開口三角繞組任意連接的電壓互感器斷線閉鎖新方法

黃少鋒，李 歐，費 彬，申洪明

（華北電力大學 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206）

0 引言

電壓互感器（TV）二次回路負載眾多，電壓互感器斷線的情況較容易發(fā)生。電壓互感器二次電壓正常運行是保證距離保護、功率方向保護以及含低電壓啟動元件（QDJ）的過流保護正確動作的前提。因此，需要在發(fā)生電壓互感器斷線時采取閉鎖措施，防止各種保護誤動[1-6]。

對電壓互感器斷線閉鎖的要求是：當電壓互感器二次回路出現(xiàn)斷線時，應將其檢測出來，發(fā)出警告并將相應保護閉鎖；當電壓回路正常，被保護線路發(fā)生短路時，斷線閉鎖不能誤動。

目前常用的斷線閉鎖措施僅利用測得的電壓幅值大小進行識別，且沒有考慮被保護線路發(fā)生故障及電壓互感器斷線的情況[2-10]。啟動元件動作后，電壓互感器斷線閉鎖方案自動退出，這時若電壓互感器發(fā)生斷線，由于沒有閉鎖信號，相關保護將會誤動。而現(xiàn)有微機保護中，啟動元件十分靈敏，啟動次數(shù)較多，更加增大了保護誤動的可能性。

針對上述一系列問題，本文分析了現(xiàn)有電壓互感器斷線閉鎖措施的應用及不足，提出了一種適用于短路故障后的電壓互感器斷線閉鎖新方法，并允許開口三角繞組第一次的接線極性為任意的。雖然目前的保護設備不采用開口三角的電壓，但在智能化電網(wǎng)的時代，已經(jīng)具備了信息共享的條件[11-12]，因此，應當充分利用共享的信息（包括開口三角電壓），克服不足，提升保護的性能。

1 現(xiàn)有電壓互感器斷線閉鎖條件

該判據(jù)主要判斷電壓互感器的一相和兩相斷線。啟動元件不啟動的條件是為了防止一次系統(tǒng)發(fā)生接地短路時錯誤地將距離保護閉鎖而采取的反閉鎖措施。本判據(jù)不能反應電壓互感器的三相斷線。

無論電壓互感器是安裝在線路側還是母線側，該判據(jù)均可以檢測電壓互感器的三相斷線。

2 電壓互感器斷線閉鎖新方法

現(xiàn)有研究集中在系統(tǒng)正常運行條件下，發(fā)生電壓互感器斷線時如何準確識別。但是，存在這樣的工況：當下一級線路出口發(fā)生故障時，應該由下一級Ⅰ段保護切除，其余保護返回，若本線路此時發(fā)生電壓互感器斷線，本線路Ⅱ、Ⅲ段將不能在故障切除后可靠返回，延時一到則發(fā)出跳閘命令，從而擴大了故障范圍。本文主要探討如何在發(fā)生接地故障后檢測出電壓互感器斷線。

2.1 斷線判據(jù)

系統(tǒng)發(fā)生接地故障，電壓互感器開口三角繞組只有接線正確才能保證保護正確動作。零序電壓若由三相電壓互感器的第三繞組串聯(lián)取得（即開口三角電壓），系統(tǒng)正常運行時值為零，此時，利用工作電壓檢查接線是否正確是較困難的，這也是目前不使用開口三角電壓的主要原因。機械型保護常因開口三角繞組極性接錯而誤動或拒動。本文提出的電壓互感器斷線閉鎖判據(jù)允許開口三角繞組第一次的接線極性為任意的。

記自產(chǎn)零序電壓為Uzc=Ua+Ub+Uc=3U0，開口三角繞組引出的電壓記為Ukk。若極性接對，則Ukk=3U0；若極性接反，則Ukk=-3U0。電壓互感器接線方式如圖1所示。

圖1 電壓互感器接線方式Fig.1 PT connection mode

由此可得：

其中，σ為考慮誤差影響而設定的較小的門檻值，根據(jù)工程實際，σ可取3～5 V（二次側）。電壓互感器極性接對時，式（1）成立；電壓互感器極性接錯時，式（2）成立。開口三角的連接只有2種情況，因此電壓互感器斷線閉鎖條件定義為：式（1）、（2）均不成立。

