零序電流

零序電流

不對稱運行和單相運行是零序電流產生的主要原因。在三相四線制電路中,三相電流的向量和等於零,即Ia+Ib+Ic=0。如果在三相三線中接入一個電流互感器,這時感應電流為零。當電路中發生觸電或漏電故障時,迴路中有漏電電流流過,這時穿過互感器的三相電流相量和不等零,其相量和為:Ia+Ib+Ic=I(漏電電流,即零序電流) 。這樣互感器二次線圈中就有一個感應電流,此電流加於檢測部分的電子放大電路,與保護區裝置預定動作電流值相比較,若大於動作電流,則使靈敏繼電器動作,作用於執行元件跳閘。這裡所接的互感器稱為零序電流互感器,三相電流的相量和不等於零,所產生的電流即為零序電流。

基本信息

概念

零序電流零序電流
在三相四線電路中,三相電流的相量和等於零,即Ia+Ib+IC=0
如果在三相四線中接入一個電流互感器,這時感應電流為零。當電路中發生觸電或漏電故障時,迴路中有漏電電流流過,這時穿過互感器的三相電流相量和不等零,其相量和為:Ia+Ib+Ic=I(漏電電流)
這樣互感器二次線圈中就有一個感應電壓,此電壓加於檢測部分的電子放大電路,與保護區裝置預定動作電流值相比較,如大於動作電流,即使靈敏繼電器動作,作用於執行元件掉閘。這裡所接的互感器稱為零序電流互感器,三相電流的相量和不等於零,所產生的電流即為零序電流。

條件

產生零序電流的兩個條件:

零序電流互感器零序電流互感器
1、無論是縱向故障、還是橫向故障、還是正常時和異常時的不對稱,只要有零序電壓的產生;2、零序電流有通路。
以上兩個條件缺一不可。因為缺少第一個,就無源泉;缺少第二個,就是我們通常討論的“有電壓是否一定有電流的問題。
零序公式:3U0=UA+UB+UC,3I0=IA+IB+IC
正序、負序、零序的出現是為了分析在系統電壓、電流出零序電流互感器
現不對稱現象時,把三相的不對稱分量分解成對稱分量(正、負序)及同向的零序分量。只要是三相系統,就能分解出上述三個分量(有點象力的合成與分解,但很多情況下某個分量的數值為零)。對於理想的電力系統,由於三相對稱,因此負序和零序分量的數值都為零(這就是我們常說正常狀態下只有正序分量的原因)。當系統出現故障時,三相變得不對稱了,這時就能分解出有幅值的負序和零序分量度了(有時只有其中的一種),因此通過檢測這兩個不應正常出現的分量,就可以知道系統出了毛病(特別是單相接地時的零序分量)。下面再介紹用作圖法簡單得出各分量幅值與相角的方法,先決條件是已知三相的電壓或電流(矢量值),當然實際工程上是直接測各分量的。由於上不了圖,請大家按文字說明在紙上畫圖。

畫圖

從已知條件畫出系統三相電流(用電流為例,電壓亦是一樣)的向量圖(為看很清楚,不要畫成太極端)。
(1)求零序分量:把三個向量相加求和。即A相不動,B相的原點平移到A相的頂端(箭頭處),注意B相只是平移,不能轉動。同方法把C相的平移到B相的頂端。此時作A相原點到C相頂端的向量(些時是箭頭對箭頭),這個向量就是三相向量之和。最後取此向量幅值的三分一,這就是零序分量的幅值,方向與此向量是一樣的。
(2)求正序分量:對原來三相向量圖先作下面的處理:A相的不動,B相逆時針轉120度,C相順時針轉120度,因此得到新的向量圖。按上述方法把此向量圖三相相加及取零序電流互感器三分一,這就得到正序的A相,用A相向量的幅值按相差120度的方法分別畫出B、C兩相。這就得出了正序分量。(3)求負序分量:注意原向量圖的處理方法與求正序時不一樣。A相的不動,B相順時針轉120度,C相逆時針轉120度,因此得到新的向量圖。下面的方法就與正序時一樣了。
通過上述方法大家可以分析出各種系統故障的大概情況,如為何出現單相接地時零序保護會動作,而兩相短路時基本沒有零序電流。

計算

零序電流零序電流
計算有兩種方法,如下:
a、用三角函式方法計算
b、用向量方法計算
這是一個工程上常用的方法,用電流表分別測量出A、B、C三相電流的大小,根據測出的電流值按比例,畫出三相得向量圖,如下右邊的向量圖,用平行四邊形的方法把B、C相電流向量平移,如下右邊的向量圖中的紅色向量,然後連線O點和C相電流的頭,這線段就是零序電流向量的模值,方向從O指向C相電流,如下右邊的向量圖中的籃色向量。然後用尺子就能量出零序電流的大小和方向.

