1、 2019 年中国电机工程学会年会论文集 电流二次回路中性线开路造成线路保护误动作分析及对策 张健康，卫琳，粟小华(国家电网公司西北分部 陕西 西安 710048)Analysis and Countermeasures for the Line Protection Mal-operation Caused by Current Circuit Neutral Line Breaking Zhang Jiangkang,Wei Lin,Su Xiaohua(Northwest Branch of State Grid Corporation,Xian 710048,China)摘要：电流二次
2、回路中性线开路具有缺陷隐蔽、危害严重等特点，已造成现场多起线路保护误动作。通过分析 3/2 断 路器接线电流二次回路中性线不同位置开路导致的两起线路差动保护误动作实例，将中性线开路分为分支回路中性线开路与和回路中性线开路两类，并探讨了以上两种情况下零序电流的特征及对线路保护的影响。为提高线路保护运行可靠性，提出在电网发生故障时利用保护故障信息系统对同一线路双重化配置线路保护的零序电流进行收集和比对，通过两者的不一致识别电流二次回路中性线开路。该方法能够及时发现电流二 次回路中性线开路缺陷，有效 降低由此造成的线路保护不正确动作。关键词：线路保护；电流回路；中性线开路；零序电流 Abstract
3、:It is hidden and harmful when the neutral line of current circuits is broken,which has led to many mal-operations of the line protection on site.By analyzing two typical mal-operations of line differential protection caused by neutral line breaking at different positions in current circuits with br
4、eaker-and-a-half configuration,it is pointed out that the defects can be divided into two categories:breaking in branch circuit neutral line and sum neutral line.And then,it is discussed the characteristics of zero sequence current and its influence on line protection under the above cases.In order
5、to solve the problem,it is proposed to collect and compare the zero sequence current from line protections with dual configuration of the same line at faults to identify the broken state of a neutral line based on their inconsistencies,which can be achieved by means of protection fault information s
6、ystem.The proposed method is able to detect the neutral line breaking immediately and effectively reduce the incorrect operation of line protection caused by the defects.Key words:line protection;secondary current circuit;neutral line breaking;zero sequence current 0 引言 随着高 压直 流输 电的 快速 发展、风电 和光 伏等新能
