二次交流回路異常對線路保護的影響及優化措施

趙志宏 伍葉凱 張月品 杜兆強 熊 軍

二次交流回路異常對線路保護的影響及優化措施

趙志宏 伍葉凱 張月品 杜兆強 熊 軍

（北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085）

總結目前常規采樣線路保護識別二次交流回路異常的難點，主要包括負荷很小時的CT斷線、電流相序錯誤、IN斷線、UN多點接地、IN多點接地、保護啟動后發生PT斷線及線路單相接地故障時非故障相出現尖波電流等，結合現場實際故障分析對保護的不利影響。在不能及時判別出二次交流回路異常的情況下，需要通過優化保護邏輯等措施，降低異常發生的概率及對保護的影響。其中，對于非故障相出現的尖波電流可能導致分相電流差動保護誤動的情況，提出分相電流差動保護經兩側故障電流閉鎖的優化措施，該措施已在現場應用，取得了良好的效果。

線路保護；二次零序電流回路斷線；CT斷線；尖波電流；分相電流差動保護

0 引言

二次交流回路能否正確運行，直接影響繼電保護的性能。《國家電網有限公司十八項電網重大反事故措施》明確了對二次交流回路應注意的問題，但二次交流回路異常導致線路保護不正確動作的情況仍時有發生。如何實現對二次交流回路異常的有效判別，并降低異常的發生及其對保護的不利影響，一直是繼電保護研究的課題。

最近一次判別二次交流回路異常的重要突破是在2004年，相關人員發現二次電壓中線UN斷線的典型特征是電壓回路中出現三次諧波，提出三次諧波過量告警判據，能夠及時判別UN斷線[1]，并已得到廣泛應用。

目前，對于負荷較小時的二次電流互感器（current transformer, CT）斷線、電流相序錯誤、零序電流回路IN斷線、UN多點接地、IN多點接地、保護啟動后發生的電壓互感器（potential transformer, PT）斷線、非故障相出現尖波電流等異常情況，線路保護還沒有可靠的識別判據，往往在事故發生后通過人工分析才能查出異常。

在目前異常判別技術還需完善的情況下，需要降低二次交流回路異常發生的概率及其對保護的影響，防止保護不正確動作。

文獻[2-9]分析二次交流回路出現異常時導致線路保護不正確動作的原因，提出嚴格執行反措、加強對二次回路接線的定期檢查、強化現場作業安全措施、提高檢修人員安全防范意識及改進二次回路接線等防范措施。文獻[10]提出使用在線監測裝置監測UN多點接地情況。線路保護裝置正確接入外接零序電壓回路有一定難度[11]，相關規范不再要求線路保護接入外接零序電壓回路，因此PT斷線后零序保護失去了方向，失去了選擇性，但是簡化了接線、大幅減少了誤接線情況的發生。這些措施均有利于提高運維水平。

文獻[12]研究利用變電站冗余信息構建站域保護系統，當PT、CT斷線時主保護拒動時，仍可快速切除故障元件，但該方案目前還未推廣使用。

文獻[13]分析單相接地故障時非故障相出現尖波電流的機理，故障相的非周期分量在IN回路的電阻上形成的非周期電壓，疊加到非故障相CT二次繞組，若IN電阻達到一定數值，非周期電壓形成的、在整個衰減時間內逐漸累加的磁鏈超過CT勵磁電壓拐點值，就會產生一個突然變大的勵磁電流，非故障相CT勵磁電流的增加又導致CT勵磁阻抗下降，最終形成尖波電流。

本文分析二次交流回路異常判別難點存在的原因，以及對保護元件的影響，提出分相差動保護經兩側故障電流閉鎖的輔助判據，可解決非故障相出現尖波電流導致差動保護誤動的問題，同時仍能保證各種故障發生時分相電流差動保護原有基本判據的正確性。

1 判別二次交流回路異常的難點分析

目前線路保護裝置識別二次交流回路異常的判據主要有：PT斷線、CT斷線、長期有差流、電流不平衡、外接3I0接反、三相相序不對應、中性線UN斷線、同期電壓異常等[14]。這些判據可以檢測出絕大多數二次交流回路異常情況，但對于異常特征不明顯的情況或線路故障時才呈現出的異常特征，線路保護裝置則很難判斷。

1.1 判別二次交流電壓回路異常的難點

正常運行時，三相電壓約為57.7V，檢同期電壓約為100V或57.7V，相電壓數值較大，且沒有零序電壓。若相電壓偏離正常值較大或出現一定的零序電壓，則為異常。這些因素有利于保護裝置對電壓異常情況的判別。