2.2 新方法適用性分析

電壓互感器開口三角繞組任意連接，系統(tǒng)發(fā)生不對稱接地故障時，Ukk等于3U0或-3U0。電壓互感器二次側有以下2種可能。

a.電壓互感器正常。Uzc=3U0，開口三角電壓極性接對時，式（1）成立，極性接反時，式（2）成立。

b.電壓互感器斷線。由于斷線相失壓，Uzc≠3U0，式（1）、（2）均不成立。

于是，新判據(jù)的應用情況如表1所示。

表1 PT斷線閉鎖新方法適用性Table 1 Applicability of proposed method

注意，針對情況 b，式（1）、（2）均不成立的判斷需要進一步驗證。例如，電壓互感器發(fā)生A相斷線且系統(tǒng)BC相接地故障時，Ukk等于 3U0或-3U0，Uzc=Ub+Uc。此時是否可能存在Ub+Uc約等于3U0或 -3U0，即式（1）、（2）有一式成立的情況？下文將對此進行詳細論述。

2.3 接地故障時本文方法性能分析

以下用圖2所示的簡單系統(tǒng)為例進行討論。圖中，ZS、ZR分別為送端系統(tǒng)和受端系統(tǒng)阻抗；Zk為線路短路阻抗。

圖2 雙電源系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of dual power-source system

考慮各種故障情形下式（1）、（2）是否成立，具體步驟為：

a.故障分析，計算系統(tǒng)發(fā)生接地故障時保護安裝處的電流、電壓，從而得到開口三角電壓Ukk；

b.根據(jù)斷線類型計算自產(chǎn)零序電壓Uzc；

c.不考慮誤差，令Ukk=Uzc和Ukk=-Uzc，分別找出等式成立條件并判斷條件合理性。

單相接地故障的情況，以A相接地故障為例，討論電壓互感器發(fā)生一相、兩相或三相斷線時，式（1）、式（2）是否成立。對于微機保護裝置，對應斷線相的采樣通道讀數(shù)為0。

由故障分析可得保護安裝處的三相電壓為：

其中，UkA為故障點 A 相電壓；IM1、IM2、IM0分別為流經(jīng)保護安裝處的各序電流；Ea、Eb、Ec分別為短路點故障前各相電壓；Z1∑、Z2∑、Z0∑分別為短路點正、負、零序等值阻抗，它們分別包含正、負、零序系統(tǒng)阻抗ZS1、ZS2、ZS0；Zk1、Zk2、Zk0分別為短路點到保護安 裝處正、負、零序阻抗。

電壓互感器二次斷線不影響開口三角電壓，則：

其中，UMa、UMb、UMc為電壓互感器二次側三相電壓。

a.一相斷線。

若發(fā)生的是電壓互感器a相斷線，則自產(chǎn)零序電壓為：

若 Ukk=Uzc，可得 Zk0=-2Zk1；若 Ukk=-Uzc，則 ZS0=，這2種情況都不會發(fā)生。

同理可計算發(fā)生b相、c相斷線時的情況。

b.兩相斷線。

若發(fā)生的是電壓互感器bc兩相斷線，則此時自產(chǎn)零序電壓為：

假設Ukk=Uzc，則需要滿足，其中，該情況不存在；若Ukk=-Uzc，則，參數(shù)滿足這個條件時，式（2）成立，從理論計算上，Zk1=的位置為線路上某一點，實際由于誤差影響，附近的一個鄰域區(qū)間都將滿足條件。

同理可計算電壓互感器ab兩相斷線、ca兩相斷線的情形。

c.三相斷線。

易得此情況下自產(chǎn)零序電壓Uzc為0，由式（4）可得，當 Z0∑=Zk0時，開口三角壓 Ukk為 0。Z0∑大小與系統(tǒng)阻抗和短路點位置有關，因此，當系統(tǒng)阻抗與短路位置滿足相關等式時，式（1）、（2）均成立。

兩相接地故障情況的分析方法類似。

分析結果表明，不對稱接地故障，電壓互感器發(fā)生斷線時，式（1）、（2）是否滿足的結果如表2、3 所示，其中，×表示不可能出現(xiàn)這樣的情況；√表示系統(tǒng)參數(shù)滿足一定條件時，有可能出現(xiàn)此種情況。

表2 單相接地故障時對不同斷線情況的識別結果Table 2 PT wire-break condition identification for single-phase grounding fault

表3 兩相接地故障時對不同斷線情況的識別結果Table 3 PT wire-break condition identification for two-phase grounding fault

由于輪換對稱性，其他情形可以類推。

由此可以看到，此前提出的電壓互感器斷線閉鎖判據(jù)并不完善，在某些故障類型和斷線情形的組合下（本文稱之為盲區(qū)），可能存在式（1）或式（2）成立，沒有發(fā)出閉鎖信號，從而引起保護誤動。故2.1節(jié)中的斷線判據(jù)需要進一步補充修正。

3 盲區(qū)識別

為完善保護措施，需要找出電壓互感器正常與盲區(qū)的區(qū)別。

電壓互感器三相斷線時，測得的三相電壓幅值均為0，與系統(tǒng)三相短路的電氣量特征相似。若存在零序電流，則可排除系統(tǒng)三相短路的可能性，如果，識別為三相斷線。

