林撒迦

（長(zhǎng)園深瑞繼保自動(dòng)化有限公司）

0 引言

變電站二次回路的運(yùn)行由于受到電纜絕緣老化、環(huán)境侵蝕等因素的影響，線(xiàn)纜故障時(shí)有發(fā)生［1-2］，變壓器二次回路斷線(xiàn)（PT斷線(xiàn)）就是常見(jiàn)故障其中一種，包含相電壓斷線(xiàn)和中性線(xiàn)（N線(xiàn)）斷線(xiàn)。PT斷線(xiàn)時(shí)，對(duì)應(yīng)的保護(hù)裝置電壓采樣會(huì)出現(xiàn)異常，導(dǎo)致相關(guān)保護(hù)邏輯無(wú)法正確判斷，有可能造成保護(hù)誤動(dòng)或者拒動(dòng)［3-4］，因此必須可靠識(shí)別PT斷線(xiàn)故障。PT相電壓斷線(xiàn)時(shí)，保護(hù)裝置采集的斷線(xiàn)相電壓為零，故障特征明顯，現(xiàn)有的判別邏輯比較成熟，一般通過(guò)電流啟動(dòng)和零序電壓條件進(jìn)行識(shí)別，可以及時(shí)識(shí)別PT相電壓斷線(xiàn)故障。而PT中性線(xiàn)斷線(xiàn)時(shí)，保護(hù)裝置采集的三相電壓受影響不大，主要表現(xiàn)在三相電壓波形中三次諧波含量增加。

PT二次回路接線(xiàn)方式中，ABC三相與零序電壓的N線(xiàn)通常不共用，但是實(shí)際變電站現(xiàn)場(chǎng)也存在共用N線(xiàn)的情況，兩種接線(xiàn)方式的等效回路不同，N線(xiàn)斷線(xiàn)時(shí)保護(hù)裝置采集的零序電壓受影響情況也不同。

本文針對(duì)某110kV變電站電壓互感器二次回路N線(xiàn)斷線(xiàn)導(dǎo)致故障線(xiàn)路零序過(guò)流保護(hù)據(jù)動(dòng)的事故，首先對(duì)PT二次回路ABC三相與零序電壓共用N線(xiàn)情況下發(fā)生N線(xiàn)斷線(xiàn)時(shí)，自采零序電壓和實(shí)際零序電壓的方向進(jìn)行理論分析，并搭建PSCAD仿真模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 故障簡(jiǎn)述

2023年4月，某110kV電網(wǎng)中變電站A母線(xiàn)發(fā)生A相接地故障如圖1所示，變電站B中線(xiàn)路保護(hù)裝置1的距離二段保護(hù)動(dòng)作，而零序方向過(guò)流二段保護(hù)拒動(dòng)，而線(xiàn)路保護(hù)裝置2的零序方向過(guò)流二段保護(hù)誤動(dòng)。事故發(fā)生后，運(yùn)維人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行排查，確認(rèn)變電站B的110kV電壓互感器二次回路發(fā)生N線(xiàn)斷線(xiàn)，同時(shí)ABC三相與零序電壓的N線(xiàn)共用。

圖1 事故現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)示意圖

通過(guò)調(diào)取變電站B事故中故障錄波器和保護(hù)裝置的波形進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，二者三相電壓電流波形一致，故障前和故障時(shí)母線(xiàn)三相電壓均含有大量的三次諧波，這是由于N線(xiàn)斷線(xiàn)導(dǎo)致保護(hù)裝置內(nèi)部的PT傳感器鐵心飽和造成的電壓波形傳變畸變。

進(jìn)一步計(jì)算故障時(shí)ABC三相電壓自產(chǎn)零序電壓和外接零序電壓角度見(jiàn)表1，二者方向完全相反。線(xiàn)路保護(hù)裝置采用自產(chǎn)零序電壓和自產(chǎn)零序電流進(jìn)行零序方向判斷，零序過(guò)流保護(hù)其正方向判據(jù)如式（1）所示，φL0為線(xiàn)路零序靈敏角；和分別為自產(chǎn)零序電壓和自產(chǎn)零序電流。

