零序電流

在我國，高壓配電系統中性點的接地方式大概分為3種：中性點直接接地方式；中性點經消弧線圈接地方式；中性點不接地方式。

110 kV及以上電網一般採用中性點直接接地方式。在這種系統中，由於中性點直接接地，當發生單相接地故障時，接地短路電流很大。故稱這種系統為大電流接地系統。3 kV-35 kV電網一般採用中性點經消弧線圈接地方式或中性點不接地方式。在這種系統中，當電網某一相發生接地故障時，由於不能構成短路迴路，接地故障電流很小，所以稱這種系統為小電流接地系統。

在施工生產過程中，最常遇到的10 kV中性點不接地系統，即典型的小電流接地系統。在這種系統中，正常情況下，系統三相電流的向量和等於零，即Ia+Ib+Ic=0；當系統發生單相接地故障時，系統三相電流的向量和不再等於零，即Ia+Ib+Ic=I，此電流即為零序電流 ^[2]  。

1、無論是縱向故障、橫向故障，還是正常時和異常時的不對稱，都有零序電壓的產生；

2、零序電流有通路 ^[3]  。

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=U_A+U_B+U_C,3I₀=I_A+I_B+I_C

正序、負序、零序的出現是為了分析在系統電壓、電流出現不對稱現象時，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（有點像力的合成與分解，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（這就是我們常説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。

常用的檢測方式有兩種。既零序電流互感器檢測法和三相電流合成法。這兩種方式各有利弊，現就這兩種方式在安裝使用過程中的實際應用做一簡單分析。

這是一種最常用的方法(見圖1)，3根相線全部穿過零序電流互感器(CT)。

設零序電流互感器的變比為K，向量I_a為A相電流，向量I_b為B相電流，向量I_c為C相電流．則繼保裝置檢測到的零序電流為：

。

這種方法的優點是：直接檢測三相電流的向量和(零序電流)，準確性和可靠性都比較高。零序電流互感器的變比K較小(常用的為30)，當允許的一次零序電流，一定時，進入繼保裝置的二次電流i=l/K較大(一般可以設到1A以上)這樣其抗干擾的能力就強(這種干擾主要來自於電磁干擾造成的零飄)，誤動作率就低。

這種方法的缺點是：受現場安裝條件及製造工藝的限制，零序電流互感器的體積都比較小，一般只適用於單根電纜的零序電流檢測。

2. 三相電流合成法

設K為A、B、C三相電流互感器的變比，向量，I_a為A相電流，向量I_b為B相電流，向量I_c為C相電流，則繼保裝置合成的零序電流

。

這種方法的優點是：由於沒有零序電流互感器的限制，可以檢測大截面積迴路的零序電流。

這種方法的缺點是：由於其零序電流是由三相電流計算而來，不是直接檢測的結果，因此準確性較差。由於網路上的電流互感器的變比都比較大(相對於零序電流互感器的變比)。當允許的一次零序電流I一定時，繼保裝置合成的二次電流

較小（一般只能設到1A以下），這樣其抗干擾的能力就弱(這種干擾主要來自於電磁干擾造成的零飄)，誤動作率就高 ^[2]  。

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（此時是箭頭對箭頭），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（所謂負序就是A相落後B相120度，B相落後C相120度，C相落後A相120度。）

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。

在這裏再説説各分量與諧波的關係。

由於諧波與基波的頻率有特殊的關係，故在與基波合成時會分別表現出正序、負序和零序特性。但我們不能把諧波與這些分量等同起來。由上所述，之所以要把基波分解成三個分量，是為了方便對系統的分析和狀態的判別，如出現零序很多情況就是發生單相接地，這些分析都是基於基波的，而正是諧波疊加在基波上而對測量產生了誤差，因此諧波是個外來的干擾量，其數值並不是我們分析時想要的，就如三次諧波對零序分量的干擾。

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、c 3個數都大於或等於零，那麼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=Ia2 R、Qb= Ib2 R 、Qc =Ic2 R，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√〔（Ia2 R）（Ib2 R）（Ic2 R）〕

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燬變壓器的嚴重後果：

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（温度每升高8℃，使用年限將減少一半），甚至燒燬繞組。

（3）三相負荷不平衡運行會造成變壓器零序電流過大，局部金屬件温升增高：

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温度異常升高，嚴重時將導致變壓器運行事故 ^[3]  。

二、對高壓線路的影響

（1）增加高壓線路損耗：

低壓側三相負荷平衡時，6～10k V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0.75 I，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佔相當比例，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，換句話説，若最大不平衡時每月損失1200 kWh，則平衡時只損失200 kWh，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、燒燬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，可能造成該相導線温度直線上升，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

供電企業直管到户，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。

變壓器燒燬、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、 對用户的影響

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，影響用户的電器使用。

變壓器燒燬、線路燒斷、開關設備燒壞，影響用户供電，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，或不能按合同供貨被懲罰等。中性線燒斷還可能造成用户大量低壓電器被燒燬。

1. 負荷不平衡引起的零序電流

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，這將預示着零序電流的產生。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35 kv、10 kv系統宜採用電阻接地方式，郊區農村地區35 kv和10kV架空配電線路宜採用消弧線圈自動補償接地方式 ^[3]  。