姜云龍

(國網(wǎng)天津市電力公司檢修公司, 天津300143)

PT兩點接地的隱性故障識別及預(yù)防措施

姜云龍

(國網(wǎng)天津市電力公司檢修公司, 天津300143)

繼電保護(hù)的隱性故障是一種潛在故障，對電力系統(tǒng)的危害極大。電壓互感器二次回路發(fā)生兩點接地是一種典型的隱性故障，會導(dǎo)致微機保護(hù)的自產(chǎn)零序電壓發(fā)生偏移，可能導(dǎo)致零序方向保護(hù)誤動或拒動。分析了電壓互感器二次回路的兩點接地故障對零序方向縱聯(lián)保護(hù)的影響機理，提出了電壓互感器二次回路兩點接地隱性故障在線、實時的識別方法；并提出一種新的解決零序方向縱聯(lián)保護(hù)誤動的方法。通過大量仿真實驗，驗證該理論分析的正確性。

隱性故障；電壓互感器；二次回路；兩點接地；零序方向保護(hù)

繼電保護(hù)的隱性故障是保護(hù)系統(tǒng)中存在的一種永久性故障，在電力系統(tǒng)和設(shè)備正常運行時，不易被發(fā)現(xiàn)，并且對電力系統(tǒng)沒有影響，而當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障、不正常運行狀態(tài)或受到外部干擾時，這種隱性故障就會被觸發(fā)[1-2]。隱性故障最危險之處，就在于它對電力系統(tǒng)的影響，只有在系統(tǒng)處于異常的情況下才暴露，進(jìn)而可能會導(dǎo)致更大范圍的連鎖故障。

目前，國內(nèi)外關(guān)于隱性故障的研究主要圍繞保護(hù)系統(tǒng)的可靠性分析[3-5]、隱性故障引起的電力系統(tǒng)連鎖故障的風(fēng)險評估[6-7]、隱性故障的監(jiān)視和控制系統(tǒng)設(shè)計[8]三個方面。研究表明，繼電保護(hù)的隱性故障表現(xiàn)形式和發(fā)生原因復(fù)雜多樣，作為一種典型的隱性故障，電壓互感器(potential transformer，PT)二次回路兩點接地的故障類型對系統(tǒng)危害很大，由于該隱性故障使微機保護(hù)裝置的自產(chǎn)零序電壓發(fā)生偏移，可能導(dǎo)致零序方向保護(hù)誤判，進(jìn)一步造成系統(tǒng)大面積的連鎖故障，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此，對于PT兩點接地隱性故障的識別和防止零序方向縱聯(lián)保護(hù)誤動措施的提出是非常有必要的。

文獻(xiàn)[9]提出PT二次回路兩點接地的查找方法，但該方法不能實現(xiàn)在線、實時檢測和識別；文獻(xiàn)[10]對兩點接地的接地點查找方法進(jìn)行了改進(jìn)，但仍無法實現(xiàn)在線、實時的檢測；文獻(xiàn)[11]提出了PT二次回路兩點接地的實時識別方法，并提出一種解決辦法，但都是只針對單相接地故障時的情況，具有局限性?？梢娔壳搬槍﹄妷夯ジ衅鞫位芈穬牲c接地故障的研究有待進(jìn)一步深入探討。

本文提出了PT二次回路兩點接地隱性故障的判別方法和解決辦法。先分析該隱性故障對零序方向保護(hù)的影響機理；其次分析PT二次回路兩點接地時，負(fù)序和零序的電壓、電流的變化特征；再采用適用于單相接地故障和相間接地故障、并考慮過渡電阻影響的PT兩點接地故障的識別方法；最后，提出了防止PT二次回路兩點接地導(dǎo)致零序方向縱聯(lián)保護(hù)誤動的措施。

