電流互感器二次回路中性線斷線的動模試驗研究

李蕾，周鵬鵬，李志勇，索江鐳

(1.許昌開普檢測研究院股份有限公司，河南 許昌 461000；2.廣東電網(wǎng)有限責任公司電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510600)

繼電保護設(shè)備的正確動作依賴于電壓互感器、電流互感器對于一次系統(tǒng)正常運行或故障時電壓電流信號的正確傳變，電力系統(tǒng)二次回路的故障將嚴重影響繼電保護設(shè)備的正確動作，比較熟知的有電壓互感器斷線、電流互感器斷線、電流互感器飽和等。如何提高繼電保護設(shè)備對二次回路故障的識別以及降低二次回路故障對繼電保護動作行為的影響，一直是業(yè)內(nèi)的研究熱點[1-5]。

當前，主要采用具備實時性的物理動模或數(shù)字動模方式模擬二次回路故障，一方面可以為保護邏輯研究提供數(shù)據(jù)，另一方面可以驗證繼電保護邏輯的正確性[6-13]。對于電壓互感器斷線、電流互感器斷線、電流互感器飽和等二次回路故障的模擬，在當前的動模試驗中已經(jīng)有良好的實現(xiàn)[14-15]。文獻[16]建立微分方程來分析電流互感器中性線電阻增大導致線路差動保護誤動的原理，并在MATLAB/Simulink上建立電流互感器模型進行驗證。文獻[17]分析二次回路中性線阻抗的存在對母線差動保護動作行為可能產(chǎn)生的影響，并通過電磁暫態(tài)仿真程序的仿真結(jié)果證明了分析結(jié)論的正確性?？梢钥闯?，相關(guān)研究主要圍繞電流互感器中性線異常的軟件離線仿真，沒有從動模試驗角度對電流互感器二次回路中性線斷線后的故障特征進行理論分析和試驗驗證，也沒有提出相應(yīng)的保護邏輯改進方案。

由于電流互感器二次回路中性線老化、機械損傷以及虛接等因素的存在，電流互感器二次回路中性線斷線的情況在電力系統(tǒng)中時有發(fā)生，且容易造成繼電保護誤動和拒動，影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。文獻[18]中某變電站高壓側(cè)電流互感器二次回路中性線斷線后，區(qū)外線路發(fā)生單相接地短路故障，導致站內(nèi)1號主變壓器差動保護動作跳開主變壓器三側(cè)開關(guān)，造成與該主變壓器電氣連接的2個110 kV開關(guān)站及站內(nèi)10 kV母線失壓。文獻[19]中母差保護屏電流端子處中性線斷路，發(fā)生區(qū)外故障時母差保護誤動作，造成區(qū)域大面積停電。電流互感器二次回路中性線斷線在系統(tǒng)正常運行時難以察覺，一旦發(fā)生故障又極易造成繼電保護誤動，后果非常嚴重。因此，開展電流互感器二次回路中性線斷線的動模試驗研究，對于研究電流互感器二次回路中性線斷線后的故障特征，并提高繼電保護應(yīng)對電流互感器二次回路中性線斷線后故障的處理能力具有重要意義。

本文首先分析三相電流互感器二次回路中性線斷線后的等效電路及電流回路，并在MATLAB/Simulink上建立三相電流互感器模型；然后通過以MATLAB/Simulink作為仿真模型開發(fā)手段的新型實時數(shù)字仿真繼電保護測試系統(tǒng)建立110 kV線路保護動模試驗測試實例，進行電流互感器二次回路中性線斷線后的相關(guān)動模試驗研究。試驗結(jié)果表明，電流互感器二次回路中性線斷線后，差動保護在發(fā)生區(qū)外單相及兩相接地短路故障時容易誤動，接地距離保護在發(fā)生區(qū)內(nèi)單相及兩相接地短路故障時容易拒動。通過對電流互感器二次回路中性線斷線后又發(fā)生故障時的電流特征和阻抗特征的分析，對試驗結(jié)果的正確性進行印證。同時，為避免電流互感器二次回路中性線斷線后保護誤動和拒動事件的發(fā)生，提出基于外接零序電流的保護邏輯改進方案，并通過仿真驗證改進邏輯的可行性。