7、 源并 网规 模持 续增 长，电 网电 力电 子化 特征 日 趋明显1，电网 运行 特性正 发生 显著 改变，对继电 保护 可靠 运行 提出 更高要 求。电 流差 动保护以选 择性 好，灵敏 度高，不受 系统 振荡 影响 等诸多优 点成 为超高 压线路 首选的 主保 护2。运 行实践表 明，电流 差动 保护 动作性 能与 电流 二次 回路的可 靠性 紧密 相关。电流二 次回 路开 路判 别是 提高差 动保 护可 靠性的重 要措 施。要求 两侧 保护同 时启 动差 动才 允许出口 跳闸，较 好地 解 决了 电 流二 次回 路某 一相断线时 差动 保护 误动 作 问题3，但中性线 开路 判别问题一
8、 直没 能得 到有 效解 决。由 于中 性线 开路 隐蔽性强、安全 风险 高，现场 已多次 发生 因中 性线 开路造 成的继电 保护不正 确动作4-6，成为影 响继电 保护可靠 性的 关键 因素。经过十 多年 发展，继 电保 护故障 信息 系统 已在超高压 厂站 获得 普遍 应用，实现 对继 电保 护设 备在线监视 和录 波在 线分 析。该系统 将各 类继 电保 护及故障录 波器 等二 次设 备连 接成一 个工 业物 联网，为电网故 障信 息的 共享 及应 用奠定 了坚 实基 础，业内已将其 用于 继电 保护 状态 检修9-12。该系统的 深化应用为 提升 继电 保护 管理、技术 及运 行水
9、平创 造了有利条 件。2019 年中国电机工程学会年会论文集 线路保护A相B相C相N相A相B相C相N相故障录波及行波测距 边断路器中断路器和回路 分支回路本文结 合两 起典 型的 线路 保护误 动作 案例，分析了 不同 情况 下电 流二 次回路 中性 线开 路的 故障特征，并 提出 了解 决措 施，以 降低 线路 保护 不正确动 作风 险，提高 电网 安全运 行水 平。1 线路保护电流二次回路现状 电流二 次回 路是 继电 保护 重要组 成部 分，直接关系 到保 护测 量的 准确 性和动 作的 可靠 性。在超高压 电网 中，保 护用 电流 互 感器 均 采 用三 相完全星型 接线 方式，其 电
10、流 二次回路 通过 公共 的中性线在 端子 排一 点接 地。目前，线路 保护 电流 二次 回路有 两种 接线 方式，如 图 1 所示。一 种是 来自边、中 断路 器电 流互 感 器二 次侧 端子的 A、B、C、N 四根 线先 分别在就地 汇控 柜端 子排 处按 相并联 形成 和电 流，然后依次 接入线 路保 护及 故障 录 波装 置。为分 析方便，本 文称 为第 一类 接线。近期 工程 也有 将边、中断路 器电 流二 次分 别引 入线路 保护，在 保护 屏端子排 处按 相并 联后 再接 入故障 录波 装置，称 为第二类 接线。第 二类 接线 线路保 护能 够采 集到 每组断路 器电 流，因而
11、可以 用于保 护性 能的 改进，而第一 类接 线却 不能。(a)第一 类接线（b）第二类 接线 图 1 线路保护电流二次回路示意图 Fig.1 Diagram of current circuit for line protection 零序电 流通 过中 性线 回路 构成通 路。中 性线回路是 一个 整体，任何 一个环节 发生 异常，造成回路开 路或 者接 触不 良，都会 影响 零序 电流 的传变，进 而影 响二 次电 流的 准确性。零 序电 流包 括外接和 自产 两种，前 者通 过采样 电流 回路 中性 线电流的 方式 获取，后 者将 采样到 的三 相电 流通 过软件相 加的 方式 得到，
12、两 者在线 路保 护中 都有 使用。从图 1 可以 看出，以 两组 断路器 电流 二次 回路并接 处为 界，中性 线回 路可分 为并 接处 以前 及并接处 以后 两部 分，本文 将前者 称为 分支 回路 中性线，后者 称为 和回 路中 性线。2 中性线开路造成线路保护误动作实例分析 近年来，国 内已 多次 发生 因电流 二次 回路 中性线开路 导致 的线 路保 护不 正确动 作事 件。本文 分别选取分 支回 路中 性线 及和 回路中 性线 开路 等具 有代表性的 两起 实例 进行 分析。2.1 分 支回 路中 性线 开路 造成线 路保 护误 动作 某变电 站 330 千伏 母线 发生 C 相故