1 PT兩點接地對零序方向保護(hù)的影 響機理

根據(jù)《國家電網(wǎng)公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施》(修訂版)的規(guī)定，公用電壓互感器的二次回路只允許在主控室內(nèi)有一點接地，這樣不能對PT二次繞組實現(xiàn)可靠的雷擊過電壓保護(hù)，因此，通常會在開關(guān)場地將PT二次繞組中性點經(jīng)放電間隙或氧化鋅閥片接地[12]，如圖1所示。但放電間隙或氧化鋅閥片被擊穿的情況，時有發(fā)生，從而造成PT二次回路兩點接地的隱性故障[13-14]。

圖1 實際接線圖

以下具體分析此隱性故障對零序方向保護(hù)的影響。根據(jù)圖1，當(dāng)開關(guān)場地的放電間隙或氧化鋅閥片被擊穿時，可得到圖2所示的電壓回路的等效電路。

圖2 電壓回路等效圖

(1)

由圖2，可以得到如下關(guān)系：

(2)

微機保護(hù)全部采用自產(chǎn)零序，即實際進(jìn)入保護(hù)裝置的零序電壓為：

(3)

以下詳細(xì)分析電壓互感器兩點接地故障對系統(tǒng)不同狀態(tài)的影響。

1.1 一次系統(tǒng)正常運行時

1.2 一次系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障

圖3 受PT兩點接地影響的A相接地故障

1.3 一次系統(tǒng)發(fā)生相間接地故障

綜上所述，當(dāng)發(fā)生PT兩點接地隱性故障時，導(dǎo)致自產(chǎn)零序電壓不與一次系統(tǒng)實際零序電壓成正比，會引起零序方向保護(hù)的誤動、拒動，可能會引起一次系統(tǒng)連鎖故障發(fā)生。

2 PT兩點接地的特征及識別方法

圖4 受PT兩點接地影響的BC相間接地故障

圖5 雙電源系統(tǒng)圖

2.1 單相接地故障(以A相接地故障為例)

2.1.1PT二次回路正常。根據(jù)A相接地故障的復(fù)合序網(wǎng)圖(圖6)，可得：

(4)

這時M側(cè)保護(hù)安裝處A相的負(fù)序、零序的電壓、電流(規(guī)定以母線流向線路為電流正方向)為：

(5)

(6)

(7)

(8)

圖6 A相接地故障的復(fù)合序網(wǎng)圖

式中，ZM為故障點M側(cè)的總阻抗；ZN為故障點N側(cè)的總阻抗；ZSM為M側(cè)的系統(tǒng)阻抗；CM2、CM0為負(fù)序和零序電流分布系數(shù)。

2.1.2PT發(fā)生兩點接地

PT發(fā)生兩點接地，由于受該隱性故障的影響：

(9)

(10)

(11)

2.2 相間接地故障(以BC相間接地為例)

2.2.1PT二次回路正常

由圖7，可得：

(12)

(13)

圖7 BC相間接地故障的復(fù)合序網(wǎng)圖

(14)

此時M側(cè)保護(hù)安裝處A相的負(fù)序、零序的電壓、電流為：

(15)

(16)

(17)

(18)

2.2.2 分析PT發(fā)生兩點接地隱性故障的情況

PT發(fā)生兩點接地隱性故障時：

(19)

(20)

(21)

2.3 經(jīng)高電阻的相間接地故障(以BC為例)

2.3.1PT電壓回路正常狀況

由圖8兩相短路接地的復(fù)合序網(wǎng)可得:

(22)

圖8 經(jīng)過渡電阻的BC相間接地故障復(fù)合序網(wǎng)圖

(23)

(24)

此時M側(cè)保護(hù)安裝處A的負(fù)序、零序電壓、電流為：

(25)

(26)

(27)

(28)

2.3.2 分析PT發(fā)生兩點接地隱性故障狀況

PT發(fā)生兩點接地隱性故障時

(29)

(30)

(31)

