic Ic 弧线 IL 圈 L
I K Ic Ic 6Ic+IL
图5.4
注意到在过补偿情况下故障点电流（6Ic+IL）近似纯电感性质，这一点是图5.4与图5.1的不同点
同样，分析图5.4可以得到以下结论：
1、在经消弧线圈接地电网中发生单相接地故障时，故障相对地电压为零，非故障相对地电压为电网的线电压，电网出现零序电压，大小为电网正常时的相电压，但电网三相仍然是三相对称的。
2、消弧线圈两端电压为零序电压，消弧线圈电流IL通过故障点与故障相，不经过非故障线路。
3、接地故障处残余电流6Ic+IL等于补偿度与电网电容电流总和的乘积，滞后零序电压90°，残余电流数值较小。
4、非故障线路3I0大小等于本线路接地电容电流，方向是电流从母线流向线路。在过补偿的情况下，故障线路3I0大小为残余电流与本线接地电容电流之和，呈纯电感性质，方向是从大地流向母线。
5、非故障线路零序电流超前零序电压90°，在过补偿情况下，故障线路零序电流也超
43
宜宾电业局继电保护工作手册
前零序电压90°，两者相位一致（这是两种小电流接地的不同点，要特别注意。）。
比较小接地电流系统的这两种接地方式的故障情况可以发现由于采用了过补偿方式，使得经消弧线圈接地电网故障点残余电流较小，因此故障线路与非故障线路零序电流相差无几； 同时两者功率方向一致，所以不能采用上一节比较工频零序电流大小与工频零功方向的方法选线。
以上的分析都是都是采用故障时电流的基波分量，在实际故障中，还同时产生大量的高次暂态谐波，故障线路谐波远比非故障线路大。同时消弧线圈的电感性对频率越高的谐波，越呈开路状态，对地电容的电容性对频率越高的谐波越呈短路状态。这样装置提取5次谐波作为分析对象的话，系统特性就与不接地系统完全一致了。
电感线圈的感抗：ZL=2nπ*f0*L
1 电容的容抗：Zc= 2nπ*f0*C
n:谐波次数 f0：基波频率 L：电感常数 C：电容常数 在正常运行时，电感消弧线圈是可调的，装置根据当前对地电容电流大小适时的调节线圈的档围，使其始终保持在合适的过补偿状态之下。
第三节 电力系统有功的平衡与低周减载
电力系统无时无刻不在进行着有、无功的交换，为了保持电力系统稳定的运行，必须时刻保持发电机的有、无功与各种无功设备发出的无功与负载在网络中吸收的有、无功相平衡。
有功功率的概念：电力系统中由于电阻的存在所消耗的有用功，称作有功功率。 有功功率是与频率有直接关系的。频率是衡量电能质量的两大重要指标之一，在采用现代化自动装置后，频率的误差不可以超过0.15Hz。维持频率在额定值是靠调速系统控制系统中所有发电机组输入的有功功率总和等于系统中所有设备在额定频率时所消耗的有功功率总和来实现。
电力系统中的有功平衡是一个动态过程，它随时都在发生变化，如果仅仅是较小的电网扰动，电力系统很快就能自动平衡。如果瞬间有大负荷被切除，电网可能会发生振荡，可以采用振荡解列装置，将电网解成几个部分, 目前宜宾局还没有采用这种装置。如果瞬间有大机组被切除，则使得电网中的有功严重不平衡，此时频率会迅速降低，从而使得全电网出现频率崩溃。为了避免这样的电网事故，就必须采用低周减载装置事先设定好的频率分几轮逐步切除各条负荷，一直到有功平衡，频率恢复正常。
低周减载的对象是负荷，所以一般安装在低压馈线中，在输电网中不使用。 低周减载装置主要以电网电压的频率为主要判据。当电网频率低于设定值时，装置启动经延时切断减载线路。为了防止线路空载时低周不必要动作，有的装置还投入了无流闭锁条件，这样线路无负荷就不动作。
和低周减载相关的还有一个滑差闭锁的概念。滑差是指电网频率的变化量。这个变化量一般都设临界值为5Hz/s，滑差超过5Hz/s即使电网频率低于低周减载定值低周也不会动作。滑差闭锁一旦启动，再次开放的条件只能是频率恢复正常，与启动后滑差的大小就没有关系了。
44
宜宾电业局继电保护工作手册
为什么要设计滑差闭锁？因为从本质上讲，低周减载装置不是用来切除故障的保护，而是保证电网有功平衡的安控装置，低周只能在有功不平衡下才能动作。在图5.5中，当线路
L1有故障时，波形的突变使得频率变化剧烈，有可能瞬
M
间降低以至于频率低于L2线路的低周减载值，让低周装
L2
置切除了正常运行的线路L2。设计了滑差闭锁后，如果
K 是故障，电压频率的滑差超过5 Hz/s，低周闭锁。由有功L1
不平衡原因导致频率的滑差一般都远小于5 Hz/s，特别是大电网中其自身平衡有功的能力更强。这就区别了正常运行与故障两种情况下的低周现象。低周减载也就能正确动
图5.5
作。
第四节 电力系统无功的平衡与无功补偿
电力系统功率除了有功功率外还有无功功率。
无功功率的概念：无功功率比较抽象，它是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不对外作功，而是转变为其他形式的能量。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。由于它不对外做功，才被称之为“无功”。无功功率的符号用Q表示，单位为乏(Var)或千乏(kVar)。因此，所谓的\无功\并不是\无用\的电功率，也不是不消耗电功率，只不过它的功率并不转化为机械能、热能而已.
无功功率的用处很大，电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动从而带动机械运动，电动机的转子磁场就是从电源取得无功功率建立的。变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压。因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器不会吸合。
无功功率与电压的大小有直接关系，电压也是衡量电能质量的重要指标，维持电力系统电压在额定范围内运行，是以调节系统内无功功率平衡为前提的。无功电源主要是发电机，调相机以及宜宾局大量使用的并联电容器等。
特别要指出的是，根据能量平衡的原则，电容器是不可能主动发出功率的。只是由于电网呈感抗性质，使得发电机又发有功又发无功，现在由于加入了并联电容器，把绝大部分感抗补偿掉了，改变了网络阻抗特性，使得整个网络近似与电阻性质，这样发电机只需要发少量无功就能满足无功需求，从而提高了有功的发出能力，也提高了发电机的效率。从这个角度讲，犹如电容器发出了无功供给感抗消耗，所以电容器被称作无功电源。
在小电网低负荷时，发电机自身就能平衡系统中无功的需求，但是在大电网，高负荷时，发电机很难满足网络无功的需求，此时电压降低，严重危害系统的稳定。这样就必须投入无功补偿装置。
电压无功补偿装置又称VQC，是在电网有较大无功需求时自动根据事先设定的定值进行有载调压与电容器的投切。这样能够减少电网的无功消耗，改善电网运行质量。下面以广州科立公司生产的DWK型无功补偿装置为例讲解其原理。
DWK装置具有电压、无功、时间三个判别区间，在任意时刻，电网的运行状态都能在图5.6上找到它的对应点。图5.6是一个井字形的控制区间，其阴影部分为防振带，防振带的宽度由投单组电容器后母线电压的变化量△U决定，因为在投切电容器时不但会改变电网的无功消耗，还会改变系统的电压，所以必须把2区和6区各自再分成两个区，也就是说
45
《继电保护及二次回路》
