PT两点接地的隐性故障识别及预防措施

姜云龙

(国网天津市电力公司检修公司, 天津300143)

PT两点接地的隐性故障识别及预防措施

姜云龙

(国网天津市电力公司检修公司, 天津300143)

继电保护的隐性故障是一种潜在故障，对电力系统的危害极大。电压互感器二次回路发生两点接地是一种典型的隐性故障，会导致微机保护的自产零序电压发生偏移，可能导致零序方向保护误动或拒动。分析了电压互感器二次回路的两点接地故障对零序方向纵联保护的影响机理，提出了电压互感器二次回路两点接地隐性故障在线、实时的识别方法；并提出一种新的解决零序方向纵联保护误动的方法。通过大量仿真实验，验证该理论分析的正确性。

隐性故障；电压互感器；二次回路；两点接地；零序方向保护

继电保护的隐性故障是保护系统中存在的一种永久性故障，在电力系统和设备正常运行时，不易被发现，并且对电力系统没有影响，而当电力系统发生故障、不正常运行状态或受到外部干扰时，这种隐性故障就会被触发[1-2]。隐性故障最危险之处，就在于它对电力系统的影响，只有在系统处于异常的情况下才暴露，进而可能会导致更大范围的连锁故障。

目前，国内外关于隐性故障的研究主要围绕保护系统的可靠性分析[3-5]、隐性故障引起的电力系统连锁故障的风险评估[6-7]、隐性故障的监视和控制系统设计[8]三个方面。研究表明，继电保护的隐性故障表现形式和发生原因复杂多样，作为一种典型的隐性故障，电压互感器(potential transformer，PT)二次回路两点接地的故障类型对系统危害很大，由于该隐性故障使微机保护装置的自产零序电压发生偏移，可能导致零序方向保护误判，进一步造成系统大面积的连锁故障，严重影响系统的稳定。因此，对于PT两点接地隐性故障的识别和防止零序方向纵联保护误动措施的提出是非常有必要的。

文献[9]提出PT二次回路两点接地的查找方法，但该方法不能实现在线、实时检测和识别；文献[10]对两点接地的接地点查找方法进行了改进，但仍无法实现在线、实时的检测；文献[11]提出了PT二次回路两点接地的实时识别方法，并提出一种解决办法，但都是只针对单相接地故障时的情况，具有局限性。可见目前针对电压互感器二次回路两点接地故障的研究有待进一步深入探讨。

本文提出了PT二次回路两点接地隐性故障的判别方法和解决办法。先分析该隐性故障对零序方向保护的影响机理；其次分析PT二次回路两点接地时，负序和零序的电压、电流的变化特征；再采用适用于单相接地故障和相间接地故障、并考虑过渡电阻影响的PT两点接地故障的识别方法；最后，提出了防止PT二次回路两点接地导致零序方向纵联保护误动的措施。

1 PT两点接地对零序方向保护的影 响机理

根据《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》(修订版)的规定，公用电压互感器的二次回路只允许在主控室内有一点接地，这样不能对PT二次绕组实现可靠的雷击过电压保护，因此，通常会在开关场地将PT二次绕组中性点经放电间隙或氧化锌阀片接地[12]，如图1所示。但放电间隙或氧化锌阀片被击穿的情况，时有发生，从而造成PT二次回路两点接地的隐性故障[13-14]。

图1 实际接线图

以下具体分析此隐性故障对零序方向保护的影响。根据图1，当开关场地的放电间隙或氧化锌阀片被击穿时，可得到图2所示的电压回路的等效电路。

图2 电压回路等效图

(1)

由图2，可以得到如下关系：

(2)

微机保护全部采用自产零序，即实际进入保护装置的零序电压为：

(3)