13、 障，母线 保护正确 动作 切除 故障。与 此同时，相 邻变 电 站 330千伏 HS 线路 的 CSC-103A 保护装 置动 作跳 开 C 相，随后重 合成 功。该线 路另 一套保 护装 置启 动但 未动作出口。该 变电 站为3/2 断路器 接线，线 路保 护电流 二 次回 路如图 1（a）所示。图2 给出 了CSC-103A 保护 装置测 量到 的三 相及零序电 流。作为 对比，图 中也给 出了 另一 套保 护装置 的 测量 值。显然，CSC-103A 保护 装置 测量 到的 A、B、C 相电 流幅 值及 C 相电 流相位 均发 生改 变，与实际值存 在较 大差 异，从而 在差动 保护
14、中产 生较 大的差流，达到 定值 后差 动保 护动作 跳 开C 相。图 2 两套线路保护测量电流对比 Fig.2 Measurement currents of double sets of line protection 从图 2（d）可以 看出，两套 保 护装 置的 零序 电流也存 在显 著差 异。经对 现场二 次回 路进 行仔 细检查，发现 中断 路器 就地 端子 箱内 CT 中性 线接 触不良，存 在开 路问 题。区外C 相 故障 时，故障 相电 流只能通 过非故 障相 A、B 构成 回 路，二次 侧没 有零 序电 流 流过。CSC-103A 保护 装置测 量到 的零 序电 流等于边、
15、中断 路器 零序 电流 的叠加，中 性线 开路 导致中断路 器零 序电 流为 零，因此线 路保 护只 测量 到了边断路 器的 零序 电流，与 实际值 不一 致，这一 点可以 从图 4（d）中清 楚看 到。此外，线路 非全 相运 行期间，两侧 断路 器 C 相均已 跳 开，C 相线 路电 流应线路保护A 相B 相C相NA相B相C相N故障录波及行波测距 边断路器和回路 分支回路中断路器 2019 年中国电机工程学会年会论文集 为 零。但从 图4（c）可以 看 出，由于 中性 线开 路，CSC-103A 保 护装 置仍 检测到 明 显的 C 相电 流。本次事 件以 前，电网 也多 次发生 区外 接地
16、 故障，HS 线路 CSC-103A 保护 装 置只 是启 动但 并未动 作 出口。图 3 给 出 了某次 区 外故 障时 CSC-103A保护装 置的 录波，作 为对 比，图 中也 给出 了二 次回路正 常的 另一 套保 护装 置的录 波。显然，电 流二次回 路中 性线 开路 时保 护装置 测量 到的 零序 电流 会 发生 明显 变化，如图3（d）所 示。图 3 两套线路保护测量电流对比 Fig.3 Measurement currents of double sets of line protection 2.2 和回 路中 性线 开路 造成 线 路保 护误 动作 某750 千伏 变电 站
17、在 对线 路送电 时断 路器 发生故障，保 护动 作切 除故 障。与 此同 时，本站 内一条750 千伏 线路 的PCS-931A 装置 差动 保护 无故障三相 跳闸。该 变电 站为3/2 断路 器接 线，线路保护电 流二 次回 路接 线如 图1（b）所 示。非 故障线路对 端为 电厂，通 过倒 送电方 式与 电网 相连，主变中 性点 直接 接地。图 4 给出 了非 故 障线 路本侧 PCS-931A 装置测量到 的三相 及零 序电 流。作 为参 考，图中 也给出另一 套保 护测 量值。由 于线路 轻载 运行，对 侧无电源 且主 变中 性点 直接 接地，区外 单相 接地 故障时，流过 线路 三
18、相 电流 的幅值 和相 位相 同，均为零序 电流。这 一点 可以 从另一 套保 护装 置电 流清 楚 看到。但本侧 PCS-931A 装置 测量 到的 A、B相电流 幅值 和相 位均 相同，与 C 相电 流反 相，且幅 值是 C 相 的一 半，二次电 流 特征 与实 际不 符。线路两 侧电 流的 不一 致导 致出现 差流，达 到定 值后造成 差动 保护 动作。图 4 两套线路保护测量电流对比 Fig.4 Measurement currents of double sets of line protection 检查发 现，行波 测距 装置 端子排 中性 线回 路未连接，处于 开路 状态。当区
