500 kV線路PT二次電壓不平衡的原因分析

孫艷軍，謝蓓敏，唐延明

(國網吉林省電力有限公司檢修公司，吉林 長春 130022)

500 kV線路PT二次電壓不平衡的原因分析

孫艷軍，謝蓓敏，唐延明

(國網吉林省電力有限公司檢修公司，吉林 長春 130022)

對變電站存在的500 kV線路電壓互感器二次回路異常現象進行分析，通過將異常數據與其他穩定運行設備數據參照、對比，對導致電壓互感器二次回路異常運行的原因進行論述，分析變電站設備空間場地內電磁感應所引發的問題，并提出相應的防范、治理對策。

二次電壓異常；中線電位；N600芯線閉環

1 故障過程

2010年某夜，正常運行的500 kV合南1號線并聯電抗器第1套WDK-600電氣量保護裝置的匝間保護突然發出跳閘命令，跳開本側開關。同時向線路對端發出遠傳命令，對端保護裝置發跳閘令，將合南1號線從系統中徹底隔離。在確認一次設備無異常情況后，網調下令將本側的合南1號線并聯電抗器第1套電氣量保護停用，一次設備送電恢復至正常的運行方式。

通過調取保護裝置的錄波報告發現：導致匝間保護出口的電抗器高、低壓側零序電流及線路零序電壓同時出現，啟動量超過裝置的動作門檻值，持續時間超過了裝置固有的抗干擾判別延時整定值。通過核對運行中設備的電流、電壓采樣數值，發現運行中的合南1號線PT數值存在第1組二次電壓三相不平衡的異常情況，保護用A651、B651、C651三相電壓值及3U0計算值分別約為59.5 V、61.5 V、60.7 V、5.2 V，3U0計算值超過WDK-600保護裝置匝間保護的零序電壓動作門檻值，而實際上作為重要對比數據的戶外接入開口三角卷的零序電壓卻很低。

仲夏雨夜的環境下，系統發生了擾動，合南1號線及其并聯高抗設備都流過穿越性的零序電流，待擾動消失后該穿越性零序電流自然消失。但其零序電壓長期存在，零序電壓及零序電流幅值與相角構成了本端高抗匝間保護出口的條件，對端收到遠傳信號的同時亦存在合南1號線零序電流越限的情況，最終導致線路兩端均動作跳閘。

合南1號線電抗器第1套保護PT二次電壓異常是導致這次裝置誤跳閘的重要間接因素。

2 問題的排查與解決

2.1 問題的排查

查閱變電站Ⅰ期工程的設計圖紙：線路PT二次的第1卷電壓分配給第1套保護及測量回路使用，線路PT二次的第2卷電壓專門給第2套保護使用，PT二次的開口三角卷僅供故障錄波器使用。從線路PT端子箱開始，用2根電纜把第Ⅰ組二次電壓分別送到線路第1套保護屏及線路測控屏。第Ⅱ組二次電壓及開口三角卷電壓分別經一根電纜與線路第2套保護及故障錄波器屏相聯。保護屏、錄波器屏及測控屏則分別用屏頂小母線的方式與N600母線相聯接。合南1號線并聯電抗器第1套電氣量保護使用的電壓取自合南1號線線路測控屏電壓。

重點對合南1號線二次電壓的二次回路接線及相關參數進行檢查測量，同時將與其接線方式相同的豐合線及有參照性的梨合1號線、合南2號線二次回路相關參數也進行測量對比。

合南1號線戶外PT端子箱處測量電壓：第Ⅰ卷PT二次A651，B651，C651對Ⅰ組電壓中性點N600分別為60.70 V，60.72 V，60.69 V；第Ⅰ卷PT二次A651，B651，C651對Ⅱ組電壓中性點N600分別為59.75 V，61.83 V，60.77 V；第Ⅱ卷PT二次A652，B652，C652對Ⅱ組電壓中性點N600分別為60.68 V，60.72 V，60.71 V；第Ⅱ卷PT二次A652，B652，C652對Ⅰ組電壓中性點N600分別為61.58 V，59.84 V，60.14 V。第Ⅰ卷PT二次中性線與第Ⅱ卷PT二次中性線之間存在5 V左右的電位差。

梨合1號線戶外PT端子箱處測量電壓：第Ⅰ卷PT二次A651，B651，C651對Ⅰ組電壓中性點N600分別為60.73 V，60.75 V，60.74 V；第Ⅰ卷PT二次A651，B651，C651對Ⅱ組電壓中性點N600分別為59.73 V，61.51 V，60.94 V；第Ⅱ卷PT二次A652，B652，C652對Ⅱ組電壓中性點N600分別為60.70 V，60.72 V，60.69 V；第Ⅱ卷PT二次A652，B652，C652對Ⅰ組電壓中性點N600分別為61.04 V，60.54 V，60.38 V。第Ⅰ卷PT二次中性線與第Ⅱ卷PT二次中性線之間存在0.8 V左右的電位差。