以下详细分析电压互感器两点接地故障对系统不同状态的影响。

1.1 一次系统正常运行时

1.2 一次系统发生单相接地故障

图3 受PT两点接地影响的A相接地故障

1.3 一次系统发生相间接地故障

综上所述，当发生PT两点接地隐性故障时，导致自产零序电压不与一次系统实际零序电压成正比，会引起零序方向保护的误动、拒动，可能会引起一次系统连锁故障发生。

2 PT两点接地的特征及识别方法

图4 受PT两点接地影响的BC相间接地故障

图5 双电源系统图

2.1 单相接地故障(以A相接地故障为例)

2.1.1PT二次回路正常。根据A相接地故障的复合序网图(图6)，可得：

(4)

这时M侧保护安装处A相的负序、零序的电压、电流(规定以母线流向线路为电流正方向)为：

(5)

(6)

(7)

(8)

图6 A相接地故障的复合序网图

式中，ZM为故障点M侧的总阻抗；ZN为故障点N侧的总阻抗；ZSM为M侧的系统阻抗；CM2、CM0为负序和零序电流分布系数。

2.1.2PT发生两点接地

PT发生两点接地，由于受该隐性故障的影响：

(9)

(10)

(11)

2.2 相间接地故障(以BC相间接地为例)

2.2.1PT二次回路正常

由图7，可得：

(12)

(13)

图7 BC相间接地故障的复合序网图

(14)

此时M侧保护安装处A相的负序、零序的电压、电流为：

(15)

(16)

(17)

(18)

2.2.2 分析PT发生两点接地隐性故障的情况

PT发生两点接地隐性故障时：

(19)

(20)

(21)

2.3 经高电阻的相间接地故障(以BC为例)

2.3.1PT电压回路正常状况

由图8两相短路接地的复合序网可得:

(22)

图8 经过渡电阻的BC相间接地故障复合序网图

(23)

(24)

此时M侧保护安装处A的负序、零序电压、电流为：

(25)

(26)

(27)

(28)

2.3.2 分析PT发生两点接地隐性故障状况

PT发生两点接地隐性故障时

(29)

(30)

(31)

不同接地情况下负序、零序的电压、电流的相位关系汇总如表1所示。

经上述分析可知，当发生PT两点接地故障时，负序电压和零序电压相位出现偏差；但负序和零序电流仍然同相位，因负序电压和负序电流仍同相位，可通过PT两点接地对电压、电流的影响特征，再加设门槛电压，得到PT两点接地的识别方法为：

式中，Uset为门槛电压，θset1、θset1为角度门槛。

表1 相位关系表

2.4 防止零序方向元件误判的措施

系统中M、N两侧同时发生PT两点接地隐性故障的概率非常小，因此，只考虑M侧发生PT两点接地隐性故障。

然而，同一元件正负序电压相位角关系如下：

=[arg(ZSM0)-arg(ZM0)]-

[arg(ZSM2)-arg(ZM2)]-

(33)

[arg(ZSN0)-arg(ZN0)]+

[arg(ZSN2)-arg(ZN2)]

根据实际情况，可认为arg(UM0/UM2)-arg(UN0/UN2)=0。

(34)

从而避免零序方向保护的误判。

3 仿真验证

利用PSCAD/EMTDC搭建了如图5所示的某220kV超高压输电系统，MN段、NP段长度均为300km，每千米正序电阻、电感、电容分别为R1=0.02083Ω，L1=0.898 4 mH，C1=0.012 9 μF，每公里零序电阻、电感、电容分别为R0=0.114 8 Ω，L0=2.288 6 mH，C1=0.005 23 μF;M侧的系统参数设为：EM=1.05∠0°，RM1=1.051 5 Ω，LM1=0.137 43 H，RM0=0.6 Ω，LM0=0.092 6 H；N侧系统参数为：EN=1.00∠-30°，RN1=26 Ω，LN1=0.142 98 H，RN0=20 Ω，LN0=0.119 27 H。

建立了如图1所示的详细的电压互感器二次回路。为了验证PT两点接地对零序方向保护的影响，仿真模型中搭建了两套电压二次回路，其中一套电压回路完全正常，另一套电压回路PT两点接地，以此来分析零序电压与零序电流的相位特征，从而判断零序方向保护是否错误判断；并基于MATLAB验证识别方法和解决办法的可用性。