19、 外发 生 B 相接 地故 障后，本侧装 置由 于中 性线 开路，故障 相电 流只 能通 过非故 障相 A、C 构成 回路，二次 侧 没有 零序 电流 流过，导致保 护测 量到 的三 相电 流与实 际不 符，引起 线路保护误 动作。另 一套 保护 装置中 性线 连接 正确，在故障过 程中 采样 正常，未 出现误 动作。此前，电网 也多 次发 生区 外接地 故障。遗 憾的是，现 场人 员并 未调 阅相 关线路 保护 启动 报告，认真分析 电流 波形 是否 正确，致使 多条 线路 存在 的电流二次 回路 中性 线开 路隐 患未能 及时 发现。3 电流 二次 回路中 性线 开路故 障特 征分析及对线
20、路保护的影响 线路保 护的 电流 二次 回路 如图1 所示，包 括开关场的 电流 互感 器以 及保 护装置 内小 型电 流互 感器在内的 二次 回路。电 流二 次回路 中性 线开 路属 于典型的隐 性故 障。由于 正常 运行时 流过 的电 流基 本为零，中 性线 回路 出现 开路、虚接 等情 况难 以及 时发现。当 区内 外发 生接 地故 障时，二次 电流 不能 真实反应一 次电 流，从而 导致 线路保 护不 正确 动作，引发连锁 故障 反应。与单断 路器 接线 相比，3/2 断路 器接 线线 路保护需采 集两 组断 路器 电流，电流 二次 回路 较为 复杂8。当区外 故障 时，会有 较大 的
21、穿 越性 电流 流过 断路器，造成 两组 断路 器电 流以及 断路 器与 线路 电流在幅值 和相 位上 存在 差异。现场 通常 会出 现两 类电流二次 回路 中性 线开 路：一类是 边断 路器 或中 断路器电流 二次 回路 中性 线即 分支回 路中 性线 区域 内的 2019 年中国电机工程学会年会论文集 开路；另一 类是 线路 电流 二次回 路中 性线 即和 回路 中 性线 区域 内的 开路。两者 故 障特 征有 所不 同，下面分 别讨 论。3.1 分支 回路 中性 线开 路故 障 特征 对于3/2 断路 器接 线，当某 组 断路 器中 性线开 路，以 中断 路器 为例。在发 生 区外 接地
22、 故障（以C 相接 地为 例）时，依据 电路理 论可 知，中断 路器C 相故 障电 流不 能通 过中 性 线流 通，只能 经非故 障相 A、B 构成 回路，如图 5 中红 色虚 线所 示。边断路 器电 流二 次回 路正 常，故 障相 电流 通过 非故障相 及中 性线 构成 回路，不受 中断 路器 中性 线开路影 响，如图 中黑 色虚 线所示。线路保护A 相B 相C相NA 相B 相C 相N边断路器中断路器 图 5 分支回路中性线开路电流流向示意图 Fig.5 Current flow of branch circuit neutral line broken 由以上 分析 可知，中 性线 开路的
23、 分支 回路，断路器 零序 电流 为零。中 性线正 常的 分支 回路，断路器 零序 电流 为实 际值。线路 电流 等于 边、中断路器 电流 的相 量和，因 此，线 路零 序电 流等 于中断路 器的 零序 电流。需 要指出 的是，区外 故障时受断 路器 穿越 电流 的影 响，发 生分 支回 路中 性线开路 时，线路 保护 测量 到的零 序电 流幅 值可 能比实际 值偏 小，也可 能比 实际值 偏大，取 决于 两组断路 器零 序电 流的 幅值 及相位。3.2 和 回路 中性 线开 路故 障特征 依据电 路理 论，当和 回路 中性线 开路 时，会导致线 路电 流的 零序 回路 不通，线路 故障 相电
