電流互感器斷線情況下的接地距離保護改進方案

陳福鋒

（國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京 210003）

0 引言

電流互感器（TA）二次回路從高壓TA二次側(cè)端子、室外端子箱、端子箱到保護小室的電纜連線，再到保護屏柜上面的接線端子，最后進入繼電保護的交流采集回路，整個回路上任何一點發(fā)生異常，造成回路開路或者接觸不良都可視為TA二次回路斷線[1-3]。TA二次回路斷線后一次電流全部為激磁電流，在斷路點可感應(yīng)出幾千伏甚至上萬伏的高電壓，將產(chǎn)生嚴重的安全問題。在變電站長期運行過程中，由于較長時間的機械振動引起繞組端子螺絲松動或焊接部分開焊等會導(dǎo)致TA二次回路斷線的問題，這是一種積累效果。一般而言，TA斷線與安裝、檢修的時間有關(guān)，時間愈長，出現(xiàn)斷線的可能性相對地就大些。從廣義的TA斷線而言，這可能是由以下幾種原因造成：室外端子箱、接線盒受潮，端子螺絲和墊片銹蝕過重，造成開路；交流電流回路中的接線端子排的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量存在缺陷，在運行中發(fā)生旋轉(zhuǎn)螺桿與底板螺孔接觸不良，造成開路；繼電保護裝置小TA由于長期通流發(fā)熱造成內(nèi)部斷線，或者保護裝置小TA引腳虛焊等。

繼電保護考慮TA斷線更多是側(cè)重于差動保護，要求兩側(cè)保護同時啟動差動才允許出口跳閘，很好地解決了TA斷線差動保護誤動的問題[4-6]；另外，零序和負序過流保護一般也都有TA斷線閉鎖措施，例如加零負序電壓開放判據(jù)等。而距離保護一般不考慮TA斷線，主要原因在于單純TA斷線情況下距離保護一般不會誤動。然而經(jīng)濟和生產(chǎn)的發(fā)展對供電可靠性也提出了越來越高的要求，TA斷線的情況下發(fā)生區(qū)內(nèi)或區(qū)外故障時也要求線路保護能正確動作，因此有必要研究在此復(fù)故障情況下距離保護的動作行為，并針對性地提出改進措施。

1 TA斷線時發(fā)生故障的情況下接地阻抗繼電器的測量阻抗

TA斷線情況下斷線相故障距離保護不會誤動，主要是非斷線相再發(fā)生接地故障時距離元件受斷線相電流的影響，不能正確測量故障回路阻抗，容易拒動和誤動。以下的分析均主要以B相TA斷線情況下發(fā)生A相故障為例展開，其他情況可類推分析，不再贅述。為便于分析，假設(shè)系統(tǒng)正、負序阻抗相等，忽略線路的電阻分量。雙側(cè)輸電系統(tǒng)如圖1所示，電流的正方向默認為母線流向線路。

圖1 雙側(cè)輸電系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of dual-side power transmission system

假設(shè)線路末端（圖1中N側(cè)）發(fā)生A相接地故障，保護安裝處（圖1中M側(cè)）三相故障電流分別為[6]：

其中，IA、IB、IC分別為保護安裝處故障后三相電流；Iload.A、Iload.B、Iload.C分別為線路正常運行時三相負荷電流；IFA1為故障點流過的故障電流；C0M和C1M分別為故障點向保護安裝側(cè)的零序和正序分配系數(shù)；ZΣ0和ZΣ1分別為故障點感受到的綜合零序和正序阻抗；Rg為故障過渡電阻；UA[0]為系統(tǒng)正常運行時的A相電壓，下文中 UB[0]和 UC[0]分別為系統(tǒng)正常運行時的B、C相電壓。