表1 線(xiàn)路保護(hù)1零序方向

現(xiàn)場(chǎng)線(xiàn)路線(xiàn)路零序靈敏角為75°，由表1可知此時(shí)零序方向角度為74°不滿(mǎn)足式（1），所以線(xiàn)路保護(hù)裝置1的零序方向元件誤判為反向故障，同理線(xiàn)路保護(hù)裝置2的零序方向元件誤判為正向故障，這與實(shí)際一次系統(tǒng)故障的零序方向完全相反。自產(chǎn)零序電壓與外接零序電壓均有較大的零序基波電壓，明顯不僅僅是因PT二次負(fù)載不平衡導(dǎo)致，并且自產(chǎn)零序電壓方向與實(shí)際相反，導(dǎo)致零序方向元件誤判。

為進(jìn)一步分析自產(chǎn)零序電壓方向錯(cuò)誤的現(xiàn)場(chǎng)，本文基于PT二次回路等效回路進(jìn)行理論計(jì)算推導(dǎo)。

2 故障分析

2.1 零序電壓計(jì)算

經(jīng)與用戶(hù)溝通確認(rèn)，變電站B現(xiàn)場(chǎng)PT二次回路ABC三相電壓和零序電壓共用N線(xiàn)，從PT二次側(cè)接入到繼保裝置PT。其等效電路如圖2所示，圖中為一次PT二次側(cè)的三相電壓和開(kāi)口三角零序電壓；為裝置PT采集到的三相電壓和零序電壓；Za、Zb、Zc、Z0分別裝置PT各相別的等效負(fù)載阻抗。

圖2 PT二次回路等效電路圖

假設(shè)PT二次回路的中性線(xiàn)M、N處發(fā)生斷開(kāi)，因?yàn)橐淮蜳T的一次、二次側(cè)都有效接地，所以PT二次側(cè)的電壓的輸出并不受影響。根據(jù)戴維南電路理論，此時(shí)斷線(xiàn)處電壓的計(jì)算如式（2）所示：

外接零序電壓和自產(chǎn)零序電壓的計(jì)算如式（4）所示：

2.2 電壓各序分量影響分析

2.2.1 正負(fù)序分量影響分析

當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行或發(fā)生不接地故障時(shí)，實(shí)際電網(wǎng)和PT二次側(cè)的三相電壓只存在正負(fù)序分量，零序電壓為0，代入式（4）中得：

由式（5）可知系統(tǒng)電壓對(duì)稱(chēng)時(shí)，自產(chǎn)零序電壓與外接零序電壓方向均與斷線(xiàn)處電壓方向相反，且幅值大小存在3倍的關(guān)系。此時(shí)為保護(hù)裝置三相電壓等效負(fù)載阻抗產(chǎn)生的不平衡電壓，幅值較小。

2.2.2 零序分量影響分析

發(fā)生不對(duì)稱(chēng)接地故障時(shí)，實(shí)際電網(wǎng)和PT二次側(cè)的三相電壓都包含正負(fù)零序分量，假設(shè)保護(hù)裝置三相電壓等效負(fù)載阻抗相等，聯(lián)立式（3）（4）可得：

由式（6）可知，即系統(tǒng)電壓含零序分量時(shí)，裝置自產(chǎn)零序電壓與外接零序電壓幅值大小相等，方向相反，且自產(chǎn)零序電壓與實(shí)際零序電壓方向相反；當(dāng)三相電壓和零序電壓二次側(cè)負(fù)載阻抗相等時(shí)，自產(chǎn)零序電壓與外接零序電壓幅值大小均為實(shí)際零序電壓幅值的一半。

綜上所述，當(dāng)PT二次回路中ABC三相與零序電壓共用N線(xiàn)時(shí)發(fā)生N線(xiàn)斷線(xiàn)故障，系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱(chēng)接地故障將導(dǎo)致保護(hù)裝置自產(chǎn)零序電壓與實(shí)際故障零序電壓方向相反，從而造成零序方向元件誤判。