合南1號線測控屏及保護屏電壓測量均在連接屏頂電壓公共母線N600的情況下進行的。四方保護屏A651，B651，C651對全站公用電壓小母線N600分別為59.54 V，61.52 V，60.90 V；南瑞保護屏A652，B652，C652對對全站公用電壓小母線N600分別為60.68 V，60.74 V，60.71 V；測控屏A651，B651，C651對全站公用電壓小母線N600分別為60.15 V，60.98 V，60.85 V。

豐合線戶內裝置端子排處測量電壓：四方保護屏A651，B651，C651對Ⅰ組電壓中性點N600分別為60.50 V，60.91 V，60.54 V；南瑞保護屏A652，B652，C652對Ⅱ組電壓中性點N600分別為60.71 V，60.74 V，60.73 V；測控屏A651，B651，C651對Ⅰ組電壓中性點N600分別為60.54 V，60.80 V，60.64 V。

2.2 初步解決的問題

由于合南1號線高抗保護裝置采用早期的保護組屏方式，屏內第1套電氣量保護、第2套電氣量保護的電壓中性點在端子排外側均采用外接全站公用的N600電壓小母線接線方式。嘗試從線路第1套保護(四方保護)屏內轉送來A651，B651，C651及線路戶外電壓中性線電壓做為電抗器第1套保護的A，B，C，N工作電壓。為此，拆除了從測控屏來的A651，B651，C651電纜接線，同時拆除四方保護屏內的屏頂N600小母線，只保留測控屏內某處與戶內公共接地點N600母線連接線。

第Ⅰ組電壓取消了四方保護屏戶內N600母線后，2根電纜并接入戶接線方式下的合南1號線戶內裝置顯示：四方保護屏A651，B651，C651對Ⅰ組電壓中性點N600電壓值及3U0計算值分別為60.72 V，60.71 V，60.74 V，3.0 V；南瑞保護屏A652，B652，C652對Ⅱ組電壓中性點N600電壓值及3U0計算值分別為61.38 V，61.54 V，61.24 V，0.06 V。

接線改造完成后，合南1號線高抗第1套保護三相電壓不平衡的情況消失了。

2.3 未解決的問題

合南1號線第Ⅰ組PT電壓平衡問題解決后，以下異常現象卻仍然長期存在。

(1) 合南1號線測控屏測量引入電纜的Ⅰ組電壓中性線N600芯線負荷電流為348 mA，該屏至全站PT公共接地點處的N600母線連接線N600芯線的負荷電流為350 mA；合南1號線四方保護屏戶外接入電纜負荷電流為A651芯線17 mA、B651芯線17 mA、C651芯線17 mA，PT戶外引入保護屏的Ⅰ組電壓電纜中性線N600的芯線負荷電流為346 mA，而全站公用電壓母線N600入地處才流過376 mA的電流。

(2) 雖然此次改造解決了合南1號線第Ⅰ組三相電壓不平衡的問題，但第Ⅰ組電壓中性線N600對全站基準零電位點的電位差數值仍偏高。

(3) 合南2號線只用1根電纜將第Ⅰ組PT電壓引入測控屏，其電纜長度比合南1號線還要長一些，但用鉗形電流表測量該電纜電壓中性線N600的芯線負荷電流只有7 mA(該電纜屏蔽層入地電流將近500～600 mA)。

(4) 豐合線四方保護屏處N600屏頂小母線負荷電流為50 mA；連接戶外PT端子箱到測控屏處電纜的N600芯線負荷電流為52 mA。

(5) 該屏測量到從PT端子箱到4×4電纜N600芯線負荷電流為87 mA，到該屏4×2.5電纜N600芯線負荷電流為86 mA；從該屏至線路REL-561保護屏的N600芯線負荷電流為5 mA；從該屏至全站PT公共接地點處的N600芯線負荷電流為6 mA。該情況介于合南1號線及豐合線之間，長時間運行過程中保護亦未發出PT回路異常告警信號，此問題尚未解決。

2.4 問題的排除與分析

2.4.1 原因排除

當合南1號線停電檢修時，參照合南2號線的電纜接線模式，取消了合南1號線四方保護屏與戶外線路PT端子箱之間的電纜連接。重新敷設一條合南1號線測控屏與線路四方保護屏之間的電纜，將保護電壓重新并接到測控屏戶外來的電纜引入線芯線中。當線路PT帶電后，合南1號線線路第1套保護電壓采樣值及計算3U0值馬上與第2套保護采樣值趨于一致。