不同接地情況下負(fù)序、零序的電壓、電流的相位關(guān)系匯總?cè)绫?所示。

經(jīng)上述分析可知，當(dāng)發(fā)生PT兩點接地故障時，負(fù)序電壓和零序電壓相位出現(xiàn)偏差；但負(fù)序和零序電流仍然同相位，因負(fù)序電壓和負(fù)序電流仍同相位，可通過PT兩點接地對電壓、電流的影響特征，再加設(shè)門檻電壓，得到PT兩點接地的識別方法為：

式中，Uset為門檻電壓，θset1、θset1為角度門檻。

表1 相位關(guān)系表

2.4 防止零序方向元件誤判的措施

系統(tǒng)中M、N兩側(cè)同時發(fā)生PT兩點接地隱性故障的概率非常小，因此，只考慮M側(cè)發(fā)生PT兩點接地隱性故障。

然而，同一元件正負(fù)序電壓相位角關(guān)系如下：

=[arg(ZSM0)-arg(ZM0)]-

[arg(ZSM2)-arg(ZM2)]-

(33)

[arg(ZSN0)-arg(ZN0)]+

[arg(ZSN2)-arg(ZN2)]

根據(jù)實際情況，可認(rèn)為arg(UM0/UM2)-arg(UN0/UN2)=0。

(34)

從而避免零序方向保護(hù)的誤判。

3 仿真驗證

利用PSCAD/EMTDC搭建了如圖5所示的某220kV超高壓輸電系統(tǒng)，MN段、NP段長度均為300km，每千米正序電阻、電感、電容分別為R1=0.02083Ω，L1=0.898 4 mH，C1=0.012 9 μF，每公里零序電阻、電感、電容分別為R0=0.114 8 Ω，L0=2.288 6 mH，C1=0.005 23 μF;M側(cè)的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)為：EM=1.05∠0°，RM1=1.051 5 Ω，LM1=0.137 43 H，RM0=0.6 Ω，LM0=0.092 6 H；N側(cè)系統(tǒng)參數(shù)為：EN=1.00∠-30°，RN1=26 Ω，LN1=0.142 98 H，RN0=20 Ω，LN0=0.119 27 H。

建立了如圖1所示的詳細(xì)的電壓互感器二次回路。為了驗證PT兩點接地對零序方向保護(hù)的影響，仿真模型中搭建了兩套電壓二次回路，其中一套電壓回路完全正常，另一套電壓回路PT兩點接地，以此來分析零序電壓與零序電流的相位特征，從而判斷零序方向保護(hù)是否錯誤判斷；并基于MATLAB驗證識別方法和解決辦法的可用性。

圖9 正方向A相接地故障

圖10 正方向BC相間接地故障

點劃線與點線之間的區(qū)域為零序方向保護(hù)的動作區(qū)。由圖可以看出，由于電壓回路PT兩點接地的影響，M側(cè)的零序方向保護(hù)將正方向故障誤判為反方向故障，從而導(dǎo)致MN段保護(hù)拒動。

b.再設(shè)在1s時，NP段分別發(fā)生A相接地故障、BC相間接地故障，N側(cè)的電壓回路存在PT兩點接地隱性故障，其中，UON取為10 V。仿真得到的N側(cè)保護(hù)測量到的零序電壓與零序電流的相位關(guān)系如圖11、12所示。由圖可以看出，由于電壓回路PT兩點接地的影響，M側(cè)的零序方向保護(hù)將反方向故障誤判為正方向故障，從而導(dǎo)致MN段保護(hù)誤動。

圖11 反方向A相接地故障

圖12 反方向BC相間接地故障

通過模擬得到以下結(jié)論：

a.識別方法能有效識別PT兩點接地隱性故障，在正常情況下不會誤判；

b.識別方法從故障時刻到識別PT兩點接地并發(fā)出警報，在1～3ms即可完成；

c.從故障時刻到識別出需要進(jìn)行“故障處理”，在10～20ms內(nèi);

d.用解決方法替代受PT兩點接地故障影響的零序電壓，得到表2，比較可得該解決辦法能有效地使零序方向保護(hù)正確動作， 避免了零序方向保護(hù)誤判可能導(dǎo)致的連鎖故障。