3 仿真分析

為驗(yàn)證PT二次回路中ABC三相與零序電壓共用N線(xiàn)時(shí)發(fā)生N線(xiàn)斷線(xiàn)故障對(duì)保護(hù)裝置零序方向元件的影響，基于PSCAD／EMTDC仿真平臺(tái)，搭建110kV輸電線(xiàn)路具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 模型參數(shù)

3.1 PT二次回路發(fā)生N線(xiàn)斷線(xiàn)故障仿真

仿真模擬0.1s時(shí)PT二次回路發(fā)生N線(xiàn)斷線(xiàn)故障，取保護(hù)裝置1采集的電壓分析如圖3所示，N先斷線(xiàn)前，三相電壓為正弦波，自產(chǎn)零序電壓和外接零序電壓幅值均為0。當(dāng)發(fā)生N線(xiàn)斷線(xiàn)時(shí)，三相電壓發(fā)生畸變，并產(chǎn)生零序電壓，此時(shí)實(shí)際系統(tǒng)零序電壓為0?；阈螂妷旱幕ㄓ行е抵校援a(chǎn)零序電壓為0.087V；外接零序電壓為0.029V，3次諧波有效值中自產(chǎn)零序電壓為38.05V；外接零序電壓為12.67V，自產(chǎn)零序電壓的幅值均為外接零序電壓幅值的3倍，符合2.2.1節(jié)分析結(jié)論。

圖3 N線(xiàn)斷線(xiàn)故障仿真結(jié)果

3.2 系統(tǒng)發(fā)生單相接地不對(duì)稱(chēng)故障仿真

仿真模擬在PT二次回路發(fā)生N線(xiàn)斷線(xiàn)故障下，0.1s時(shí)變電站A母線(xiàn)發(fā)生AG單相接地短路故障，取保護(hù)裝置1的電壓和電流波形分析如圖4所示，自產(chǎn)零序電壓和外接零序電壓具有較大幅值，其中基波有效值上，實(shí)際系統(tǒng)零序電壓約為47.84V，自產(chǎn)零序電壓約為24.24V，外接零序電壓為23.94V，二者均接近實(shí)際系統(tǒng)零序電壓的一半。

圖4 A相接地故障仿真結(jié)果

在基波角度上，以零序電流角度為基準(zhǔn)，故障后零序電壓的角度如圖5所示，其中實(shí)際系統(tǒng)零序電壓角度為－99.78°、自產(chǎn)零序電壓角度為70.11°和外接零序電壓角度為－96.39°，實(shí)際系統(tǒng)零序電壓角度和外接零序電壓角度基本一致，而自產(chǎn)零序電壓角度與實(shí)際系統(tǒng)零序電壓角度基本相反，與2.2節(jié)分析結(jié)論一致。此時(shí)采用自產(chǎn)零序電壓進(jìn)行零序過(guò)流方向判斷時(shí)，零序方向?yàn)檎?，有可能造成零序過(guò)流方向保護(hù)誤動(dòng)。

圖5 零序電壓角度

4 結(jié)束語(yǔ)

PT的中性線(xiàn)斷線(xiàn)可能導(dǎo)致保護(hù)裝置電壓采集計(jì)算錯(cuò)誤，造成零序方向元件判斷出錯(cuò)。

本文從一起真實(shí)的110kV的PT二次回路N線(xiàn)斷線(xiàn)導(dǎo)致故障線(xiàn)路零序過(guò)流保護(hù)拒動(dòng)的事故出發(fā)。采用對(duì)稱(chēng)分量法對(duì)PT二次回路ABC三相與零序電壓共用N線(xiàn)情況下發(fā)生N線(xiàn)斷線(xiàn)對(duì)零序方向的影響進(jìn)行分析，推導(dǎo)得出結(jié)論：該情況下發(fā)生N線(xiàn)斷線(xiàn)時(shí)，保護(hù)裝置自產(chǎn)零序電壓必然與實(shí)際故障零序電壓方向相反，造成零序方向元件判斷結(jié)果錯(cuò)誤，進(jìn)而可能導(dǎo)致零序過(guò)流保護(hù)不正確動(dòng)作。