1 中性線斷線分析

三相電流互感器二次接線一般為全星型接線方式，二次接線圖如圖1(a)所示，其中Iφ(φ=A、B、C)為電流互感器一次側(cè)三相電流，Iφ(φ=a、b、c)為電流互感器二次側(cè)三相電流，Rφ(φ=a、b、c)為二次側(cè)負載，Rn為中性線負載。對三相電流互感器作T型等效變換，將二次側(cè)的參數(shù)歸算到一次側(cè)，得到等效電路如圖1(b)所示，其中：Zφ(φ=A、B、C)和Zφ(φ=a、b、c)分別為一次繞組和二次繞組的等效阻抗；Zφm(φ=a、b、c)為電流互感器的等效勵磁阻抗；Iφm(φ=a、b、c)為三相勵磁電流；I0為中性線正常時的零序電流。正常情況下電流互感器二次負載Ra、Rb、Rc和中性線負載Rn都很小。當中性線斷線時，等效電路如圖1(c)所示。當系統(tǒng)發(fā)生不對稱接地短路故障后，零序電流無法通過中性線回流，當三相勵磁支路的飽和特性一致時，零序電流將平均分配到三相勵磁支路中，因此可以得到斷線后三相二次電流滿足以下公式：

(1)

式中Iφ1(φ=a、b、c)為電流互感器中性線斷線時的三相電流。

圖1 三相電流互感器原理Fig.1 Principles of three-phase current transformer

2 中性線斷線的動模試驗

動模試驗系統(tǒng)一般通過物理動模和數(shù)字動模2種方式建立，由于電流互感器二次回路中性線斷線后，系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路故障及兩相接地短路故障等不對稱接地短路故障時，會在電流互感器二次側(cè)產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，容易發(fā)生絕緣安全事故，因此本文選用經(jīng)濟性好、安全性高、方便快捷的數(shù)字動模方式建立動模試驗系統(tǒng)。本文的數(shù)字動模采用許昌開普檢測研究院股份有限公司開發(fā)的RTplus智能電網(wǎng)實時數(shù)字仿真系統(tǒng)，該仿真系統(tǒng)是一種以MATLAB/Simulink作為仿真模型開發(fā)手段的新型實時數(shù)字仿真繼電保護測試系統(tǒng)，其仿真能力及實時性等均已得到驗證[20]。

2.1 電流互感器二次回路中性線斷線的建模

電流互感器是一種特殊的變壓器，因此可以利用MATLAB/Simulink中飽和變壓器模塊來模擬，已知某電流互感器的參數(shù)見表1，其中：SN為額定容量；R1、L1為電流互感器一次繞組電阻和漏抗；R2、L2為電流互感器二次繞組電阻和漏抗；Rm為電流互感器的勵磁電阻。電流互感器非線性磁化曲線如圖2所示，且考慮鐵心剩磁的影響。

表1 電流互感器參數(shù)Tab.1 Current transformer parameters

圖2 電流互感器磁化曲線Fig.2 Magnetization curve of current transformer

按照圖1所示的三相電流互感器接線方式，在MATLAB/Simulink中建立三相電流互感器模型，如圖3所示。

為方便建模，采用可控電流源控制電流互感器一次側(cè)輸入電流的大小，可控電流源的輸入為電流互感器安裝處斷路器一次電流，斷路器一次電流通過測量模塊獲得。模擬中性線斷線時，將Rn設(shè)為一個很大的值(大于106)。