第Ⅰ組電壓僅保留測控屏內N600母線后1根電纜接線方式下，合南1號線戶內裝置顯示：四方保護屏A651，B651，C651對Ⅰ組電壓中性點N600電壓值及3U0計算值分別顯示為60.72 V，60.73 V，60.71 V，0.08 V；南瑞保護屏A652，B652，C652對Ⅱ組電壓中性點N600電壓值及3U0計算值分別顯示為60.73 V，60.75 V，60.71 V，0.09 V。用電壓表測量：四方保護屏A651，B651，C651對Ⅱ組電壓中性點N600電壓值分別為60.72 V，60.73 V，60.71 V；南瑞保護屏A652，B652，C652對Ⅰ組電壓中性點N600電壓值分別為60.73 V，60.75 V，60.71 V。

2.4.2 原因分析

要解決線路保護PT二次中性點電位偏高問題，其關鍵是徹底斷開保護屏、測控屏2根入戶電纜中的保護屏的N600芯線。

2.4.2.1 N600芯線中電流來源的分析

根據調查，發現各處N600芯線中有大量毫安級電流，因此首先從電纜屏蔽層的抗干擾功能入手進行分析。

第Ⅰ卷PT二次的中性點有2條N600芯線連接到室內裝置，在用鉗形電流表測量時都會發現存在毫安級電流，說明這2條N600芯線已經形成了閉環，其內部流過的電流實際上是對屏蔽層抗干擾電流電磁感應的反作用結果。

圖1是合南1號線、豐合線戶外PT二次中性線引入戶內的接線方式，圖2是梨合1號線戶外PT二次中性線引入戶內的接線方式。對于同一卷PT用2根電纜引入戶內使用的2個中性線芯線而言，二者入戶后在全站的PT公共接地端M點處被連接在一起(見圖1)，二者入戶后在測控屏端子排Q點處被連接在一起(見圖2)，在戶外線路PT端子箱處二者在端子排E點處連接在一起，2根芯線之間恰好形成物理意義上的兩端并聯。

在圖1、2中，二者入戶后在全站的PT公共接地端M點處被連接在一起，在線路PT端子箱處二者卻在不同的端子排E、F點處，2根芯線的另外一端連接著不同PT卷的二次非同名端。在電氣意義上，它們是被室內同一接地端M點鉗制的等電位點電氣關系，實際上也并未形成物理意義上兩端并聯。

2.4.2.2 抗干擾電流的形成及其后續影響

圖3表示假定空間電磁場對2根走向一致的電纜屏蔽層的電磁感應電流方向，是該電纜屏蔽層感應電流對構成環形N600芯線產生的次生感應電流趨勢的抽象表現。

圖1 合南1號線、豐合線戶外PT二次中性線引入戶內接入線示意

由于連接戶外線路PT端子箱至戶內裝置屏各條電纜屏蔽層的材質、規格不盡相同，電纜敷設走向、空間位置及電纜長度等也不同，導致屏蔽層中產生的屏蔽電流數值也不完全一致。即使戶外電纜溝道內敷設方向及長度都相同的2根相同電壓的PT卷入戶電纜，其屏蔽層的抗干擾電流值也是有區別的。抗干擾屏蔽層電流在閉合N600芯線回路中再度感應，形成一種反作用電流。雖然電纜走向一致，但排布層次卻有差別，導致屏蔽層抗干擾電流作用趨勢也有強弱之分。受干擾最嚴重的電纜屏蔽層的電流方向決定了2根第Ⅰ卷PT中性線N600中實際感應電流的方向及數值。

圖2 梨合1號線戶外PT二次中性線引入戶內接入線示意

圖3 感應電流走向及分布示意

環路以外的二次回路(圖2中M、Q 2點之間的回路)的電磁感應特征：電流很小、很弱。一旦圖中N600環路被拆除，剩下唯一的N600芯線中能測量到的是PT中線的不平衡電流，合南2號線間隔第Ⅰ卷PT二次N600中性線7 mA的測量數值就驗證了這個結論。

2.4.2.3 中性線環流及電位升高的根本原因

圖4是合南1號線2010年第1次完成接線改造后的回路連接示意圖。

在斷開屏頂N600小母線的情況下，用鉗形電流表依然能夠測量到合南1號線測控屏引入電纜N600芯線負荷電流348 mA，該屏至全站PT公共接地點處的N600芯線負荷電流350 mA；另外一根戶外引入至保護屏PT二次Ⅰ組電壓電纜N600芯線負荷電流346 mA，這說明該回路中依然存在N600芯線閉合環路。