图9 正方向A相接地故障

图10 正方向BC相间接地故障

点划线与点线之间的区域为零序方向保护的动作区。由图可以看出，由于电压回路PT两点接地的影响，M侧的零序方向保护将正方向故障误判为反方向故障，从而导致MN段保护拒动。

b.再设在1s时，NP段分别发生A相接地故障、BC相间接地故障，N侧的电压回路存在PT两点接地隐性故障，其中，UON取为10 V。仿真得到的N侧保护测量到的零序电压与零序电流的相位关系如图11、12所示。由图可以看出，由于电压回路PT两点接地的影响，M侧的零序方向保护将反方向故障误判为正方向故障，从而导致MN段保护误动。

图11 反方向A相接地故障

图12 反方向BC相间接地故障

通过模拟得到以下结论：

a.识别方法能有效识别PT两点接地隐性故障，在正常情况下不会误判；

b.识别方法从故障时刻到识别PT两点接地并发出警报，在1～3ms即可完成；

c.从故障时刻到识别出需要进行“故障处理”，在10～20ms内;

d.用解决方法替代受PT两点接地故障影响的零序电压，得到表2，比较可得该解决办法能有效地使零序方向保护正确动作， 避免了零序方向保护误判可能导致的连锁故障。

图13 识别方法流程图

图14 解决办法流程图

表2 PT两点接地故障下有无解决办法的比较

4 结 论

PT两点接地属于一种典型的隐性故障，现有资料表明该隐性故障在中国超高压系统引起了若干保护误拒动事故。分析研究了PT两点接地隐性故障对零序方向保护的影响，具体分析了造成零序方向保护误判的原因。分析该隐性故障的特征，指出PT两点接地只影响保护装置测量电压中的零序电压，提出利用特殊相的零序电压与负序电压相位关系识别该隐性故障的方法；提出在PT发生两点接地故障时，利用对侧电压负序和零序分量以及本侧负序电压分量，求出本侧不受PT两点接地故障影响的零序电压，仿真有效地证明了上述结论的正确性。

[1] 张晶晶．保护系统的隐性故障相关问题研究[D]．合肥工业大学，2012． Zhang Jingjing．Hidden failures related issues of relay protection system[D]．Hefei university of technology，2012．

[2] Bae K，Thorp JS．A stochastic study of hidden failures in power system protection[J]．Decision Support Systems，1999，24(3-4)：259-268．

[3] Department of ECE，Virginia Tech，Blacksburg，VA24060，United States．Optimum location of master agents in an agent based zone 3 protection scheme designed for robustness against hidden failure induced trips[C]．//IEEE Power and Energy Society General Meeting，2012．

[4] Salim N A，Othman M M，Musirin，et al．An effective approach to determine the sensitive transmission lines due to the effect of hidden failure in a protection system[C]．//Proceedings of the 2013 IEEE 7th International Power Engineering and Optimization Conference，PEOCO 2013，2013：380-385．

[5] Salim N A，Othman M M，Musrin，et al．Identifying severe loading condition during the events of cascading outage considering the effects of protection system hidden failure[C]．//Proceedings of the 2013 IEEE 7th International Power Engineering and Optimization Conference，PEOCO 2013，2013：375-379．

[6] Gilvanejad M，Abyaneh HA，Mazlumi K．Fuse cutout allocation in radial distribution system considering the effect of hidden failures [J]．International Journal of Electrical Power & Energy Systems，2012，42(1)：575-582．[7] Sanchez JA，Rios MA．Vulnerability Assessment of Cascade Contingencies in Power Systems[J]．International Review of Electrical Engineering-IREE，2011，6(4)：1831-1838．

[8] Tan JC，Crossley PA，McLaren PG，et al．Application of a wide area backup protection expert system to prevent cascading outages[J]．IEEE Transactions on Power Delivery，2002，17(2)：375-380．