2.2 試驗系統(tǒng)建立

本文以110 kV線路保護動模試驗為例建立動模試驗系統(tǒng)，對電流互感器二次回路中性線斷線后的故障特征進行分析和試驗驗證。試驗系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖4所示，由實時仿真后臺主機、RTplus仿真系統(tǒng)、被測保護裝置等部分組成。在后臺主機用MATLAB/Simulink建立系統(tǒng)模型，將編譯生成的模型程序文件上傳至實時計算單元進行仿真計算，并將待測保護裝置試驗所需的電壓、電流等模擬量經(jīng)功率放大器或I/O接口模塊送入待測裝置。同時，待測裝置的響應(yīng)信號再通過I/O接口模塊實時反饋回計算單元，形成完整的閉環(huán)動模試驗系統(tǒng)。

圖3 三相電流互感器模型Fig.3 Three-phase current transformer model

SV—采樣值，sampled value的縮寫；GOOSE—面向通用對象的變電站事件，generic object-oriented substation event的縮寫。

在MATLAB/Simulink上建立110 kV線路仿真模型，系統(tǒng)主接線和模型，如圖5、6所示，系統(tǒng)主要參數(shù)見表2。圖5中：S1和S2為無窮大電源；K1—K5為故障點位置；BRK1和BRK2分別為M側(cè)和N側(cè)斷路器；CT1和CT2分別為M側(cè)和N側(cè)

的電流互感器；PT1和PT2分別為M側(cè)和N側(cè)的電壓互感器。模型中M側(cè)電流互感器采用圖3所示的可模擬中性線斷線的三相電流互感器模型。

表2 系統(tǒng)主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of the system

2.3 動模試驗結(jié)果

為分析電流互感器二次回路中性線斷線對故障后二次電流及保護動作行為的影響，分別模擬在電流互感器二次回路中性線斷線情況下線路區(qū)外K1點和區(qū)內(nèi)K3點發(fā)生各種金屬性短路故障試驗。

圖5 110 kV線路仿真模型接線圖Fig.5 Wiring diagram of 110 kV line simulation model

圖6 110 kV線路仿真模型Fig.6 110 kV line simulation model

動模試驗整體結(jié)果見表3，由表中結(jié)果可以看出：電流互感器二次回路中性線斷線后，當系統(tǒng)發(fā)生區(qū)外單相及兩相接地短路故障時，差動保護誤動作；發(fā)生區(qū)內(nèi)單相及兩相接地短路故障的時候，接地距離保護拒動作。

3 試驗結(jié)果分析及保護邏輯改進

3.1 中性線斷線后的電流特征分析

電流互感器二次回路中性線正常及斷線后，區(qū)內(nèi)外發(fā)生各種類型短路故障時，三相電流波形特征如圖7至圖10所示。

表3 中性線斷線后故障線路保護動作行為Tab.3 Protection actions of faulted lines after the neutral line is disconnected

圖7 區(qū)外K1點A相接地短路故障Fig.7 Grounding short circuit fault of phase A located at external point K1

圖8 區(qū)外K1點A、B相短路故障Fig.8 Short circuit faults of phase A and B located at external point K1

圖9 區(qū)內(nèi)K3點A、B相短路接地故障Fig.9 Grounding short circuit faults of phase A and B located at internal point K3

通過分析波形可知：電流互感器二次回路中性線斷線后，當系統(tǒng)發(fā)生區(qū)內(nèi)外兩相及三相短路故障時，相電流與中性線正常時完全一致；當系統(tǒng)發(fā)生區(qū)內(nèi)外單相及兩相接地短路故障時，故障相電流減小，非故障相電流增大，中性線斷線后的三相故障電流與正常時三相故障電流的差值基本相同，這也進一步印證了在電流互感器二次回路中性線斷線后發(fā)生不對稱接地短路故障時，電流無法通過中性線回流，當三相勵磁支路的飽和特性一致時，零序電流將平均分配到三相勵磁支路中。因此，當系統(tǒng)發(fā)生區(qū)外不對稱接地短路故障時，三相均出現(xiàn)差流，差流較大時，容易導致差動保護誤動。

圖10 區(qū)內(nèi)K3點A、B、C相短路故障Fig.10 Short circuit faults of phase A,B and C located at internal point K3

