500 kV线路PT二次电压不平衡的原因分析

孙艳军，谢蓓敏，唐延明

(国网吉林省电力有限公司检修公司，吉林 长春 130022)

500 kV线路PT二次电压不平衡的原因分析

孙艳军，谢蓓敏，唐延明

(国网吉林省电力有限公司检修公司，吉林 长春 130022)

对变电站存在的500 kV线路电压互感器二次回路异常现象进行分析，通过将异常数据与其他稳定运行设备数据参照、对比，对导致电压互感器二次回路异常运行的原因进行论述，分析变电站设备空间场地内电磁感应所引发的问题，并提出相应的防范、治理对策。

二次电压异常；中线电位；N600芯线闭环

1 故障过程

2010年某夜，正常运行的500 kV合南1号线并联电抗器第1套WDK-600电气量保护装置的匝间保护突然发出跳闸命令，跳开本侧开关。同时向线路对端发出远传命令，对端保护装置发跳闸令，将合南1号线从系统中彻底隔离。在确认一次设备无异常情况后，网调下令将本侧的合南1号线并联电抗器第1套电气量保护停用，一次设备送电恢复至正常的运行方式。

通过调取保护装置的录波报告发现：导致匝间保护出口的电抗器高、低压侧零序电流及线路零序电压同时出现，启动量超过装置的动作门槛值，持续时间超过了装置固有的抗干扰判别延时整定值。通过核对运行中设备的电流、电压采样数值，发现运行中的合南1号线PT数值存在第1组二次电压三相不平衡的异常情况，保护用A651、B651、C651三相电压值及3U0计算值分别约为59.5 V、61.5 V、60.7 V、5.2 V，3U0计算值超过WDK-600保护装置匝间保护的零序电压动作门槛值，而实际上作为重要对比数据的户外接入开口三角卷的零序电压却很低。

仲夏雨夜的环境下，系统发生了扰动，合南1号线及其并联高抗设备都流过穿越性的零序电流，待扰动消失后该穿越性零序电流自然消失。但其零序电压长期存在，零序电压及零序电流幅值与相角构成了本端高抗匝间保护出口的条件，对端收到远传信号的同时亦存在合南1号线零序电流越限的情况，最终导致线路两端均动作跳闸。

合南1号线电抗器第1套保护PT二次电压异常是导致这次装置误跳闸的重要间接因素。

2 问题的排查与解决

2.1 问题的排查

查阅变电站Ⅰ期工程的设计图纸：线路PT二次的第1卷电压分配给第1套保护及测量回路使用，线路PT二次的第2卷电压专门给第2套保护使用，PT二次的开口三角卷仅供故障录波器使用。从线路PT端子箱开始，用2根电缆把第Ⅰ组二次电压分别送到线路第1套保护屏及线路测控屏。第Ⅱ组二次电压及开口三角卷电压分别经一根电缆与线路第2套保护及故障录波器屏相联。保护屏、录波器屏及测控屏则分别用屏顶小母线的方式与N600母线相联接。合南1号线并联电抗器第1套电气量保护使用的电压取自合南1号线线路测控屏电压。

重点对合南1号线二次电压的二次回路接线及相关参数进行检查测量，同时将与其接线方式相同的丰合线及有参照性的梨合1号线、合南2号线二次回路相关参数也进行测量对比。

合南1号线户外PT端子箱处测量电压：第Ⅰ卷PT二次A651，B651，C651对Ⅰ组电压中性点N600分别为60.70 V，60.72 V，60.69 V；第Ⅰ卷PT二次A651，B651，C651对Ⅱ组电压中性点N600分别为59.75 V，61.83 V，60.77 V；第Ⅱ卷PT二次A652，B652，C652对Ⅱ组电压中性点N600分别为60.68 V，60.72 V，60.71 V；第Ⅱ卷PT二次A652，B652，C652对Ⅰ组电压中性点N600分别为61.58 V，59.84 V，60.14 V。第Ⅰ卷PT二次中性线与第Ⅱ卷PT二次中性线之间存在5 V左右的电位差。

梨合1号线户外PT端子箱处测量电压：第Ⅰ卷PT二次A651，B651，C651对Ⅰ组电压中性点N600分别为60.73 V，60.75 V，60.74 V；第Ⅰ卷PT二次A651，B651，C651对Ⅱ组电压中性点N600分别为59.73 V，61.51 V，60.94 V；第Ⅱ卷PT二次A652，B652，C652对Ⅱ组电压中性点N600分别为60.70 V，60.72 V，60.69 V；第Ⅱ卷PT二次A652，B652，C652对Ⅰ组电压中性点N600分别为61.04 V，60.54 V，60.38 V。第Ⅰ卷PT二次中性线与第Ⅱ卷PT二次中性线之间存在0.8 V左右的电位差。

