一起電流二次回路非典型相間短路故障分析

田洪磊，王 一，呂旭東，張 松，黃 超

（國網浙江省電力公司檢修分公司，杭州 311232）

一起電流二次回路非典型相間短路故障分析

田洪磊，王 一，呂旭東，張 松，黃 超

（國網浙江省電力公司檢修分公司，杭州 311232）

在一起非典型500 kV線路保護電流二次回路的相間短路故障中，由于短路電阻的存在，導致短路的兩相電流出現了換相現象。通過對故障現象進行分析，結合理論計算出短路電阻大小，并借助PSCAD建模加以驗證。根據仿真結果分析了短路電阻大小對短路電流的影響，為運維檢修人員處理類似缺陷提供了參考。

電流二次回路；相間短路；短路電阻；故障分析；繼電保護

0 引言

電流回路是繼電保護裝置中的重要回路，它通過TA（電流互感器）將一次電流轉換成二次電流后，供保護裝置進行故障判別。電流二次回路常見故障有多點接地、極性接反、相間短路、相地短路、相序接反以及斷線等，這些故障將造成繼電保護裝置或測量裝置的二次電流采樣錯誤、不平衡電流增大、出現差流或零序電流等，進而導致繼電保護裝置的誤動或拒動[1-4]。文獻[1]對TA二次側的短路情況進行分析，提出了電流二次回路短路的判據，然而該判據只適用于短路電阻為零的情況，存在局限性。

以下結合一起非典型500 kV線路保護電流二次回路異常現象，通過理論計算和仿真建模，分析、總結了短路電阻大小對電流二次回路短路的影響。結論可為二次運維檢修人員進行電流回路異常消缺提供參考，有助于進行快速故障判別。

1 事故簡介

某500 kV變電站內，運維人員在日常巡檢中發現，某500 kV線路的第二套線路保護裝置三相電流不平衡，電流采樣數據如表1所示。為便于對比，表中還列出采樣正常的第一套線路保護裝置的電流數據。

表1 某500 kV線路2套線路保護裝置電流采樣值

檢修人員在保護屏電流端子處測量，測得的電流數據與裝置顯示一致，排除了保護裝置故障的可能。

該變電站500 kV部分采用3/2接線，線路的第二套保護用電流，由邊開關電流互感器的2號次級電流和中開關電流互感器的7號次級電流合成。現場的電流二次回路如圖1所示，其中SD為大電流端子。

圖1 500 kV線路電流二次回路

檢修人員進一步檢查電流端子箱，首先使用鉗形電流表測量從電流互感器接入的電流，即SD端子前電流，發現邊開關和中開關二次電流均正確（見表2），從而排除了電流互感器故障的可能。

表2 SD前電流數據（圖1中左端子排測量）

檢修人員進一步測量大電流端子箱的前后電流，發現其幅值相同，但是中開關電流相位出現了異常。比對中開關7號次級（異常電流）和8號次級（正常電流）的相位差，分別見表3和表4。

根據電流相位數據，明顯發現7號次級電流A相和B相電流反相，但經檢查確認并未發現A相和B相配線接反。

檢修人員再次進行檢查，發現在7號次級SD處，有細小金屬絲屑搭接在A相和B相之間。將金屬絲屑清理之后，電流隨即恢復正常。由此可以判定，造成7號次級電流A相和B相電流反相的原因是兩相之間短接了一段金屬絲。這與常見的電流回路兩相短路現象相去甚遠，為此對電流回路兩相短路進行深入分析。

表3 SD端子后（圖1中右端子排）中開關TA 7號次級與8號次級三相電流的相位差（°）

表4 SD端子前（圖1中左端子排）中開關TA 7號次級與8號次級三相電流的相位差（°）

2 故障理論計算

短接金屬絲比較細，認為其帶有一定電阻值，假設大小為r。從大電流端子箱到繼電保護裝置這段電纜的電阻值，根據經驗數據設為1 Ω，電路模型如圖2所示，邊開關A相、邊開關B相是邊開關TA二次側2號次級的等效電流源，中開關A相、中開關B相是中開關TA二次側7號次級的等效電流源，電流值見表2。