3.2 中性線斷線后的阻抗特征分析

區(qū)內(nèi)外發(fā)生故障時，電流互感器二次回路中性線斷線和正常時距離保護的測量阻抗值對比見表4、5，其中Zab、Zbc、Zca為相間阻抗，Zae、Zbe、Zce為接地阻抗。

表4 中性線正常和斷線時，區(qū)外故障距離保護測量阻抗值Tab.4 Distance protection measured impedance of external fault when the neutral line is normal and disconnected

表5 中性線正常和斷線時，區(qū)內(nèi)故障距離保護測量阻抗值Tab.5 Distance protection measured impedance of internal fault when the neutral line is normal and disconnected

從表4、5的數(shù)據(jù)可知：電流互感器二次回路中性線斷線后，當系統(tǒng)發(fā)生兩相及三相短路故障時，測量阻抗值不受影響；當系統(tǒng)發(fā)生區(qū)外單相及兩相接地短路故障時，相間阻抗值和故障相接地阻抗值基本不變，而非故障相接地阻抗值減小，且方向發(fā)生偏移，但仍表現(xiàn)為區(qū)外故障的特征，故沒有發(fā)生誤動作；當系統(tǒng)發(fā)生區(qū)內(nèi)單相及兩相接地短路故障時，相間阻抗值基本不變，三相接地阻抗值均增大，且方向發(fā)生偏移，接地距離保護有拒動作的可能。

3.3 保護邏輯改進方案

電流互感器二次回路中性線斷線的情況時有發(fā)生，然而系統(tǒng)正常運行時，中性線斷線后二次電流可以正常傳變，導致該異常無法察覺。為了避免和減少類似的情況導致保護誤動和拒動事件的發(fā)生，本文提出以下保護邏輯改進方案：

電流互感器二次回路中性線斷線后其二次回路不存在零序回路，即使發(fā)生不對稱接地短路故障，也沒有零序電流，依據(jù)該特點，可在保護裝置內(nèi)增加電流互感器二次回路中性線斷線處理邏輯。該邏輯需要現(xiàn)場配置專用零序電流互感器作為保護裝置的外接零序電流，保護運行時同時監(jiān)視外接零序和自產(chǎn)零序。在保護啟動后，若外接零序電流等于自產(chǎn)零序電流，則保護采用原始電流采樣值執(zhí)行邏輯。當有外接零序電流，而無自產(chǎn)零序電流時，可采用以下邏輯防止保護誤動：

b)若現(xiàn)場的三相電流互感器飽和特性不一致，應(yīng)閉鎖與相電流相關(guān)的保護(如差動保護、接地距離保護及過流保護等)，采用外接零序電流的零序方向過流保護作為后備保護。

保護邏輯執(zhí)行流程如圖11所示。

3.4 改進方案的仿真驗證

本文利用一種基于IEC 61850的新型仿真試驗平臺，驗證上述改進邏輯的可行性。該平臺將xPCTarget實時操作系統(tǒng)與廉價的工控機相結(jié)合，以MATLAB/Simulink圖形化軟件作為繼電保護原理的開發(fā)手段，用實時仿真系統(tǒng)進行一次系統(tǒng)的仿真模擬，并根據(jù)IEC 61850的標準設(shè)計報文結(jié)構(gòu)和組網(wǎng)方式。

圖11 保護邏輯執(zhí)行流程Fig.11 Execution flowchart of protection logic

仿真驗證平臺硬件結(jié)構(gòu)如圖12所示，實時運行保護邏輯的工控機替代實際的保護裝置，保護邏輯開發(fā)主機使用Simulink進行保護邏輯的開發(fā)調(diào)試。工控機與RTplus仿真系統(tǒng)通過IEC 61850 SV和GOOSE規(guī)約進行實時通信，開發(fā)主機和工控機之間通過標準的TCP/IP協(xié)議進行通信，開發(fā)機使用Simulink對工控機中實時運行的保護邏輯進行變量監(jiān)視和故障錄波。