二次交流電壓的特殊情況是，系統故障也可能會有相電壓變化或出現零序電壓。若保護啟動后才有相電壓變化或出現零序電壓，則很難區分是故障還是異常，保護目前只能在不啟動時判別電壓異常情況。因此，對于保護啟動后發生的PT斷線、UN多點接地等情況，目前仍是異常判斷的難點。

1.2 判別二次交流電流回路異常的難點

保護裝置判有電流的門檻值一般為0.05n～0.1n，n為二次額定電流。負荷電流小于有電流門檻值時，對于CT斷線、電流相序不對應等情況的異常判別存在難點。對于電流相序不對應的判別，除了判別相序接線不正確外，還包括檢測二次回路兩相或三相電流錯誤短接變成并聯后導致的電流 失真。

正常運行過程中，三相電流平衡，沒有零序電流，即使二次零序電流回路IN斷線，保護裝置也不能判別出該異常情況。同樣，正常運行過程中，IN多點接地、IN未接地及IN回路阻抗大等異常情況下，三相電流仍保持平衡，保護裝置不能判別出上述異常情況。

2 未判別出二次交流回路異常對保護的影響

結合現場發生的事故案例，分析線路保護裝置在沒有識別出二次交流回路的異常情況時，對保護正確動作的影響。

2.1 負荷較小時的CT斷線對保護的影響

某220kV線路發生區外AN故障，兩側分相電流保護誤動，跳A相。事后查明，有一側保護裝置的交流插件未插緊，A相電流端子未將交流插座的聯片頂開，導致A相電流被旁路，流入裝置的A相電流很小。保護的故障錄波如圖1所示，顯示了故障期間在1時刻的A、B、C相電流及外接零序電流的有效值。

該線路因運行時負荷較小，二次電流不到0.03A，零序電流未滿足CT斷線告警判別條件，也未滿足長期有差流的告警條件。

圖1 保護裝置A相斷線時發生區外AN故障的錄波

2.2 負荷較小時的電流回路錯誤短接對保護的影響

某500kV線路發生區外BN故障，兩側電流差動保護誤動，跳A相。事后查明，M側線路保護屏，施工人員在制作端子排金屬連片時，未將邊緣裁剪成45°斜角，且遺留了金屬毛刺，導致接入保護的A、B相電流在屏端子排上短接，造成保護裝置的A相和B相電流相位基本相同。該線路因運行中負荷電流較小，未滿足電流相序不對應告警條件。線路區外BN故障時，MN兩側保護錄波如圖2所示。

圖2 M側A、B相電流回路短接時的兩側保護錄波

兩側CT電流比均為2 500/1。1為故障開始時刻，相電流實際約0.04A，2為故障期間，與N側相比，M側非故障相的A相電流增大、故障相B相的電流減小，N側A相電流變化較小，A相滿足分相電流差動保護動作條件，而B相因為制動電流較大，沒有動作。

對于該接線情況，若區內發生AN或BN故障，保護會誤跳三相。

2.3 二次零序電流回路斷線對保護的影響

某500kV線路發生區內BN故障，但A相和B相均滿足分相電流差動保護動作條件，兩側保護三跳。截取MN兩側線路保護動作時現場打印的錄波報告如圖3所示，M、N側的CT電流比分別為3 000/1、4 000/1。事后查明，M側線路保護的零序電流回路IN出現斷線的情況，導致B相接地故障時，沒有出現外接零序電流，而A相電流增大到1.28A；N側有正常的外接零序電流，A相電流為0.03A，因此，A相滿足電流差動保護動作條件。

圖3 M側IN斷線時兩側保護打印的錄波報告

此外，現場還出現過某220kV線路區外發生C相故障時，兩側電流差動保護A相誤動的情況，也是由于線路一側保護裝置的零序電流回路斷線所致。

零序電流回路斷線不會燒毀設備，但斷線側相電流及零序電流不正常，會影響保護的正確動作。

2.4 保護啟動后發生PT斷線對保護的影響

某220kV線路，負荷變化時保護啟動，0.6s后PT三相失電壓，后備相間距離保護動作，保護錄波如圖4所示。1為負荷變化20ms后時刻，2為保護動作時刻。事后查明，由于直流控制母線一段整體失電導致電壓切換返回，引起了三相失電壓。

圖4 保護啟動后PT斷線錄波

保護啟動之后出現了三相失電壓，若負荷電流大于精工電流0.1n，測量阻抗基本為0，保護選相為三相短路故障，對于相間距離Ⅲ段保護，在三相短路時的阻抗動作特性包含原點，會滿足動作條件。