圖4 合南1號線2001年第1次接線改造后的回路連接

按照原電力部早期下發的反措要點要求：集成電路及微機保護裝置引入的交流及直流電源來線應先經抗干擾電容后才能進入保護內部裝置。現在保護裝置采用背板走線方式，在交流電壓插件處將其外接的全部端子都經過一個一端并聯接地的小電容，其目的是濾除50 Hz之外的干擾信號。對于直流信號而言，M點與N點不通；而N600環路中電流是交變的、各種頻率的不確定信號，這類信號能夠輕易通過電容通道進入屏體的接地銅排處，再與等電位接地網相通。而N600小母線就是經過一點固定連接在室內的等電位接地網上，因此借助保護屏的抗干擾電容，戶外來的中性線N600實際上與屏頂N600小母線是貫通的。

客觀上，導線是存在電阻的，電流從導線中流過后在導線的另外一端就會形成壓降。在圖4所示的N600環形回路中，從N600接地點M點開始到線路測控屏、到PT端子箱的E點、到線路四方保護屏的端子排A點，實際電阻約為7～9 Ω，350 mA電流流過后形成的壓降約為2.5～3.2 V，這與實際測量數據相互印證。

2.4.2.4 PT二次異常頻發的原因

從圖5所示的電纜敷設走向可以看出，用2根N600芯線連接的合南1號線第Ⅰ組電壓回路從2個500 kV完整串中間通過，另一條從500 kV主變一次導引線電纜溝道中穿越、橫切兩回500 kV母線，一條從500 kV線路出口，經受的電磁干擾環境相當惡劣。

將合南1號線戶外二次電纜回路與合南2號線、梨合1號線、豐合線相比較：

(1) 無論從電纜長度還是電磁干擾環境來看，豐合線間隔都是最樂觀的，故與合南1號線接線布局完全一致的豐合線保護從未發生過PT斷線告警；

(2) 梨合1號線PT二次電纜僅僅穿越了一個豐合線出口間隔，在其閉合的N600環形回路中測量的感應電流還是不可忽視；

(3) 無論從電纜長度還是電磁環境來看，最嚴重的是合南2號線間隔的二次電纜，而實際上只用一芯電纜將第1卷PT中性點引入保護室內的合南2號線第Ⅰ組電壓回路的N600芯線中，所能測到的鉗形表電流僅為7 mA，這只是PT二次負載的不平衡電流。

因此，可以理解合南1號線出現第Ⅰ組PT回路異常告警的幾率遠遠高于其他線路間隔。

3 結束語

綜上所述，寄生回路往往是十分隱蔽的，2個看似不相關的回路就可能存在某種隱蔽的緊密關聯，往往發生不利于系統安全穩定運行的異常事件或者引發嚴重的結果，才會引起高度關注。

為了避免或減少環路感應電流對PT二次電壓的影響，從而減少對相應的保護及安全自動裝置的不利影響。在日常工作中，要注重做好以下調查及防范工作。

(1) 為保證PT二次電壓降落的誤差要求，電壓互感器引入保護室的二次回路電纜應盡量使用單根截面積合適的芯線，避免或盡量減少采用2根電纜芯線并接的方式來提高導線的橫截面積。

圖5 500 kV場地設備及相關線路PT電纜分布示意

(2) 若PT已經處于運行狀態且采用2根電纜芯線并接入戶的接線方式，在接用電壓負載前應首先在入戶屏柜的端子排處進行2根芯線的可靠短接處理，然后將電壓中性線直接連接到全站公用接地點N600處，最后再以輻射狀的接線方式用多根電纜將A，B，C，N電壓線分配到各電壓負載處。

（3）繼電保護專業人員要不斷提升自己，提升整個專業隊伍的業務技能，便于在日后例行的設備巡視檢查工作中能夠善于察覺異常運行數據，排查出導致運行數據異常的原因，最終將問題徹底根除。確保現場每套二次設備處于健康狀態。

（4）建議電力設計單位在今后變電站土建設計工作中，對設備場地的電纜溝道進行抗電磁場干擾處理，尤其是對大量的電纜溝道表面蓋板進行屏蔽處理，盡量減弱電磁干擾信號進入電纜溝道的強度。

2014-10-28。

孫艷軍(1971-)，男，繼電保護高級技師主要從事電力系統繼電保護裝置現場維護工作，email：958167641@qq.com。

謝蓓敏(1971-)，女，高級工程師，主要從事電力系統自動化專業及二次回路現場調試與維護工作。

唐延明(1972-)，男，工程師，主要從事電力系統變電運行專業及檢修公司安全監督工作。