a.TA未斷線的情況。

其中，I0為線路零序電流。

保護安裝處A相故障回路測量阻抗為：

其中，Kz為線路零序補償系數(shù)，由線路的正序、零序阻抗決定。

b.B相TA斷線的情況。

保護安裝處A相故障回路測量阻抗為：

2 TA斷線對距離保護的影響

2.1 對負荷側(cè)保護的影響

假設(shè)M側(cè)為負荷側(cè)，A相發(fā)生接地故障情況下，M側(cè)保護安裝處各電氣量之間的關(guān)系如圖2（a）所示。

a.C1M=C0M。

當 C1M=C0M時，由式（8）可得：

比較式（9）和（6）可知，Z′A和 ZA的區(qū)別就在于 B相負荷電流的影響，若線路空載則有ZA=Z′A，即測量阻抗不受TA斷線影響。

若線路有載，則測量阻抗主要受B相負荷電流與故障電流之間的相位關(guān)系影響。如圖2（b）所示，B相負荷電流與A相故障電流之間角度差大于120°，因此有：

可知B相TA斷線造成故障相A相補償電流與TA正常情況下相比偏大，其測量阻抗偏小，區(qū)外故障時保護容易超越動作，且負荷電流越大，超越得越多。

參考圖2（c），同理分析可知，若C相TA斷線，則造成A相故障回路電流與正常情況下相比偏小，其測量阻抗偏大，區(qū)內(nèi)故障時保護容易拒動，一般情況下負荷電流增大將導(dǎo)致其拒動的范圍增大。

b.C1M＞C0M。

當 C1M＞C0M時，有：

圖2 負荷側(cè)各電氣量之間的關(guān)系Fig.2 Vector diagram of load side

由式（10）可知，B相TA斷線造成A相故障回路補償電流幅值相比正常情況下偏大，導(dǎo)致A相故障測量阻抗偏小，區(qū)外故障時保護容易超越動作，負荷越重超越就越嚴重。

c.C1M＜C0M。

C相TA斷線的情況下，A相發(fā)生接地故障后其回路補償電流和正常情況下的補償電流的關(guān)系為：

由式（11）可知，C相TA斷線造成A相故障時故障回路補償電流與正常情況下相比偏小，其測量阻抗偏大，區(qū)內(nèi)故障時保護容易拒動。

2.2 TA斷線對電源側(cè)保護的影響

假設(shè)M側(cè)為電源側(cè)，A相發(fā)生接地故障情況下，M側(cè)保護安裝處各電氣量之間的關(guān)系如圖3（a）所示。

a.C1M=C0M。

此時，故障回路測量阻抗 Z′A如式（9）所示，同樣，Z′A和ZA的區(qū)別主要在于負荷電流的影響，若線路空載則有ZA=Z′A，即測量阻抗不受TA斷線影響。

若線路有載，則主要視B相負荷電流與故障電流之間相位關(guān)系，如圖3（b）所示，B相負荷電流與A相故障電流之間角度較小，一般情況下有：

可知B相TA斷線造成A相故障回路補償電流偏小，因此測量阻抗偏大，區(qū)內(nèi)故障時保護容易拒動，且負荷電流越大越明顯。

參考圖3（c），同理可知，C相TA斷線將造成A相故障回路補償電流相比正常情況下偏大，因此其測量阻抗偏小，區(qū)外故障時保護容易超越動作，且負荷電流越大其超越得越明顯。

圖3 電源側(cè)各電氣量之間的關(guān)系Fig.3 Vector diagram of power-source side

b.C1M＞C0M。

B相TA斷線的情況下，發(fā)生A相接地故障，此時故障回路的補償電流為：

同理可知，C相TA斷線的情況下，發(fā)生A相接地故障，此時故障回路的補償電流和正常情況下的補償電流的關(guān)系為：

由式（13）可知，C相TA斷線的情況下發(fā)生A相接地故障，其故障回路補償電流相比正常情況下偏大，因此測量阻抗偏小，區(qū)外故障時保護容易超越動作，且負荷越大超越就越明顯。

c.C1M＜C0M。

B相TA斷線的情況下發(fā)生A相接地故障，其回路電流有如下關(guān)系：

由式（14）可知，B相TA斷線的情況下發(fā)生A相接地故障，其故障回路補償電流相比正常情況下偏小，因此測量阻抗偏大，區(qū)內(nèi)故障時保護容易拒動，且負荷越大拒動范圍越大。

同理可知，C相TA斷線的情況下發(fā)生A相接地故障，其故障回路補償電流為：

2.3 TA斷線對距離保護的影響小結(jié)

根據(jù)前文的分析可以看出，TA斷線可能造成距離保護在區(qū)外故障時超越動作，也可能造成距離保護在區(qū)內(nèi)故障時拒動。具體保護行為與正常運行時功率流向、故障相與TA斷線相之間的相序關(guān)系、負荷電流大小、故障點位置等因素有關(guān)，如圖4所示。