排除三相斷線后，盲區(qū)的一個重要特征為：系統(tǒng)發(fā)生接地故障，非故障相發(fā)生電壓互感器二次側斷線。故測得的三相電壓很低，可以此為依據(jù)利用測得三相電壓都低于某一閾值的方法加以識別。

但對于長距離輸電線路而言，當線路遠端發(fā)生接地故障時，Uzc的值仍比較大，其值將與電壓互感器正常時近處故障下的值相當，僅利用電壓特征難以正確識別。因此，可以考慮引入電流量進行綜合判斷，本文提出了以下2種補充方案。

3.1 引入電壓電流關聯(lián)性進行判斷

排除電壓互感器三相斷線后，電壓互感器正常與盲區(qū)的并集包含3種情況：①電壓互感器發(fā)生兩相斷線，線路非斷線相發(fā)生接地故障；②電壓互感器發(fā)生一相斷線，線路非斷線相發(fā)生兩相接地故障；③電壓互感器正常，線路發(fā)生不對稱接地故障。

系統(tǒng)實際工作中，斷線相殘壓不會高于故障相殘壓[12]。正常情況下，線路某相發(fā)生接地故障時，保護安裝處測得的故障相電流升高，而故障相電壓相應降低。在此，稱這種現(xiàn)象為電壓電流關聯(lián)性。電壓互感器發(fā)生斷線，線路發(fā)生接地故障時，這種關聯(lián)性就會被破壞。上述的3種情況對應的電壓電流關系為：①φ（Umax）=φ（Imax），這里φ（）指取相，如，則φ（Umax）=A；②φ（Umin）=φ（Imin）；③φ（Umin）=φ（Imax）或φ（Umax）=φ（Imin）。具體類別如表4所示。

位于盲區(qū)時，有φ（Umax）=φ（Imax）或φ（Umin）=φ（Imax）成立；電壓互感器正常時則不成立。

表4 電壓互感器正常與電壓互感器斷線時的電壓關系和電流關系Table 4 Relationship between voltages and between currents for PT with and without wire-break

該方案利用電壓電流的關聯(lián)性在大多數(shù)情況下能夠有效識別電壓互感器正常與盲區(qū)，但當母線出口發(fā)生故障時，斷線相與故障相電壓都接近0，難以選出Umax或Umin具體是哪一項，從而難以判斷電壓電流關聯(lián)性。

3.2 借助選相元件綜合判斷

由于單相重合閘的要求，現(xiàn)有微機保護都裝設有選相元件。電壓互感器斷線時，盲區(qū)的一個重要特點為：非故障相電壓很低。可以通過選相元件選出故障相，比較非故障相電壓進行識別。其保護流程圖如圖3所示。

圖3 結合選相元件的電壓互感器斷線閉鎖方案Fig.3 PT wire-break blocking scheme combined with phase selecting element

對于線路上任意位置發(fā)生故障，盲區(qū)時，非故障相為斷線相，測得電壓接近0，取USET為10%額定電壓。電壓互感器正常時，保護安裝處非故障相電壓下降很少。

目前國內(nèi)數(shù)字式高壓線路保護裝置中主要采用快速保護+穩(wěn)態(tài)保護的配置方案。穩(wěn)態(tài)保護主要利用序分量與阻抗元件結合進行選相[13]，而本文研究電壓互感器斷線后的選相，阻抗元件難以工作，該方法顯然不能適用。鑒于此，可以選擇利用電流突變量選相暫態(tài)方法[14-16]，電流特征量在電壓互感器斷線后不受影響，與電壓互感器斷線閉鎖方案配合具有很強的實用性。

3.3 仿真驗證

將圖2中500 kV系統(tǒng)在PSCAD中建立模型進行仿真，送電端系數(shù)參數(shù)，ZS1=j23 Ω，ZS0=j40 Ω；受電端系統(tǒng)參數(shù)，ZR1=j56 Ω，ZR0=j115 Ω；兩側電勢功角為30°。輸電線路參數(shù)：線路長度為200 km，正、負序阻抗 ZL1=ZL2=0.018 39+j0.263 9 Ω／km，零序阻抗ZL0=0.1413+j0.602 7 Ω／km。

圖4為輸電線路上不同地點發(fā)生接地故障，同時電壓互感器發(fā)生bc兩相斷線時Uzc、Ukk的幅值、相角特性圖。

圖4 系統(tǒng)A相接地故障且電壓互感器bc相斷線時，Uzc、Ukk的幅值、相角特性Fig.4 Phase and amplitude characteristics of Uzc and Ukkwhen phase-b and phase-c have PT wire-break during phase-A grounding fault