圖2 電路模型

根據疊加原理[5]，邊開關A相電流單獨作用時，流過線路保護A相、B相的電流分別為：

當中開關A相電流單獨作用時，流過線路保護A相、B相的電流分別為：

當中開關B相電流單獨作用時，流過線路保護A相、B相的電流分別為：

當邊開關B相電流單獨作用時，流過線路保護A相、B相的電流分別為：

3 仿真計算

3.1 案例建模分析

根據圖1的二次回路，利用電力系統仿真計算軟件建立仿真計算模型，并設置r的電阻值為0.39 Ω。

仿真計算得到的電流波形如圖3和圖4所示，其中Ia，Ib，Ia2，Ib2所代表的電流，參見圖2所示的電路模型。

圖3 Ia與Ia2電流波形

圖4 Ia與Ib2電流波形

在圖3中，T1和T2標尺之間的時間差是0.006 7 s，對應的相位差是120.6°。圖4所示的Ia和Ib2的電流波形重合。可見，仿真計算的結果與表3、表4的實測相位一致，同時也驗證了上述計算理論。

綜上所述，導致第二套線路保護裝置三相電流不平衡的原因是在大電流接地端子箱處由金屬絲屑導致A相、B相間發生短路，該金屬絲屑帶有約0.39 Ω的電阻值，正好使得A相、B相電流相位相反。

3.2 一般性建模分析

進一步利用PSCAD搭建仿真模型，金屬絲的電阻分別設置為 0 Ω， 0.2 Ω， 0.4 Ω， 0.8 Ω， 1 Ω，∞。

根據仿真數據，不同短路電阻下SD前、后A相和B相電流的相位差如表5所示。從表5可以看出：

（1）0.4 Ω是一個特殊的短路電阻值，導致兩組電流間的相位差是240°，且此時Ia與Ia2的幅值差較小。

（2）Ia2與Ib2的幅值差不受r值的影響。

（3）當r為0，即純金屬性短路情況下，Ia與Ia2的幅值差較小，相位差約為126°，Ia2與 Ib2的幅值差為0，相位差約138°。

（4）當r為∞時，即無短路情況下，Ia與Ia2無幅值差和相位差，Ia2與Ib2的相位差為120°。

表5 SD前、后（Ia與Ia2）A相電流的相位差

若B相、C相之間也有短路電阻，仿真模型和結果波形如圖5—7所示。

圖5 A-B-C短路仿真模型

圖6 A-B-C短路時電流波形

圖7 A-B-C短路時三相電流波形

由圖7仿真結果可知，此時三相電流呈現嚴重不對稱。經計算，此時無零序電流，但出現較大的負序分量。對于線路保護而言，單側采樣異常將導致非正常差流出現，可能引起保護誤動作。

4 結語

結合一起非典型電流回路相間短路故障案例，通過理論計算和仿真分析，得出結論：電流回路發生兩相短路故障時，存在某一特定的短路電阻值，使得短路的兩相電流相位互調，其現象與相別接反一致，會對運維檢修人員進行故障判別帶來迷惑性。

進一步對電流回路發生兩相短路故障時，短路電阻由0到∞的電流變化情況進行仿真分析，結果表明：不同的短路電阻將會影響到短路后電流的幅值和相位，進而影響運維檢修人員對電流回路相間短路故障的正確判別。

由于電流回路發生相間短路時，短路相電流和幅值都將出現異常，當檢查電流回路發現有兩相及以上電流回路出現幅值或者相位異常時，應及時排查電流回路相間短路的可能性，可大大提高故障定位的準確性和快速性。

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2017-09-22

田洪磊（1986），男，助理工程師，主要從事電力系統繼電保護及自動化工作。

（本文編輯：方明霞）

Analysis on an Untypical Interphase Short-circuit Fault in Secondary Current Circuit

TIAN Honglei， WANG Yi， LYU Xudong， ZHANG Song， HUANG Chao（State Grid Zhejiang Maintenance Branch Company，Hangzhou 311232， China）

This paper presents an untypical instance of phase-to-phase short-circuit fault in secondary current fault of 500 kV line protection.During to the short circuit resistance，the phases of the short-circuit current were inverted.By observation and analysis， the value of fault resistance is calculated， and the phenomenon is verified by PSCAD modeling.The influences of short-circuit resistance on short-circuit current is analyzed by simulation result，which can be referenced by operation and maintenance engineers in dealing with similar defects.

secondary current circuit； interphase short circuit； short-circuit resistance； fault analysis；relay protection

10.19585/j.zjdl.201711002

1007-1881（2017）11-0012-04

TM712

B