2.5 UN多點接地對保護的影響

某220kV線路發生區外BN故障，兩側縱聯零序保護動作，跳B相。事后查明，M側在網控室和主控室存在UN兩點接地的情況，圖5為UN兩點接地時線路發生區外BN故障的電壓相量圖。

圖5 UN兩點接地時發生區外BN故障的電壓相量圖

UN兩點或多點接地，保護在發生接地故障后才能測量到零序電壓。發生接地故障期間，相電壓和零序電壓的大小及方向均不正確，可能導致縱聯距離保護、縱聯零序保護、后備距離保護和帶方向的零序電流保護出現不正確動作。

2.6 IN多點接地對保護的影響

某330kV線路保護柜B處的電纜絕緣層破裂后纜芯與屏門搭接，導致“B”處接地，存在IN兩點接地情況。IN兩點接地時發生AN區內故障的示意圖如圖6所示。發生區內A相接地故障時，保護外接零序電流經過圖6中的虛線分流了75%，零序電流Ⅰ段和接地距離Ⅰ段保護未能動作。

圖6 IN兩點接地時發生AN區內故障的示意圖

IN兩點或多點接地，發生接地故障時常見的情況是，保護采集到的外接零序電流值會減小。對于零序差動保護，一般采用自產零序電流，因此不受影響；若采用外接零序電流值判別大小，將影響縱聯零序保護、零序電流保護及單相接地故障時的縱聯距離保護、后備距離保護的正確動作。

2.7 非故障相出現尖波電流對保護的影響

圖7為某220kV線路發生區外AN故障時兩側分相電流差動保護誤動的保護錄波，顯示了在故障1時刻的各相二次電流有效值。兩側CT電流比均為2 000/5。M側保護錄波中，1時刻，A相故障電流達到33.4A，有非周期分量，本側非故障相C相出現6.6A的尖波電流。因N側C相電流較小，會出現C相差動電流。若只采用式（1）的基本判據，非故障相C相的分相電流差動保護會發生誤動。

圖7 區外AN故障時非故障相出現尖波電流的錄波

在使用縱聯電流差動保護之前，非故障相出現尖波電流的異常情況并沒有得到關注，也間接證明了該異常因持續時間短，對距離、零序等保護元件影響很小。在縱聯電流差動保護推廣使用后，該異常導致分相差動保護誤動的情況開始不斷出現，但直到產生尖波電流的機理被厘清之后，才能對保護裝置提出針對性的優化措施。

單相接地故障時，非故障相出現的尖波電流的主要特點是：①故障相電流大，有非周期分量；②在非故障相中出現的尖波電流相對較小，偏向一側，與故障相電流波峰反向；③尖波電流的脈寬短，在5ms左右；④初次故障和重合后故障均可能出現；⑤出現一次或連續幾次波頭，幅值逐漸減小。

非故障相出現的尖波電流與雷擊導致的尖波電流特征不同。雷擊導致的尖波電流在線路兩側保護中同時出現，為短暫的故障電流，脈寬一般在2.5ms左右[15]。

尖波電流的出現與二次電流回路電阻過大有關。主要包括二次負載電阻b、電流互感器繞組電阻ct[16]和二次電流回路電纜電阻d，其中b和ct為固定值。

式中：x為在飽和點的二次感應電壓；n為電流互感器二次與一次繞組圈數之比；1sc為一次對稱電流有效值。

3 降低二次交流回路異常影響的優化措施

輸電線路的保護十分重要[17]，在目前還不能有效判別出二次交流回路異常的情況下，研究降低異常的發生、對保護的影響及減少保護不正確動作的優化方案尤為重要。

PT和CT異常除了來自二次回路，也可能來自保護柜內接線、保護裝置的背板或交流插件等環節。因此，需要采用新工藝[18]等措施不斷提高產品質量，在現場需要提高運維水平，同時不斷完善異常判據、優化邏輯判據，盡量減少交流異常的發生及影響。

3.1 線路保護裝置的部分優化措施

縱聯電流差動保護主要使用交流電流量進行計算，在投入電容電流補償、弱饋啟動等情況下才用到交流電壓。投入電容電流補償時，若發生PT斷線，差動保護采用適當提高差動門檻的措施彌補電容電流的計算誤差；PT斷線時按低電壓處理，仍可以實現差流+低電壓的弱饋啟動。