危害

一、對配電變壓器的影響(1)三相負荷不平衡將增加變壓器的損耗:變壓器的損耗包括空載損耗和負荷損耗。正常情況下變壓器運行電壓基本不變,即空載損耗是一個恆量。而負荷損耗則隨變壓器運行負荷的變化而變化,且與負荷電流的平方成正比。當三相負荷不平衡運行時,變壓器的負荷損耗可看成三隻單相變壓器的負荷損耗之和。
從數學定理中我們知道:假設a、b、c3個數都大於或等於零,那么a+b+c≥3√abc。
當a=b=c時,代數和a+b+c取得最小值:a+b+c=3√abc。
因此我們可以假設變壓器的三相損耗分別為:Qa=Ia2R、Qb=Ib2R、Qc=Ic2R,式中Ia、Ib、Ic分別為變壓器二次負荷相電流,R為變壓器的相電阻。則變壓器的損耗表達式如下:
Qa+Qb+Qc≥3√〔(Ia2R)(Ib2R)(Ic2R)〕
由此可知,變壓器的在負荷不變的情況下,當Ia=Ib=Ic時,即三相負荷達到平衡時,變壓器的損耗最小。
則變壓器損耗:
當變壓器三相平衡運行時,即Ia=Ib=Ic=I時,Qa+Qb+Qc=3I2R;
當變壓器運行在最大不平衡時,即Ia=3I,Ib=Ic=0時,Qa=(3I)2R=9I2R=3(3I2R);
即最大不平衡時的變損是平衡時的3倍。
(2)三相負荷不平衡可能造成燒毀變壓器的嚴重後果:
上述不平衡時重負荷相電流過大(增為3倍),超載過多,可能造成繞組和變壓器油的過熱。繞組過熱,絕緣老化加快;變壓器油過熱,引起油質劣化,迅速降低變壓器的絕緣性能,減少變壓器壽命(溫度每升高8℃,使用年限將減少一半),甚至燒毀繞組。
(3)三相負荷不平衡運行會造成變壓器零序電流過大,局部金屬件溫升增高:
在三相負荷不平衡運行下的變壓器,必然會產生零序電流,而變壓器內部零序電流的存在,會在鐵芯中產生零序磁通,這些零序磁通就會在變壓器的油箱壁或其他金屬構件中構成迴路。但配電變壓器設計時不考慮這些金屬構件為導磁部件,則由此引起的磁滯和渦流損耗使這些部件發熱,致使變壓器局部金屬件溫度異常升高,嚴重時將導致變壓器運行事故。
二、對高壓線路的影響
零序電流零序電流