24、 流只能通 过另 外两 个非 故障 相构成 回路。两 组断 路器二次 电流 的流 向较 为复 杂。由 于两 组断 路器 的三相及 中性 线回 路分 别并 接在一 起，每组 断路 器故障相 电流 一部 分会 通过 另一组 断路 器对 应相 及中性线 构成 回路；其 余电 流则会 流入 和回 路，通过和回 路的 非故 障相 构成 通路。以C 相故 障为 例，边断路 器 C 相二 次故 障电 流一部 分经 中断 路器 的C 相 以及 中、边断 路器 中性 线 构成 回路，如图 6中 蓝 色虚 线所 示。另一 部分 电 流则 由和 回路的 A、B相流通，如 图中 红色 虚线 所示。线路保护A 相B相C
25、相NA相B相C相N边断路器中断路器 图 6 和回路中性线开路电流流向示意图 Fig.6 Current flow of sum circuit neutral line broken 因此，当和 回路 中性 线开 路时，每个 分支 回路的零序 电流 均不 为零，但 和回路 即线 路的 零序 电流为零。总之，中性 线不 同位 置开 路时，会影 响到 相关断路器 及线 路的 二次 电流，造成 二次 零序 电流 与真实值存 在明 显差 异，这一 点可用 于中 性线 开路 的识别。需要指 出的 是，分支 回路 或和回 路中 性线 开路后，保 护检 测到 的自 产零 序电流 和外 接零 序电 流始终相同
26、。通 过自 产与 外接 零序电 流比 较的 方法 不能识别中 性线 开路。3.3 中性 线开 路对 线路 保护 的 影响 电流二 次回 路中 性线 开路 会造成 保护 装置 在接地故障 时测 量到 的三 相及 零序电 流与 实际 不符，从而引起 线路 保护 不正 确动 作。目 前的 线路 保护 主要包括差 动保 护、距离 保护 及零序 电流 保护 等功 能，下面结 合分 支回 路及 和回 路中性 线开 路分 别讨 论。区外接 地故 障时，无 论是 分支回 路或 和回 路中性线开 路，都会 导致 本侧 保护装 置测 量到 的电 流不能真实 反应 一次 电流，从 而出现 差流，达 到定 值后就会造
27、 成差 动保 护误 动作。区内 单相 故障 时，分支回路或 和回 路中 性线 开路 均可能 导致 本侧 非故 障相电流与 实际 值不 一致，引 起差动 保护 因选 相错 误而误跳三 相。为防止 区外 故障 时误 动作，接地 距离 保护 均通过零序 电流 闭锁。区 内发 生接地 故障 时，和回 路中性线开 路使 得保 护装 置测 量到的 零序 电流 为零，不满足保 护动 作条 件，从而 造成接 地距 离保 护拒 动。分支回 路中 性线 开路，会 影响到 保护 装置 测量 到零序电流 的准 确性，可 能导 致距离 保护 在区 外接 地故 2019 年中国电机工程学会年会论文集 障时误 动作 或区
28、内接 地故 障时拒 动。和回路 中性 线开 路使 得保 护装 置测 量到 的零序电流 为零，从 而造 成零 序电流 保护 在区 内接 地故障时 拒动。分 支回 路中 性线开 路使 得线 路零 序电流不 能准 确传 变，可能 造成零 序电 流保 护在 区内接地 故障 时拒 动或 区外 接地故 障时 误动 作。4 解决措施 电力系 统发 生故 障后，邻 近的线 路保 护会 启动并进 行故 障录 波。录波 数据里 包括 交流 电流、交流电 压及 开关 量输 入等 信息，均是 通过 相关 二次回路 获取 的。这些 数据 不仅可 以用 于电 网运 行状况及 故障 性质 的判 断，也能用 于继 电保 护及
29、 相关二次 回路 的在 线监 测。对故障 录波 数据 进行 深入挖掘 和充 分利 用，为及 时发现 继电 保护 及相 关二次回 路缺 陷提 供了 新方 法。为防止 区外 故障 时误 动作，现有 差动 保护 都采用比 率制 动特 性且 具有 动作门 槛。当中 性线 开路且区 外发 生接 地故 障时，差动 保护 会检 测到 不平衡电 流，只有 当不 平衡 电流超 过一 定范 围时 差动保护 才会 误动 作。因此，可以 利用 区外 故障 时线路保 护的 电流 录波 数据 检验电 流二 次回 路的 正确性。超高压 线路 保护 均按 双重 化原则 配置，每 套保护电 流取 自电 流互 感器 的不同 二次