CT斷線時電壓不發生變化，因此對于一相或兩相CT斷線，出現零序電流的同時出現一定的零序電壓的情況，保護判斷不是CT斷線。可以防止高阻接地故障時，在零序電流緩慢增大的過程中誤判為CT斷線。

3.2 在線監測裝置的優化措施

目前在線監測裝置已在現場應用[19]。在線監測裝置采集雙重化保護的三相電壓、三相電流及零序電流，在線路運行中，實時對比兩套保護之間的同名相電壓及同名相電流的差值，達到閾值時發出告警信息[20]。特別是區外故障時，電流、電壓會根據故障情況發生變化[21]，通過同名相之間的對比檢查，可以進一步提高二次交流回路的異常檢測能力。

3.3 差動保護經兩側故障電流閉鎖的優化措施

線路保護裝置及在線監測裝置的優化措施在實際應用中取得了較好的效果，但仍有異常情況需要不斷研究。

經統計發現，單相接地故障時非故障相出現尖波電流的異常情況，大都出現在保護室距離開關場較遠，且二次額定電流為5A的場合。其典型特征為，故障相二次電流較大，伴隨非周期分量，且IN回路電阻過大。

由式（4）可知，在相同額定輸出容量的情況下，若采用二次額定電流n為1A的電流互感器，接入同樣的二次負載阻抗L，二次負載值L減小至1/25，因此可以滿足二次電流回路的較長傳輸距離。

但運行站一般不會改變二次額定電流值。

為解決二次各相電流互串現象，文獻[22]提供了一種二次電流回路按三相六線制接線的解決辦法，從根本上避免了尖波電流問題。與傳統三相四線制的設計方式相比，此方法需要增加二次回路的電纜，而且不適合使用外接零序電流的線路保護裝置。

本文提出在式（1）為基本判據的基礎上增加輔助判據的優化措施，分相電流差動保護經兩側故障電流閉鎖的輔助判據如式（5）和式（6）所示，若A相、B相或C相的分相差動電流小于倍的兩側電流絕對值之和的最大電流值時，閉鎖相應相別的分相電流差動保護。

經過仿真試驗，分相電流差動保護經兩側故障電流閉鎖的優化措施，雖然不能判別出IN回路電阻過大，但能夠實現以下功能：

1）輔助判據采用跨相別比較方法，用故障相的制動電流和非故障相差動電流進行交叉比較，可以解決非故障相出現尖波電流時導致基本判據誤動的問題。

2）輔助判據中取0.1～0.3倍的差動制動系數，而基本判據采用0.6倍的差動制動系數，可以避免誤閉鎖故障相差動保護。

3）通過增加判據改進算法，在不改變二次電流回路接線方式的情況下提高了線路保護動作的可靠性，易于工程實施。

4 經兩側故障電流閉鎖方法在現場的應用

在現場最近發生的一起220kV線路區內B相接地故障中，保護錄波如圖8所示。在線路二次故障電流較大的M側，C相出現尖波電流，在1時刻達到11.3A。經現場試驗，二次交流電流回路IN的電阻值為1.2W。

圖8 區內BN故障時非故障相出現尖波電流的錄波

主一保護未采取針對非故障相單側出現尖波電流的優化措施，未能躲過C相尖波電流的影響，保護三跳未重合；新投運的主二保護已采用本文提出的分相差動保護經兩側故障電流閉鎖的優化措施，正確跳B相，證明了該優化措施的可行性。

5 結論

負荷較小時的二次CT斷線、電流相序錯誤、二次零序電流回路IN斷線、保護啟動后發生的PT斷線、UN多點接地、IN多點接地及非故障相出現尖波電流等問題，線路保護在現有的技術條件下還不能有效識別，影響了保護的正確動作。

對于二次交流回路異常判別的難點，需要通過提高產品質量、提高運維水平、優化邏輯判據等措施，減少異常的發生，降低對保護的影響，提高保護正確動作的能力。使用在線監測裝置，可以進一步增強對二次交流回路異常的檢測性能，提高運維水平。

本文所提分相電流差動保護經兩側故障電流閉鎖的優化措施已在現場應用，可以解決非故障相出現尖波電流時分相電流差動保護可能誤動的問題，同時能夠保證區內外故障時差動保護正確動作。

[1] 徐振宇, 趙志宏. 線路保護裝置利用三次諧波檢測中線斷線的新方法[C]//中國電機工程學會繼電保護專業委員會第十一屆全國保護和控制學術研討會論文集, 南京, 2007: 38-40.

[2] 衛琳, 張健康, 粟小華, 等. 電流二次回路缺陷造成線路保護誤動作分析及防范措施[J]. 電力系統自動化, 2019, 43(19): 194-199.

