一起110kV電壓互感器二次回路N線斷線故障分析

林撒迦

（長園深瑞繼保自動化有限公司）

0 引言

變電站二次回路的運行由于受到電纜絕緣老化、環境侵蝕等因素的影響，線纜故障時有發生［1-2］，變壓器二次回路斷線（PT斷線）就是常見故障其中一種，包含相電壓斷線和中性線（N線）斷線。PT斷線時，對應的保護裝置電壓采樣會出現異常，導致相關保護邏輯無法正確判斷，有可能造成保護誤動或者拒動［3-4］，因此必須可靠識別PT斷線故障。PT相電壓斷線時，保護裝置采集的斷線相電壓為零，故障特征明顯，現有的判別邏輯比較成熟，一般通過電流啟動和零序電壓條件進行識別，可以及時識別PT相電壓斷線故障。而PT中性線斷線時，保護裝置采集的三相電壓受影響不大，主要表現在三相電壓波形中三次諧波含量增加。

PT二次回路接線方式中，ABC三相與零序電壓的N線通常不共用，但是實際變電站現場也存在共用N線的情況，兩種接線方式的等效回路不同，N線斷線時保護裝置采集的零序電壓受影響情況也不同。

本文針對某110kV變電站電壓互感器二次回路N線斷線導致故障線路零序過流保護據動的事故，首先對PT二次回路ABC三相與零序電壓共用N線情況下發生N線斷線時，自采零序電壓和實際零序電壓的方向進行理論分析，并搭建PSCAD仿真模型進行試驗驗證。

1 故障簡述

2023年4月，某110kV電網中變電站A母線發生A相接地故障如圖1所示，變電站B中線路保護裝置1的距離二段保護動作，而零序方向過流二段保護拒動，而線路保護裝置2的零序方向過流二段保護誤動。事故發生后，運維人員到達現場進行排查，確認變電站B的110kV電壓互感器二次回路發生N線斷線，同時ABC三相與零序電壓的N線共用。

圖1 事故現場系統示意圖

通過調取變電站B事故中故障錄波器和保護裝置的波形進行對比發現，二者三相電壓電流波形一致，故障前和故障時母線三相電壓均含有大量的三次諧波，這是由于N線斷線導致保護裝置內部的PT傳感器鐵心飽和造成的電壓波形傳變畸變。

進一步計算故障時ABC三相電壓自產零序電壓和外接零序電壓角度見表1，二者方向完全相反。線路保護裝置采用自產零序電壓和自產零序電流進行零序方向判斷，零序過流保護其正方向判據如式（1）所示，φL0為線路零序靈敏角；和分別為自產零序電壓和自產零序電流。

表1 線路保護1零序方向

現場線路線路零序靈敏角為75°，由表1可知此時零序方向角度為74°不滿足式（1），所以線路保護裝置1的零序方向元件誤判為反向故障，同理線路保護裝置2的零序方向元件誤判為正向故障，這與實際一次系統故障的零序方向完全相反。自產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二次負載不平衡導致，并且自產零序電壓方向與實際相反，導致零序方向元件誤判。

為進一步分析自產零序電壓方向錯誤的現場，本文基于PT二次回路等效回路進行理論計算推導。

2 故障分析

2.1 零序電壓計算

經與用戶溝通確認，變電站B現場PT二次回路ABC三相電壓和零序電壓共用N線，從PT二次側接入到繼保裝置PT。其等效電路如圖2所示，圖中為一次PT二次側的三相電壓和開口三角零序電壓；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各相別的等效負載阻抗。

圖2 PT二次回路等效電路圖

假設PT二次回路的中性線M、N處發生斷開，因為一次PT的一次、二次側都有效接地，所以PT二次側的電壓的輸出并不受影響。根據戴維南電路理論，此時斷線處電壓的計算如式（2）所示：

外接零序電壓和自產零序電壓的計算如式（4）所示：

2.2 電壓各序分量影響分析

2.2.1 正負序分量影響分析

當電網正常運行或發生不接地故障時，實際電網和PT二次側的三相電壓只存在正負序分量，零序電壓為0，代入式（4）中得：

由式（5）可知系統電壓對稱時，自產零序電壓與外接零序電壓方向均與斷線處電壓方向相反，且幅值大小存在3倍的關系。此時為保護裝置三相電壓等效負載阻抗產生的不平衡電壓，幅值較小。

2.2.2 零序分量影響分析

發生不對稱接地故障時，實際電網和PT二次側的三相電壓都包含正負零序分量，假設保護裝置三相電壓等效負載阻抗相等，聯立式（3）（4）可得：

由式（6）可知，即系統電壓含零序分量時，裝置自產零序電壓與外接零序電壓幅值大小相等，方向相反，且自產零序電壓與實際零序電壓方向相反；當三相電壓和零序電壓二次側負載阻抗相等時，自產零序電壓與外接零序電壓幅值大小均為實際零序電壓幅值的一半。

綜上所述，當PT二次回路中ABC三相與零序電壓共用N線時發生N線斷線故障，系統發生不對稱接地故障將導致保護裝置自產零序電壓與實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

為驗證PT二次回路中ABC三相與零序電壓共用N線時發生N線斷線故障對保護裝置零序方向元件的影響，基于PSCAD／EMTDC仿真平臺，搭建110kV輸電線路具體參數見表2。

表2 模型參數

3.1 PT二次回路發生N線斷線故障仿真

仿真模擬0.1s時PT二次回路發生N線斷線故障，取保護裝置1采集的電壓分析如圖3所示，N先斷線前，三相電壓為正弦波，自產零序電壓和外接零序電壓幅值均為0。當發生N線斷線時，三相電壓發生畸變，并產生零序電壓，此時實際系統零序電壓為0。基波零序電壓的基波有效值中，自產零序電壓為0.087V；外接零序電壓為0.029V，3次諧波有效值中自產零序電壓為38.05V；外接零序電壓為12.67V，自產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節分析結論。

圖3 N線斷線故障仿真結果

3.2 系統發生單相接地不對稱故障仿真

仿真模擬在PT二次回路發生N線斷線故障下，0.1s時變電站A母線發生AG單相接地短路故障，取保護裝置1的電壓和電流波形分析如圖4所示，自產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，實際系統零序電壓約為47.84V，自產零序電壓約為24.24V，外接零序電壓為23.94V，二者均接近實際系統零序電壓的一半。

圖4 A相接地故障仿真結果

在基波角度上，以零序電流角度為基準，故障后零序電壓的角度如圖5所示，其中實際系統零序電壓角度為－99.78°、自產零序電壓角度為70.11°和外接零序電壓角度為－96.39°，實際系統零序電壓角度和外接零序電壓角度基本一致，而自產零序電壓角度與實際系統零序電壓角度基本相反，與2.2節分析結論一致。此時采用自產零序電壓進行零序過流方向判斷時，零序方向為正向，有可能造成零序過流方向保護誤動。

圖5 零序電壓角度

4 結束語

PT的中性線斷線可能導致保護裝置電壓采集計算錯誤，造成零序方向元件判斷出錯。

本文從一起真實的110kV的PT二次回路N線斷線導致故障線路零序過流保護拒動的事故出發。采用對稱分量法對PT二次回路ABC三相與零序電壓共用N線情況下發生N線斷線對零序方向的影響進行分析，推導得出結論：該情況下發生N線斷線時，保護裝置自產零序電壓必然與實際故障零序電壓方向相反，造成零序方向元件判斷結果錯誤，進而可能導致零序過流保護不正確動作。