合南1号线测控屏及保护屏电压测量均在连接屏顶电压公共母线N600的情况下进行的。四方保护屏A651，B651，C651对全站公用电压小母线N600分别为59.54 V，61.52 V，60.90 V；南瑞保护屏A652，B652，C652对对全站公用电压小母线N600分别为60.68 V，60.74 V，60.71 V；测控屏A651，B651，C651对全站公用电压小母线N600分别为60.15 V，60.98 V，60.85 V。

丰合线户内装置端子排处测量电压：四方保护屏A651，B651，C651对Ⅰ组电压中性点N600分别为60.50 V，60.91 V，60.54 V；南瑞保护屏A652，B652，C652对Ⅱ组电压中性点N600分别为60.71 V，60.74 V，60.73 V；测控屏A651，B651，C651对Ⅰ组电压中性点N600分别为60.54 V，60.80 V，60.64 V。

2.2 初步解决的问题

由于合南1号线高抗保护装置采用早期的保护组屏方式，屏内第1套电气量保护、第2套电气量保护的电压中性点在端子排外侧均采用外接全站公用的N600电压小母线接线方式。尝试从线路第1套保护(四方保护)屏内转送来A651，B651，C651及线路户外电压中性线电压做为电抗器第1套保护的A，B，C，N工作电压。为此，拆除了从测控屏来的A651，B651，C651电缆接线，同时拆除四方保护屏内的屏顶N600小母线，只保留测控屏内某处与户内公共接地点N600母线连接线。

第Ⅰ组电压取消了四方保护屏户内N600母线后，2根电缆并接入户接线方式下的合南1号线户内装置显示：四方保护屏A651，B651，C651对Ⅰ组电压中性点N600电压值及3U0计算值分别为60.72 V，60.71 V，60.74 V，3.0 V；南瑞保护屏A652，B652，C652对Ⅱ组电压中性点N600电压值及3U0计算值分别为61.38 V，61.54 V，61.24 V，0.06 V。

接线改造完成后，合南1号线高抗第1套保护三相电压不平衡的情况消失了。

2.3 未解决的问题

合南1号线第Ⅰ组PT电压平衡问题解决后，以下异常现象却仍然长期存在。

(1) 合南1号线测控屏测量引入电缆的Ⅰ组电压中性线N600芯线负荷电流为348 mA，该屏至全站PT公共接地点处的N600母线连接线N600芯线的负荷电流为350 mA；合南1号线四方保护屏户外接入电缆负荷电流为A651芯线17 mA、B651芯线17 mA、C651芯线17 mA，PT户外引入保护屏的Ⅰ组电压电缆中性线N600的芯线负荷电流为346 mA，而全站公用电压母线N600入地处才流过376 mA的电流。

(2) 虽然此次改造解决了合南1号线第Ⅰ组三相电压不平衡的问题，但第Ⅰ组电压中性线N600对全站基准零电位点的电位差数值仍偏高。

(3) 合南2号线只用1根电缆将第Ⅰ组PT电压引入测控屏，其电缆长度比合南1号线还要长一些，但用钳形电流表测量该电缆电压中性线N600的芯线负荷电流只有7 mA(该电缆屏蔽层入地电流将近500～600 mA)。

(4) 丰合线四方保护屏处N600屏顶小母线负荷电流为50 mA；连接户外PT端子箱到测控屏处电缆的N600芯线负荷电流为52 mA。

(5) 该屏测量到从PT端子箱到4×4电缆N600芯线负荷电流为87 mA，到该屏4×2.5电缆N600芯线负荷电流为86 mA；从该屏至线路REL-561保护屏的N600芯线负荷电流为5 mA；从该屏至全站PT公共接地点处的N600芯线负荷电流为6 mA。该情况介于合南1号线及丰合线之间，长时间运行过程中保护亦未发出PT回路异常告警信号，此问题尚未解决。

2.4 问题的排除与分析

2.4.1 原因排除

当合南1号线停电检修时，参照合南2号线的电缆接线模式，取消了合南1号线四方保护屏与户外线路PT端子箱之间的电缆连接。重新敷设一条合南1号线测控屏与线路四方保护屏之间的电缆，将保护电压重新并接到测控屏户外来的电缆引入线芯线中。当线路PT带电后，合南1号线线路第1套保护电压采样值及计算3U0值马上与第2套保护采样值趋于一致。