圖4 TA斷線對接地距離保護的影響Fig.4 Influence of CT disconnection on grounding-fault distance protection

TA斷線對電源側(cè)與負荷側(cè)的距離保護的影響不同，總體而言是電源側(cè)的保護在相對于斷線相的超前相發(fā)生故障時，接地距離保護趨于拒動，在相對于斷線相的滯后相故障時接地距離保護趨于超越動作；負荷側(cè)的保護在相對于斷線相的超前相故障時保護趨于超越動作，在相對于斷線相的滯后相故障時保護趨于拒動。

不同的故障位置有不同的正、負、零序電流分配系數(shù)，不同的正、負、零序電流分配系數(shù)下TA斷線對保護造成的影響也各不相同；總體而言，負荷電流越大，TA斷線對接地距離保護的影響越嚴重。

3 TA斷線情況下的自適應(yīng)接地距離保護方案

3.1 TA斷線的識別方法

3.1.1 雙端量識別方法

雙端量的TA斷線識別方法的基本思路是結(jié)合兩側(cè)保護的啟動情況以及差電流和相電流條件進行綜合判別。雙端量TA斷線判別條件如下：

a.線路對側(cè)保護不啟動；

b.本側(cè)有零序電流和零序差動電流；

c.本側(cè)任意一相有差動電流；

d.本側(cè)對應(yīng)相電流幅值減小。

上述4個條件都滿足時可以判定本側(cè)對應(yīng)相TA發(fā)生斷線。

3.1.2 單端量識別方法

單端量識別TA斷線的條件如下：

a.線路處于全相運行狀態(tài)；

b.保護檢測到零序電流而無零序電壓；

c.任意相電流幅值減小。

上述3個條件都滿足時可判定對應(yīng)相TA斷線。

3.2 自適應(yīng)接地距離保護算法

3.2.1 理論分析

從前文分析可以看出，TA斷線后斷線相的電流無法準確測量導(dǎo)致非斷線相故障時，其所測量的零序電流中包含了斷線相電流分量，造成接地回路阻抗無法準確測量。因此，若能構(gòu)建出故障時的斷線相電流就能解決距離保護的拒動和誤動問題。

正常運行情況下一次系統(tǒng)是平衡的，即理論上二次側(cè)三相電流應(yīng)該是完全對稱的，因此可以根據(jù)正常的兩相電流構(gòu)建出故障前TA斷線相的負荷電流。仍然假設(shè)B相TA斷線，正常運行時實際的零序電流為0，即：

其中，iload.A、iload.C分別為故障前A、C兩相負荷電流采樣值；iload.B為理論上B相的負荷電流采樣值。根據(jù)式（15）可得：

微機保護對于采樣數(shù)據(jù)都有專門的緩存區(qū)，一般至少可追憶5個周期以上的電氣量采樣數(shù)據(jù)，這為構(gòu)建斷線相負荷數(shù)據(jù)提供了便利條件，即可通過式（16）利用健全的兩相負荷電流采樣值構(gòu)建出TA斷線相的負荷電流采樣值。

另外，在發(fā)生單相接地故障的情況下，理論上另外兩相的相間電流應(yīng)無突變量，即A相發(fā)生接地故障的情況下B、C相間的電流突變量應(yīng)該為0。因此可根據(jù)故障后的健全相（非TA斷線相且非故障相）的電流突變量求得TA斷線相的電流突變量。

根據(jù)電路的疊加原理[8-9]，故障相電流由負荷電流和故障分量（突變量）組成，因此斷線相的故障電流可通過其負荷電流及突變量求得。假設(shè)A相故障，令C相電流突變量為ΔiC，令理論上B相的突變量為ΔiB，令理論上B相的故障電流為iB，則有：

結(jié)合式（15）可得構(gòu)建的B相故障電流為：

保護正常運行過程中實時地進行TA斷線，根據(jù)3.1節(jié)中所述方案，TA二次回路斷線均能被可靠識別。識別出某相TA斷線后，若再發(fā)生其他相別接地故障，便可根據(jù)式（18）構(gòu)建出斷線相故障電流，再根據(jù)文獻[8-9]中所提的傳統(tǒng)接地距離算法便能計算出準確的故障回路阻抗，避免保護的誤動和拒動，這即為本文所提出的TA斷線情況下的自適應(yīng)距離保護方案。