(1)增加高壓線路損耗:
低壓側三相負荷平衡時,6~10kV高壓側也平衡,設高壓線路每相的電流為I,其功率損耗為:ΔP1=3I2R
低壓電網三相負荷不平衡將反映到高壓側,在最大不平衡時,高壓對應相為1.5I,另外兩相都為0.75I,功率損耗為:ΔP2=2(0.75I)2R+(1.5I)2R=3.375I2R=1.125(3I2R);
即高壓線路上電能損耗增加12.5%。
(2)增加高壓線路跳閘次數、降低開關設備使用壽命:
我們知道高壓線路過流故障占相當比例,其原因是電流過大。低壓電網三相負荷不平衡可能引起高壓某相電流過大,從而引起高壓線路過流跳閘停電,引發大面積停電事故,同時變電站的開關設備頻繁跳閘將降低使用壽命。
三、對配電屏和低壓線路的影響(1)三相負荷不平衡將增加線路損耗
三相四線制供電線路,把負荷平均分配到三相上,設每相的電流為I,中性線電流為零,其功率損耗為:ΔP1=3I2R在最大不平衡時,即某相為3I,另外兩相為零,中性線電流也為3I,功率損耗為:
ΔP2=2(3I)2R=18I2R=6(3I2R);
即最大不平衡時的電能損耗是平衡時的6倍,換句話說,若最大不平衡時每月損失1200kWh,則平衡時只損失200kWh,由此可知調整三相負荷的降損潛力。
(2)三相負荷不平衡可能造成燒斷線路、燒毀開關設備的嚴重後果:
上述不平衡時重負荷相電流過大(增為3倍),超載過多。由於發熱量Q=0.24I2Rt,電流增為3倍,則發熱量增為9倍,可能造成該相導線溫度直線上升,以致燒斷。且由於中性線導線截面一般應是相線截面的50%,但在選擇時,有的往往偏小,加上接頭質量不好,使導線電阻增大。中性線燒斷的幾率更高。
同理在配電屏上,造成開關重負荷相燒壞、接觸器重負荷相燒壞,因而整機損壞等嚴重後果。
四、對供電企業的影響供電企業直管到戶,低壓電網損耗大,將降低供電企業的經濟效益,甚至造成供電企業虧損經營。農電工承包台區線損,線損高農電工獎金被扣發,甚至連工資也得不到,必然影響農電工情緒,輕則工作消極,重則為了得到錢違法犯罪。
變壓器燒毀、線路燒斷、開關設備燒壞,一方面增大供電企業的供電成本,另一方面停電檢修、購貨更換造成長時間停電,少供電量,既降低供電企業的經濟效益,又影響供電企業的聲譽。 
五、對用戶的影響三相負荷不平衡,一相或兩相畸重,必將增大線路中的電壓降,降低電能質量,影響用戶的電器使用。
變壓器燒毀、線路燒斷、開關設備燒壞,影響用戶供電,輕則帶來不便,重則造成較大的經濟損失,如停電造成養殖的動植物死亡,或不能按契約供貨被懲罰等。中性線燒斷還可能造成用戶大量低壓電器被燒毀。

故障防範

1.負荷不平衡引起的零序電流

繼電器繼電器
為保證配變的安全運行,應採取有效措施抑制零序電流的產生。因中性線不平衡電流是零序電流的3倍,因此,中性線電流的限制值經過理論計算可以證明:聯結組為Y,ynO的變壓器,其中性線電流不得超過額定電流的25%。這就是抑制零序電流的中性線電流的限制值。
在配變以三相四線制供電運行中,為抑制零序電流的產生,必須經常檢測中性線的電流值,如檢測到中性線電流達到或超過額定電流的25%時,這將預示著零序電流的產生。為此,應採取措施對配電網的i相用電負荷進行調整,使三相負荷儘量趨於平衡,以減少中性線電流,抑制零序電流的產生。
對於以三相網線制供電的配電變壓器,在供用電管理中,首要的工作即是經常檢測調整三相負荷,使三相負荷儘量保持基本平衡,保證變壓器處於i相負荷平衡的狀態運行這不僅可抑制零序電流的產生,而且,也是配變安全、經濟運行的有效措施。
2.短路故障引起的零序電流
零序電流保護一般使用在有條件安裝零序電流互感器的電纜線路或經電纜引出
繼電器
繼電器
的架空線路上。當在電纜出線上安裝零序電流互感器時,其一次側為被保護電纜的三相導線。鐵心套在電纜外,其二次側接零序電流繼電器。當正常運行或發生相間短路時,一次側電流為零,二次側只有因導線排列不對稱而產生不平衡電流。當發生一相接地時,零序電流反映到二次側,並流入零序電流繼電器,使其動作發出信號。
在安裝零序電流保護裝置時,應特別注意的是:電纜頭的接地線必須穿過零序電流互感器的鐵心。這是由於
被保護電纜發生一相接地時,全靠穿過零序電流互感器鐵心的接地線通過零序電流起到作用,否則互感器二次側也就不能感應出電流,因而繼電器也就不可能動作。
配電變壓器配置零序保護,最好能就近安裝,如果安裝在變壓器小室。CT二次電纜短,二次負載電阻小,在出u短路時CT不容易飽和,一次電流按比例變為二次電流,有利於零序保護的正確動作。
對於城市而言,主城區部分,35kv、10kV系統由於電纜出線日益增多,電纜在發生單相接地故障後,如果不及時切除,易擴大事故,因此,建議新建變電站應採用電阻接地方式,邊緣地區新建35kv、10kv系統宜採用電阻接地方式,郊區農村地區35kv和10kV架空配電線路宜採用消弧線圈自動補償接地方式。

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