第Ⅰ组电压仅保留测控屏内N600母线后1根电缆接线方式下，合南1号线户内装置显示：四方保护屏A651，B651，C651对Ⅰ组电压中性点N600电压值及3U0计算值分别显示为60.72 V，60.73 V，60.71 V，0.08 V；南瑞保护屏A652，B652，C652对Ⅱ组电压中性点N600电压值及3U0计算值分别显示为60.73 V，60.75 V，60.71 V，0.09 V。用电压表测量：四方保护屏A651，B651，C651对Ⅱ组电压中性点N600电压值分别为60.72 V，60.73 V，60.71 V；南瑞保护屏A652，B652，C652对Ⅰ组电压中性点N600电压值分别为60.73 V，60.75 V，60.71 V。

2.4.2 原因分析

要解决线路保护PT二次中性点电位偏高问题，其关键是彻底断开保护屏、测控屏2根入户电缆中的保护屏的N600芯线。

2.4.2.1 N600芯线中电流来源的分析

根据调查，发现各处N600芯线中有大量毫安级电流，因此首先从电缆屏蔽层的抗干扰功能入手进行分析。

第Ⅰ卷PT二次的中性点有2条N600芯线连接到室内装置，在用钳形电流表测量时都会发现存在毫安级电流，说明这2条N600芯线已经形成了闭环，其内部流过的电流实际上是对屏蔽层抗干扰电流电磁感应的反作用结果。

图1是合南1号线、丰合线户外PT二次中性线引入户内的接线方式，图2是梨合1号线户外PT二次中性线引入户内的接线方式。对于同一卷PT用2根电缆引入户内使用的2个中性线芯线而言，二者入户后在全站的PT公共接地端M点处被连接在一起(见图1)，二者入户后在测控屏端子排Q点处被连接在一起(见图2)，在户外线路PT端子箱处二者在端子排E点处连接在一起，2根芯线之间恰好形成物理意义上的两端并联。

在图1、2中，二者入户后在全站的PT公共接地端M点处被连接在一起，在线路PT端子箱处二者却在不同的端子排E、F点处，2根芯线的另外一端连接着不同PT卷的二次非同名端。在电气意义上，它们是被室内同一接地端M点钳制的等电位点电气关系，实际上也并未形成物理意义上两端并联。

2.4.2.2 抗干扰电流的形成及其后续影响

图3表示假定空间电磁场对2根走向一致的电缆屏蔽层的电磁感应电流方向，是该电缆屏蔽层感应电流对构成环形N600芯线产生的次生感应电流趋势的抽象表现。

图1 合南1号线、丰合线户外PT二次中性线引入户内接入线示意

由于连接户外线路PT端子箱至户内装置屏各条电缆屏蔽层的材质、规格不尽相同，电缆敷设走向、空间位置及电缆长度等也不同，导致屏蔽层中产生的屏蔽电流数值也不完全一致。即使户外电缆沟道内敷设方向及长度都相同的2根相同电压的PT卷入户电缆，其屏蔽层的抗干扰电流值也是有区别的。抗干扰屏蔽层电流在闭合N600芯线回路中再度感应，形成一种反作用电流。虽然电缆走向一致，但排布层次却有差别，导致屏蔽层抗干扰电流作用趋势也有强弱之分。受干扰最严重的电缆屏蔽层的电流方向决定了2根第Ⅰ卷PT中性线N600中实际感应电流的方向及数值。

图2 梨合1号线户外PT二次中性线引入户内接入线示意

图3 感应电流走向及分布示意

环路以外的二次回路(图2中M、Q 2点之间的回路)的电磁感应特征：电流很小、很弱。一旦图中N600环路被拆除，剩下唯一的N600芯线中能测量到的是PT中线的不平衡电流，合南2号线间隔第Ⅰ卷PT二次N600中性线7 mA的测量数值就验证了这个结论。

2.4.2.3 中性线环流及电位升高的根本原因

图4是合南1号线2010年第1次完成接线改造后的回路连接示意图。

在断开屏顶N600小母线的情况下，用钳形电流表依然能够测量到合南1号线测控屏引入电缆N600芯线负荷电流348 mA，该屏至全站PT公共接地点处的N600芯线负荷电流350 mA；另外一根户外引入至保护屏PT二次Ⅰ组电压电缆N600芯线负荷电流346 mA，这说明该回路中依然存在N600芯线闭合环路。