圖13 識別方法流程圖

圖14 解決辦法流程圖

表2 PT兩點接地故障下有無解決辦法的比較

4 結(jié) 論

PT兩點接地屬于一種典型的隱性故障，現(xiàn)有資料表明該隱性故障在中國超高壓系統(tǒng)引起了若干保護(hù)誤拒動事故。分析研究了PT兩點接地隱性故障對零序方向保護(hù)的影響，具體分析了造成零序方向保護(hù)誤判的原因。分析該隱性故障的特征，指出PT兩點接地只影響保護(hù)裝置測量電壓中的零序電壓，提出利用特殊相的零序電壓與負(fù)序電壓相位關(guān)系識別該隱性故障的方法；提出在PT發(fā)生兩點接地故障時，利用對側(cè)電壓負(fù)序和零序分量以及本側(cè)負(fù)序電壓分量，求出本側(cè)不受PT兩點接地故障影響的零序電壓，仿真有效地證明了上述結(jié)論的正確性。

[1] 張晶晶．保護(hù)系統(tǒng)的隱性故障相關(guān)問題研究[D]．合肥工業(yè)大學(xué)，2012． Zhang Jingjing．Hidden failures related issues of relay protection system[D]．Hefei university of technology，2012．

[2] Bae K，Thorp JS．A stochastic study of hidden failures in power system protection[J]．Decision Support Systems，1999，24(3-4)：259-268．

[3] Department of ECE，Virginia Tech，Blacksburg，VA24060，United States．Optimum location of master agents in an agent based zone 3 protection scheme designed for robustness against hidden failure induced trips[C]．//IEEE Power and Energy Society General Meeting，2012．

[4] Salim N A，Othman M M，Musirin，et al．An effective approach to determine the sensitive transmission lines due to the effect of hidden failure in a protection system[C]．//Proceedings of the 2013 IEEE 7th International Power Engineering and Optimization Conference，PEOCO 2013，2013：380-385．

[5] Salim N A，Othman M M，Musrin，et al．Identifying severe loading condition during the events of cascading outage considering the effects of protection system hidden failure[C]．//Proceedings of the 2013 IEEE 7th International Power Engineering and Optimization Conference，PEOCO 2013，2013：375-379．

[6] Gilvanejad M，Abyaneh HA，Mazlumi K．Fuse cutout allocation in radial distribution system considering the effect of hidden failures [J]．International Journal of Electrical Power & Energy Systems，2012，42(1)：575-582．[7] Sanchez JA，Rios MA．Vulnerability Assessment of Cascade Contingencies in Power Systems[J]．International Review of Electrical Engineering-IREE，2011，6(4)：1831-1838．

[8] Tan JC，Crossley PA，McLaren PG，et al．Application of a wide area backup protection expert system to prevent cascading outages[J]．IEEE Transactions on Power Delivery，2002，17(2)：375-380．

[9] 趙武智，高昌培，林虎．電壓互感器二次回路一點接地檢查及查找多個接地點方法[J]．電力自動化設(shè)備，2010，30(6)：148-150． Zhao Wuzhi，Gao Changpei，Lin Hu．One-point grounding detection of PT secondary circuit and multi grounding points searching method[J]．Electric Power Automation Equipment，2010，30(6)：148-150．

[10] 劉寶林．電壓互感器二次回路接地點查找方法的改進(jìn)[J]． 南方電網(wǎng)技術(shù)，2012，16(1)：94-97． Liu Baolin．Improvement of the method for searching grounding points of voltage transformer’s secondary circuits[J]．Southern Power System Technology，2012，16(1)：94-97．

[11] 陳福鋒，魏曜，王帆．不受電壓互感器二次回路兩點接地影響的零序方向元件[J]．電力系統(tǒng)自動化，2010，34(4)：70-74． Chen Fufeng，Wei Yao，Wang Fan．Zero sequence direction element adapted to two-point-ground fault on secondary circuit of potential transformer[J]．Automation of Electric Power Systems，2010，34(4)：70-74．

[12] 國家電網(wǎng)公司發(fā)布十八項電網(wǎng)重大反事故措施(修訂版)[J]．華東電力，2012，40(4)：607． The eighteen power grid major anti-accident measures issued by State Grid Corporation of China (revised version)[J]. East China Electric Power, 2012，40(4): 607.