從圖4可看出，隨故障距離改變，Uzc、Ukk相角波動很小，開口三角極性接對時，二者差值約為180°，可近似認為Uzc、Ukk反向；開口三角極性接反時，二者差值很小，可近似認為Uzc、Ukk同向。當故障距離較小和較大時，Uzc、Ukk幅值差異較大，結合相角特點，無論極性正反，式（1）、（2）均不成立，可以直接發(fā)出閉鎖信號。

而當故障距離在100 km左右時，Uzc、Ukk幅值差異較小，開口三角極性接對時，式（2）成立；開口三角極性接反時，式（1）成立。則無論極性正反，式（1）、（2）中有一式成立，由圖3流程圖可知，此時并不識別為電壓互感器正常，通過選相元件得出存在A相接地，由于電壓互感器的bc兩相斷線失壓，UMb＜USET或UMc＜USET成立，可識別出發(fā)生了電壓互感器斷線。

因此，與選相元件有效配合后，此方案在各種情況下能正確識別電壓互感器正常和盲區(qū)。

4 接地故障后電壓互感器斷線閉鎖方法簡化

當系統(tǒng)發(fā)生任一次接地故障后，若事后確認沒有發(fā)生電壓互感器斷線，查閱微機保護故障報告，可做以下判斷：若式（1）成立，開口三角繞組極性接對；若式（2）成立，開口三角繞組極性接反。考慮在微機保護內(nèi)存中設定“確認位”QR與“極性位”JX以確定開口三角繞組的極性。具體實施步驟如下：

a.QR、JX的初始值均設為0；

b.調(diào)用系統(tǒng)發(fā)生任一次接地故障（電壓互感器未斷線）的故障報告；

c.根據(jù)故障報告記錄信息，若式（1）成立，JX保持，仍為0，若式（2）成立則JX跳變?yōu)?；

d.JX設置完畢后，發(fā)送確認信息給QR，QR跳變?yōu)?。

引入極性確認的電壓互感器斷線閉鎖判斷流程如圖5所示。

圖5 引入極性確認的電壓互感器斷線閉鎖方案Fig.5 PT wire-break blocking scheme with polarity confirmation

由圖5知，確認開口三角繞組極性后QR為1。若JX為0，則開口三角繞組極性正確，利用式（1）即可判斷電壓互感器是否發(fā)生斷線。同理，若JX為1，開口三角繞組極性接反，利用式（2）便能確認電壓互感器是否斷線。因此，引入“確認位”QR與“極性位”JX后，無需工作人員到現(xiàn)場糾正開口三角繞組極性，可通過簡單判據(jù)識別電壓互感器斷線，不必為盲區(qū)的識別進行繁瑣處理，在一定程度上可以大幅簡化電壓互感器斷線閉鎖方案，尤其適用于可能出現(xiàn)多次接地故障的系統(tǒng)。

5 結論

a.本文在總結了目前電壓互感器斷線的研究方法和成果的基礎上，提出如何在發(fā)生故障時檢測電壓互感器斷線的問題，并針對此問題提出了引入任意連接的開口三角電壓與自產(chǎn)零序電壓比較的方法。

b.經(jīng)分析可知，新的閉鎖方法的適用范圍存在盲區(qū)。因此又提出了2種方案來彌補判據(jù)的不足：第1種方案引入電壓電流關聯(lián)性，電壓互感器斷線與正常時特征差異明顯，但出口故障時判斷困難；第2種方案借助選相元件，能在較大范圍內(nèi)適應系統(tǒng)的運行狀況。

c.通過引入“確認位”QR與“極性位”JX的概念，在系統(tǒng)發(fā)生任一次接地故障且電壓互感器未斷線時，確認開口繞組極性，僅利用自產(chǎn)零序電壓Uzc與開口三角電壓Ukk的單一等式關系即可判斷是否發(fā)生電壓互感器斷線，大幅簡化了電壓互感器斷線閉鎖方案。

d.本文提出的閉鎖方案適用于短路故障后的電壓互感器斷線識別，現(xiàn)有保護裝置內(nèi)置的傳統(tǒng)電壓互感器斷線閉鎖方案針對于系統(tǒng)正常運行時的電壓互感器斷線識別，兩者互不干擾。僅在啟動元件動作后投入所提出的電壓互感器斷線閉鎖方案，既可以實現(xiàn)故障后的電壓互感器斷線識別，又不會對現(xiàn)有保護造成負面影響。另外，文中所涉及的故障只限于不對稱接地故障，對于相間故障時電壓互感器斷線的檢測，將會在下一步工作中進行深入分析。