图4 合南1号线2001年第1次接线改造后的回路连接

按照原电力部早期下发的反措要点要求：集成电路及微机保护装置引入的交流及直流电源来线应先经抗干扰电容后才能进入保护内部装置。现在保护装置采用背板走线方式，在交流电压插件处将其外接的全部端子都经过一个一端并联接地的小电容，其目的是滤除50 Hz之外的干扰信号。对于直流信号而言，M点与N点不通；而N600环路中电流是交变的、各种频率的不确定信号，这类信号能够轻易通过电容通道进入屏体的接地铜排处，再与等电位接地网相通。而N600小母线就是经过一点固定连接在室内的等电位接地网上，因此借助保护屏的抗干扰电容，户外来的中性线N600实际上与屏顶N600小母线是贯通的。

客观上，导线是存在电阻的，电流从导线中流过后在导线的另外一端就会形成压降。在图4所示的N600环形回路中，从N600接地点M点开始到线路测控屏、到PT端子箱的E点、到线路四方保护屏的端子排A点，实际电阻约为7～9 Ω，350 mA电流流过后形成的压降约为2.5～3.2 V，这与实际测量数据相互印证。

2.4.2.4 PT二次异常频发的原因

从图5所示的电缆敷设走向可以看出，用2根N600芯线连接的合南1号线第Ⅰ组电压回路从2个500 kV完整串中间通过，另一条从500 kV主变一次导引线电缆沟道中穿越、横切两回500 kV母线，一条从500 kV线路出口，经受的电磁干扰环境相当恶劣。

将合南1号线户外二次电缆回路与合南2号线、梨合1号线、丰合线相比较：

(1) 无论从电缆长度还是电磁干扰环境来看，丰合线间隔都是最乐观的，故与合南1号线接线布局完全一致的丰合线保护从未发生过PT断线告警；

(2) 梨合1号线PT二次电缆仅仅穿越了一个丰合线出口间隔，在其闭合的N600环形回路中测量的感应电流还是不可忽视；

(3) 无论从电缆长度还是电磁环境来看，最严重的是合南2号线间隔的二次电缆，而实际上只用一芯电缆将第1卷PT中性点引入保护室内的合南2号线第Ⅰ组电压回路的N600芯线中，所能测到的钳形表电流仅为7 mA，这只是PT二次负载的不平衡电流。

因此，可以理解合南1号线出现第Ⅰ组PT回路异常告警的几率远远高于其他线路间隔。

3 结束语

综上所述，寄生回路往往是十分隐蔽的，2个看似不相关的回路就可能存在某种隐蔽的紧密关联，往往发生不利于系统安全稳定运行的异常事件或者引发严重的结果，才会引起高度关注。

为了避免或减少环路感应电流对PT二次电压的影响，从而减少对相应的保护及安全自动装置的不利影响。在日常工作中，要注重做好以下调查及防范工作。

(1) 为保证PT二次电压降落的误差要求，电压互感器引入保护室的二次回路电缆应尽量使用单根截面积合适的芯线，避免或尽量减少采用2根电缆芯线并接的方式来提高导线的横截面积。

图5 500 kV场地设备及相关线路PT电缆分布示意

(2) 若PT已经处于运行状态且采用2根电缆芯线并接入户的接线方式，在接用电压负载前应首先在入户屏柜的端子排处进行2根芯线的可靠短接处理，然后将电压中性线直接连接到全站公用接地点N600处，最后再以辐射状的接线方式用多根电缆将A，B，C，N电压线分配到各电压负载处。

（3）继电保护专业人员要不断提升自己，提升整个专业队伍的业务技能，便于在日后例行的设备巡视检查工作中能够善于察觉异常运行数据，排查出导致运行数据异常的原因，最终将问题彻底根除。确保现场每套二次设备处于健康状态。

（4）建议电力设计单位在今后变电站土建设计工作中，对设备场地的电缆沟道进行抗电磁场干扰处理，尤其是对大量的电缆沟道表面盖板进行屏蔽处理，尽量减弱电磁干扰信号进入电缆沟道的强度。

2014-10-28。

孙艳军(1971-)，男，继电保护高级技师主要从事电力系统继电保护装置现场维护工作，email：958167641@qq.com。

谢蓓敏(1971-)，女，高级工程师，主要从事电力系统自动化专业及二次回路现场调试与维护工作。

唐延明(1972-)，男，工程师，主要从事电力系统变电运行专业及检修公司安全监督工作。