[13] 劉永，陳昊，熊斌． CVT二次側(cè)兩點接地的事故分析[J]．高壓電器，2012，48(4)：111-114． Liu Yong，Chen Hao，Xiong Bin．Analysis on the two-point earthing faults of CVT secondary side[J]．High Voltage Apparatus，2012，48(4)：111-114．

[14] 石文章，田俊杰，張濤．TV二次回路多點接地造成保護(hù)拒動的實例分析[J]．電力學(xué)報，2004，19(2)：153-154． Shi Wenzhang，Tian Junjie，Zhang Tao．Instance analysis for the miss operation of the protection device caused by multiple earth in the TV secondary circuit[J]．Journal of Electric Power，2004，19(4)：153-154．

[15] 薛峰．電網(wǎng)繼電保護(hù)事故處理及案例分析[M]．北京：中國電力出版社，2012． XUE Feng. Power grid relay protection fault treatment and case analysis[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2012.

[16] 鄭玉平．TV二次回路異常對線路保護(hù)的影響[C]．//第八屆全國繼電保護(hù)學(xué)術(shù)研討會論文集．2001：464-471． ZHENG Yuping. Impact of abnormity for secondary circuit of TV on line protection[C]. Proceedings of the Eighth National Symposium on Relay Protection. 2001: 464-471.

[17] 索南加樂，許慶強，李小斌，等．超高壓輸電線路的發(fā)展性故障判別元件[J]．中國電機工程學(xué)報，2006，26(4)：93-98． Suonan Jiale，Xu Qingqiang，Li Xiaobin，et al．An evolved fault criterion for UHV transmission line protection relaying[J]．Proceedings of the CSEE，2006，26(4)：93-98．

[18] 索南加樂，謝雯潔，沈黎明,等．解決電壓互感器二次側(cè)故障對距離保護(hù)影響的新方法[J]．電力系統(tǒng)自動化，2008，32(23)：56-61． Suonan Jiale，Xie Wenjie，Shen Liming，et al．New method for solving potential transformer secondary side fault’s effect on distance protection based on parameter identification[J]．Automation of Electric Power Systems，2008，32(23)：56-61．

(編輯 李世杰)

Hidden failure identification of PT two-point-grounding and precentive actions

JIANG Yunlong

(Maintenance Company of State Grid Tianjin Electric Power Company, Tianjin 300143, China)

Hidden failures in relay protection are potential and lethal for power system. Two-point-grounding in the secondary circuit of voltage transformer is a kind of typical hidden fault, which will cause the self-produced zero sequence voltage in microcomputer protection to be offset and may lead to mis-operation and resist-operation of zero sequence directional protection. Analysis of the effect mechanism of two-point-grounding in the secondary circuit of voltage transformer is made on the pilot protection of zero sequence direction. Online and real-time recognition methods are put forward to find the two-point-grounding in the secondary circuit of voltage transformer fault and a new method is proposed for the new solution to the mis-operation of pilot protection of zero sequence directional. Through a large number of simulation experiments, the correctness of the theoretical analysis is verified.

hidden fault; voltage transformer; secondary circuit; two-point-grounding; zero sequence directional protection

2016-12-05。

姜云龍(1991—)，男，助理工程師，主要從事電力變壓器方面的運行與維護(hù)工作。

TM451

A

2095-6843(2017)02-0125-07