30、 绕组，电 流二次回 路完 全独 立。电网 发生故 障后，通 过调 取同一线 路两 套保 护装 置电 流采样 值，然后 对三 相及零序 电流 分别 进行 比对，就可 以判 断 A、B、C及N 回路 的完 好性。本 文着 重 讨论 中性 线回 路，因此，主 要使 用零 序电 流进 行 判别。在 电流 二次回路中 性线 接线 正确 情况 下，同 一线 路两 套保 护零序电 流采 样值 应相 同，考虑到 测量 误差，两 者差异不 会超 过 10%。当 两套 保 护零 序电 流差 异超过一定 值时，再 结合 其他 信息就 可以 判断 为其 中一套保 护中 性线 存在 开路。电流二 次回 路中 性线 开
31、路 的识别 方法 为 12 hhII（1）式中，I h1、I h2 分 别为 双重化 配 置线 路保护 1、2 的零 序电 流。对于 第一 类接线，该 电流 通过 和电流二 次回 路获 取；对于 第二类 接线，该 电流 通过两组断路器零序电流求 和得到。为门槛值，考 虑 到采 样误 差，取 0.15A。式（1）成 立时，判为 该线 路某套 保护 存在 电流回路中 性线 开路 缺陷。对于第 一类 接线，线 路保 护不能 得到 两组 断路器电流，受 电流 信息 的限 制，不 能区 分分 支回 路或和回路 中性 线开 路。对于第 二类 接线，线 路保 护能够 采集 到两 组断路器电 流，可进 一步
32、构造 以下判 据 12 ssII（2）12 mmII（3）式中，12 ssII、，12 mmII、分 别为 边、中断路 器 CT输 入 至线 路保护 1、2 的零序 电 流。式（2）或（3）满足 时，分别判 为边 断路 器或中断路 器分 支回 路中 性线 开路。图 2（d）及 图 4（d）分别 给出了 两起 中性 线开路案例 中线 路两 套保 护装 置零序 电流 对比。显 然，本方法 可以 准确 判断 出电 流回路 中性 线开 路。需要注 意的 是，正常 运行 时，若 某一 相电 流二次回路 出现 开路，以 上判 据也可 能满 足。考虑 到对某一相 开路 线路 保护 已有 完善的 判别 方法，
33、以 上判据应与 线路 保护 告警 信息 结合起 来，首先 应排 除某相电流 二次 回路 开路。继电保 护故 障信 息系 统作 为成熟 的技 术支 撑平台已在 电力 系统 获得 普遍 应用。常规 厂站 通常 配置独立的 继电 保护 故障 信息 系统，智能 变电 站则 将其集成于 变电 站一 体化 监控 系统内。它 不但 能获 取保护的动 作、告警、变 位等 实时信 息，还能 召唤 保护的故障 波形 文件，为 实现 二次回 路缺 陷诊 断提 供了数据源。电 流二 次回 路中 性线开 路识 别可 借助 该系统实现。电网发 生故 障后，继 电保 护故障 信息 系统 立即对全站 所有 线路 双套 保护
34、装置采 样电 流数 据进 行召唤。然后 逐条 线路 对采 集 到的零 序电 流按（1）-（3）式进行 判别。当 检测 到某 条线路 双套 保护 装置 的零序电流 存在 不一 致时，立 即发出 告警 信息，提 示运行人员 该线 路保 护电 流二 次回路 中性 线存 在开 路风险，应 尽快 通知 检修 人员 安排消 缺，及时 消除 安全隐患。5 结语 电流二次回路中性线开路隐蔽性强且危害性 2019 年中国电机工程学会年会论文集 大，是 导致 线路 保护 不正 确动作 的重 要原 因，在加强现 场运 维管 理的 同时，有必 要通 过技 术手 段降低安 全风 险。利用 故障 时保护 录波 数据 对二
35、 次回路完 好性 进行 检验，能 够及时 发现 安全 隐患，避免继 电保 护不 正确 动作 的发生，具 有广 阔的 应用前景。上述 方法 也可 以用 于 发电 机、变压 器、母线及 高抗 等设 备继 电保 护电流 二次 回路 中性 线开路的 识别。参 考 文 献 1 陈国平，王 德林，裘愉 涛，等 继电 保护 面临的 挑战 与展 望J电力系统 自动 化，2017，16(41)：1-11 CHEN Guoping,WANG Delin,QIU Yutao,et al.Challenges and Development Prospects of elay Protection Technolog
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