圖12 仿真試驗平臺硬件結(jié)構(gòu)Fig.12 Hardware structure of simulation test platform

基于該平臺，本文在Simulink上建立電流互感器二次回路中性線斷線處理邏輯以及基于該處理邏輯的線路差動保護、距離保護和采用外接零序電流的零序方向過流保護邏輯，并驗證其可行性。電流互感器二次回路中性線斷線處理邏輯如圖13所示，其中：I30_WJ_abs和I30_ZC_abs分別為外接零序電流和自產(chǎn)零序電流的有效值；CTBHTXYZ為電流互感器飽和特性一致控制字；Iφ4(φ=a、b、c)為保護執(zhí)行邏輯實際使用的三相電流；CTNDXBS為電流互感器二次回路中性線斷線閉鎖信號。

圖13 電流互感器二次回路中性線斷線處理邏輯Fig.13 Processing logic of neutral line disconnection in secondary circuit of current transformer

電流互感器飽和特性一致時，區(qū)內(nèi)發(fā)生A、B相接地短路故障后，電流互感器二次回路中性線斷線處理邏輯的運行情況如圖14所示，其中：CTBHTXYZ為電流互感器飽和特性一致控制字；CTNDXBS為電流互感器二次回路中性線斷線閉鎖信號。可以看出該邏輯對三相電流進行了補償，且補償后的波形與未發(fā)生中性線斷線時的波形一致。

圖14 飽和特性一致時處理邏輯的運行效果Fig.14 Operation effect of processing logic when saturation characteristics are consistent

電流互感器飽和特性不一致時，區(qū)內(nèi)發(fā)生A、B相接地短路故障后，電流互感器二次回路中性線斷線處理邏輯的運行情況如圖15所示。此時該邏輯不對電流進行補償并正確產(chǎn)生電流互感器二次回路中性線斷線閉鎖信號，用以閉鎖與相電流相關(guān)的保護。

圖15 飽和特性不一致時處理邏輯的運行效果Fig.15 Operation effect of processing logic when saturation characteristics are inconsistent

區(qū)內(nèi)外故障時，改進后的線路差動保護、距離保護及采用外接零序電流的零序方向過流保護動作情況見表6。當電流互感器飽和特性一致時，發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時差動保護和距離保護均正確動作，發(fā)生區(qū)外故障時差動保護和距離保護均可靠不動作。當電流互感器飽和特性不一致時，發(fā)生區(qū)內(nèi)外單相及兩相接地短路故障時差動保護和接地距離保護均可靠閉鎖，發(fā)生區(qū)內(nèi)單相及兩相接地短路故障時采用外接零序電流的零序方向過流保護正確動作，其他故障時保護動作行為均正確。

表6 改進后的線路保護在中性線斷線后故障時的動作行為Tab.6 Action behaviors of improved line protection in case of fault after neutral line disconnection

4 結(jié)束語

通過分析三相電流互感器二次回路中性線斷線后的等效電路，在MATLAB/Simulink上建立了可模擬中性線斷線的三相電流互感器模型，并建立了110 kV線路保護動模試驗測試實例，進行電流互感器二次回路中性線斷線后的相關(guān)動模試驗研究。試驗結(jié)果表明：電流互感器二次回路中性線斷線后，差動保護在發(fā)生區(qū)外單相接地短路故障及兩相接地短路故障時容易誤動，接地距離保護在發(fā)生區(qū)內(nèi)單相接地短路故障及兩相接地短路故障時容易拒動。通過對電流互感器二次回路中性線斷線后又發(fā)生故障時的電流特征和阻抗特征進行分析，印證了試驗結(jié)果的正確性。同時，為避免電流互感器二次回路中性線斷線后保護誤動和拒動事件的發(fā)生，本文也提出了相應(yīng)的保護邏輯改進方案，仿真分析結(jié)果驗證了改進邏輯的可行性。