[3] 張歡, 駱佳勇, 羅金嵩, 等. 電流互感器中性線斷線引起保護誤動作行為分析[J]. 自動化應用, 2019(10): 62-66.

[4] 王幸. 由CT回路斷線引起的220kV線路光差保護誤動分析[J]. 電工技術, 2016(5): 70-71, 85.

[5] 王志賀, 沈潤, 張建. 線路距離保護誤動作研究分析[J]. 科技風, 2019(19): 215.

[6] 張國輝, 王昕, 王軍, 等. TV二次回路多點接地引起的縱聯保護誤動分析[J]. 山東電力技術, 2017, 44(1): 32-35.

[7] 景敏慧. 電力系統繼電保護動作實例分析[M]. 北京:中國電力出版社, 2012.

[8] 李海勇, 韓冰, 巫聰云. 電壓回路缺陷導致線路保護不正確動作分析[J]. 電工技術, 2015(9): 28-30.

[9] 陳明泉. 繼電保護二次回路絕緣現狀分析及對策[J].電氣技術, 2022, 23(3): 98-102, 108.

[10] 徐興發. 變電站電壓互感器二次中性點N600接地在線監測裝置的研制及應用[J]. 電氣技術, 2019, 20(9): 47-51, 58.

[11] 王梅義. 電網繼電保護應用[M]. 北京: 中國電力出版社, 1999.

[12] 周澤昕, 王興國, 杜丁香, 等. 一種基于電流差動原理的變電站后備保護[J]. 電網技術, 2013, 37(4): 1113-1120.

[13] 黃少鋒, 陳搏威, 伍葉凱. 電流互感器中性線電阻增大對線路差動保護的影響[J]. 電力系統自動化, 2017, 41(23): 77-82.

[14] 繼電保護信息規范: Q/GDW 11010—2015[S]. 北京:中國電力出版社, 2015.

[15] 王玉強, 柏峰, 孟磊, 等. 一起光纖差動保護動作情況分析及探討[J]. 中國電力, 2015, 48(5): 51-55.

[16] 曾曄, 李春來, 蘭雄. 剩余電流互感器傳變特性研究與優化設計[J]. 電氣技術, 2022, 23(4): 55-62.

[17] 高明鑫, 胡志堅, 倪識遠, 等. 四回非全線平行線路零序分布參數測量方法[J]. 電工技術學報, 2022, 37(6): 1351-1364.

[18] 馬偉明. 關于電工學科前沿技術發展的若干思考[J]. 電工技術學報, 2021, 36(22): 4627-4636.

[19] 孫文杰, 張磊, 毛佳樂, 等. 電力設備絕緣損傷形式及自修復材料研究進展[J]. 電工技術學報, 2022, 37(8): 2107-2116.

[20] 潘志騰. 關于智能變電站繼電保護二次回路在線監測與故障診斷的研究[J]. 電氣技術, 2020, 21(12): 78-82.

[21] 張嫣, 林涌藝, 邵振國. 電壓暫降可觀約束下的定位監測點多目標優化配置[J]. 電工技術學報, 2019, 34(11): 2375-2383.

[22] 景敏慧. 變電站電氣二次回路及抗干擾[M]. 北京:中國電力出版社, 2010.

Impact of secondary AC circuit anomaly on line protection and optimum measures

ZHAO Zhihong WU Yekai ZHANG Yuepin DU Zhaoqiang XIONG Jun

(Beijing Sifang Automation Co., Ltd, Beijing 100085)

The difficulties in identifying secondary AC circuit anomalies with conventional sampling line protection are summarized, including CT break with very low load, phase sequence error of current, IN break, UN multi-point grounding, IN multi-point grounding, PT break after protection start-up and spike current in non-fault phase when line single-phase grounding fault occurs, etc. The adverse effects on protection are analyzed in combination with actual faults. In case the anomaly of secondary AC circuit can not be identified in time, measures such as optimizing protection logic are needed to reduce the probability of abnormal occurrence and its impact on protection. In the case that spike current in non-fault phase may lead to incorrect operation of phase-split current differential protection, an optimum measure for phase-split current differential protection locked by fault current on both sides is put forward, which has been applied in the field and achieved good results.

line protection; secondary zero-sequence current circuit disconnection; CT discon- nection; spike current; phase-split current differential protection

2022-04-12

2022-05-12

趙志宏（1967—），男，黑龍江省虎林市人，高級工程師，主要從事繼電保護的研發工作。