PT兩點(diǎn)接地的隱性故障識(shí)別及預(yù)防措施

姜云龍

(國(guó)網(wǎng)天津市電力公司檢修公司, 天津300143)

PT兩點(diǎn)接地的隱性故障識(shí)別及預(yù)防措施

姜云龍

(國(guó)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(duì)電力系統(tǒng)的危害極大。電壓互感器二次回路發(fā)生兩點(diǎn)接地是一種典型的隱性故障，會(huì)導(dǎo)致微機(jī)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(dòng)或拒動(dòng)。分析了電壓互感器二次回路的兩點(diǎn)接地故障對(duì)零序方向縱聯(lián)保護(hù)的影響機(jī)理，提出了電壓互感器二次回路兩點(diǎn)接地隱性故障在線、實(shí)時(shí)的識(shí)別方法；并提出一種新的解決零序方向縱聯(lián)保護(hù)誤動(dòng)的方法。通過大量仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)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(diǎn)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(yùn)行時(shí)，不易被發(fā)現(xiàn)，并且對(duì)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(yùn)行狀態(tài)或受到外部干擾時(shí)，這種隱性故障就會(huì)被觸發(fā)[1-2]。隱性故障最危險(xiǎn)之處，就在于它對(duì)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(huì)導(dǎo)致更大范圍的連鎖故障。

目前，國(guó)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(xiǎn)評(píng)估[6-7]、隱性故障的監(jiān)視和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[8]三個(gè)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(diǎn)接地的故障類型對(duì)系統(tǒng)危害很大，由于該隱性故障使微機(jī)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(duì)于PT兩點(diǎn)接地隱性故障的識(shí)別和防止零序方向縱聯(lián)保護(hù)誤動(dòng)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(diǎn)接地的查找方法，但該方法不能實(shí)現(xiàn)在線、實(shí)時(shí)檢測(cè)和識(shí)別；文獻(xiàn)[10]對(duì)兩點(diǎn)接地的接地點(diǎn)查找方法進(jìn)行了改進(jìn)，但仍無法實(shí)現(xiàn)在線、實(shí)時(shí)的檢測(cè)；文獻(xiàn)[11]提出了PT二次回路兩點(diǎn)接地的實(shí)時(shí)識(shí)別方法，并提出一種解決辦法，但都是只針對(duì)單相接地故障時(shí)的情況，具有局限性?？梢娔壳搬槍?duì)電壓互感器二次回路兩點(diǎn)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(diǎn)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(duì)零序方向保護(hù)的影響機(jī)理；其次分析PT二次回路兩點(diǎn)接地時(shí)，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(diǎn)接地故障的識(shí)別方法；最后，提出了防止PT二次回路兩點(diǎn)接地導(dǎo)致零序方向縱聯(lián)保護(hù)誤動(dòng)的措施。

1 PT兩點(diǎn)接地對(duì)零序方向保護(hù)的影 響機(jī)理

根據(jù)《國(guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)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(diǎn)接地，這樣不能對(duì)PT二次繞組實(shí)現(xiàn)可靠的雷擊過電壓保護(hù)，因此，通常會(huì)在開關(guān)場(chǎng)地將PT二次繞組中性點(diǎn)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(shí)有發(fā)生，從而造成PT二次回路兩點(diǎn)接地的隱性故障[13-14]。

圖1 實(shí)際接線圖

以下具體分析此隱性故障對(duì)零序方向保護(hù)的影響。根據(jù)圖1，當(dāng)開關(guān)場(chǎng)地的放電間隙或氧化鋅閥片被擊穿時(shí)，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(jī)保護(hù)全部采用自產(chǎn)零序，即實(shí)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(diǎn)接地故障對(duì)系統(tǒng)不同狀態(tài)的影響。

1.1 一次系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)

1.2 一次系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障

圖3 受PT兩點(diǎn)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(diǎn)接地隱性故障時(shí)，導(dǎo)致自產(chǎn)零序電壓不與一次系統(tǒng)實(shí)際零序電壓成正比，會(huì)引起零序方向保護(hù)的誤動(dòng)、拒動(dòng)，可能會(huì)引起一次系統(tǒng)連鎖故障發(fā)生。

2 PT兩點(diǎn)接地的特征及識(shí)別方法

圖4 受PT兩點(diǎn)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(shí)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(diǎn)M側(cè)的總阻抗；ZN為故障點(diǎn)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(diǎn)接地

PT發(fā)生兩點(diǎn)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(shí)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(diǎn)接地隱性故障的情況

PT發(fā)生兩點(diǎn)接地隱性故障時(shí)：

(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(shí)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(diǎn)接地隱性故障狀況

PT發(fā)生兩點(diǎn)接地隱性故障時(shí)

(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(diǎn)接地故障時(shí)，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(diǎn)接地對(duì)電壓、電流的影響特征，再加設(shè)門檻電壓，得到PT兩點(diǎn)接地的識(shí)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(shí)發(fā)生PT兩點(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(yàn)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(zhǎng)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(yàn)證PT兩點(diǎn)接地對(duì)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(diǎn)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(cuò)誤判斷；并基于MATLAB驗(yàn)證識(shí)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(diǎn)劃線與點(diǎn)線之間的區(qū)域?yàn)榱阈蚍较虮Ｗo(hù)的動(dòng)作區(qū)。由圖可以看出，由于電壓回路PT兩點(diǎn)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(dòng)。

b.再設(shè)在1s時(shí)，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(diǎn)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(cè)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(diǎn)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(dòng)。

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(shí)別方法能有效識(shí)別PT兩點(diǎn)接地隱性故障，在正常情況下不會(huì)誤判；

b.識(shí)別方法從故障時(shí)刻到識(shí)別PT兩點(diǎn)接地并發(fā)出警報(bào)，在1～3ms即可完成；

c.從故障時(shí)刻到識(shí)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(diǎn)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(dòng)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(shí)別方法流程圖

圖14 解決辦法流程圖

表2 PT兩點(diǎn)接地故障下有無解決辦法的比較

4 結(jié) 論

PT兩點(diǎn)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(guó)超高壓系統(tǒng)引起了若干保護(hù)誤拒動(dòng)事故。分析研究了PT兩點(diǎn)接地隱性故障對(duì)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(diǎn)接地只影響保護(hù)裝置測(cè)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(shí)別該隱性故障的方法；提出在PT發(fā)生兩點(diǎn)接地故障時(shí)，利用對(duì)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(diǎn)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。

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(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(yùn)行與維護(hù)工作。

TM451

A

2095-6843(2017)02-0125-07