3.2.2 試驗驗證

在中國電科院組織的某次動模試驗中，在單機對無窮大系統(tǒng)模型中模擬了系統(tǒng)側(cè)B相TA斷線的情況下在電源側(cè)出口發(fā)生A相接地故障，系統(tǒng)側(cè)接地距離保護I段發(fā)生超越動作，動作行為與前文所分析的結(jié)果相符。保護裝置的電流量錄波數(shù)據(jù)如圖5（a）所示。

根據(jù)式（18）所構(gòu)建出的B相故障電流如圖5（b）所示，其與故障錄波器所錄的實際的B相故障電流對比如圖5（c）所示，可見構(gòu)建的B相故障電流與實際故障電流相比誤差并不大。阻抗計算結(jié)果如圖5（d）和（e）所示。 其中，圖 5（d）為故障前后采用常規(guī)算法的故障阻抗變化軌跡，可明顯看出故障期間阻抗落入了四邊形阻抗繼電器的動作范圍之內(nèi)，保護趨于超越動作；圖 5（e）中，為傳統(tǒng)方法所測量的故障回路阻抗幅值；為重構(gòu)B相故障電流后計算出的故障回路阻抗幅值；線路全長二次阻抗為13.8 Ω；距離I段整定阻抗為 11.1 Ω。構(gòu)建B相電流后測量阻抗基本能反映故障回路實際阻抗，保護可靠不動作；傳統(tǒng)算法的接地距離I段保護將要誤動，和動模試驗中保護實際動作情況一致。

3.3 保護配置及回路的改進建議

3.3.1 專用零序TA

線路保護一般均用自產(chǎn)零序電流，自產(chǎn)的零序電流無論是通過回路上自產(chǎn)還是通過軟件自產(chǎn)，實際均為A、B和C三相二次電流之和，均受TA斷線的影響，即任何一相TA斷線均會在自產(chǎn)的零序電流上產(chǎn)生一附加分量，導(dǎo)致再發(fā)生故障時自產(chǎn)零序電流不能真實反映故障屬性。因此，若能提供專用的零序TA接入，保證零序電流不受TA斷線的影響，即能保證非斷線相再發(fā)生故障時接地距離保護能正確動作。

3.3.2 TA回路雙重化

在超高壓、特高壓等特別重要的線路上，保護裝置可以考慮接入同一TA的2組電流，進行相互校驗。2組電流取其中一組作為保護用，另一組作為校驗用，當保護用TA斷線時，可將用于校驗的一組電流切入做保護計算，保證在運行人員處理前保護能正常工作。用于陽城電廠出線的ABB公司研制的REL 561型光纖差動保護裝置就同時接入了同一TA的2組電流用于TA斷線判別。這個方案對差動保護同樣有益。

3.3.3 保護功能配置優(yōu)化

不管是學(xué)術(shù)界、科研院所、運行單位還是生產(chǎn)制造企業(yè)的專家對繼電保護的發(fā)展方向均有強化主保護、簡化后備保護的共識，因此可以考慮在TA斷線的情況下允許接地距離保護退出，以保證區(qū)外故障時保護不誤動，而區(qū)內(nèi)故障可由主保護切除。近年來新建的220 kV以上電壓等級線路保護絕大多數(shù)采用光纖差動保護，通道正常的情況下其各方面性能均有優(yōu)勢，且差動保護具有完整的識別TA斷線方案及成熟、可靠的解決措施，可以保證TA斷線情況下，發(fā)生區(qū)外故障時保護不誤動，發(fā)生區(qū)內(nèi)嚴重故障時保護不拒動，因此在TA斷線情況下退出接地距離保護影響不大。

4 結(jié)語

本文從理論上分析了TA斷線后接地距離保護的行為特征，得出了受電側(cè)和送電側(cè)接地距離保護性能受TA斷線的影響不同，同時也受故障相與斷線相的相序關(guān)系、受零序和正序分配系數(shù)等因素影響的結(jié)論；結(jié)合TA斷線的識別提出自適應(yīng)的接地距離保護算法，通過實際的動模數(shù)據(jù)驗證了其正確性和有效性；對保護的配置提出了改進措施。