[9] 赵武智，高昌培，林虎．电压互感器二次回路一点接地检查及查找多个接地点方法[J]．电力自动化设备，2010，30(6)：148-150． Zhao Wuzhi，Gao Changpei，Lin Hu．One-point grounding detection of PT secondary circuit and multi grounding points searching method[J]．Electric Power Automation Equipment，2010，30(6)：148-150．

[10] 刘宝林．电压互感器二次回路接地点查找方法的改进[J]． 南方电网技术，2012，16(1)：94-97． Liu Baolin．Improvement of the method for searching grounding points of voltage transformer’s secondary circuits[J]．Southern Power System Technology，2012，16(1)：94-97．

[11] 陈福锋，魏曜，王帆．不受电压互感器二次回路两点接地影响的零序方向元件[J]．电力系统自动化，2010，34(4)：70-74． Chen Fufeng，Wei Yao，Wang Fan．Zero sequence direction element adapted to two-point-ground fault on secondary circuit of potential transformer[J]．Automation of Electric Power Systems，2010，34(4)：70-74．

[12] 国家电网公司发布十八项电网重大反事故措施(修订版)[J]．华东电力，2012，40(4)：607． The eighteen power grid major anti-accident measures issued by State Grid Corporation of China (revised version)[J]. East China Electric Power, 2012，40(4): 607.

[13] 刘永，陈昊，熊斌． CVT二次侧两点接地的事故分析[J]．高压电器，2012，48(4)：111-114． Liu Yong，Chen Hao，Xiong Bin．Analysis on the two-point earthing faults of CVT secondary side[J]．High Voltage Apparatus，2012，48(4)：111-114．

[14] 石文章，田俊杰，张涛．TV二次回路多点接地造成保护拒动的实例分析[J]．电力学报，2004，19(2)：153-154． Shi Wenzhang，Tian Junjie，Zhang Tao．Instance analysis for the miss operation of the protection device caused by multiple earth in the TV secondary circuit[J]．Journal of Electric Power，2004，19(4)：153-154．

[15] 薛峰．电网继电保护事故处理及案例分析[M]．北京：中国电力出版社，2012． XUE Feng. Power grid relay protection fault treatment and case analysis[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2012.

[16] 郑玉平．TV二次回路异常对线路保护的影响[C]．//第八届全国继电保护学术研讨会论文集．2001：464-471． ZHENG Yuping. Impact of abnormity for secondary circuit of TV on line protection[C]. Proceedings of the Eighth National Symposium on Relay Protection. 2001: 464-471.

[17] 索南加乐，许庆强，李小斌，等．超高压输电线路的发展性故障判别元件[J]．中国电机工程学报，2006，26(4)：93-98． Suonan Jiale，Xu Qingqiang，Li Xiaobin，et al．An evolved fault criterion for UHV transmission line protection relaying[J]．Proceedings of the CSEE，2006，26(4)：93-98．

[18] 索南加乐，谢雯洁，沈黎明,等．解决电压互感器二次侧故障对距离保护影响的新方法[J]．电力系统自动化，2008，32(23)：56-61． Suonan Jiale，Xie Wenjie，Shen Liming，et al．New method for solving potential transformer secondary side fault’s effect on distance protection based on parameter identification[J]．Automation of Electric Power Systems，2008，32(23)：56-61．

(编辑 李世杰)

Hidden failure identification of PT two-point-grounding and precentive actions

JIANG Yunlong

(Maintenance Company of State Grid Tianjin Electric Power Company, Tianjin 300143, China)

Hidden failures in relay protection are potential and lethal for power system. Two-point-grounding in the secondary circuit of voltage transformer is a kind of typical hidden fault, which will cause the self-produced zero sequence voltage in microcomputer protection to be offset and may lead to mis-operation and resist-operation of zero sequence directional protection. Analysis of the effect mechanism of two-point-grounding in the secondary circuit of voltage transformer is made on the pilot protection of zero sequence direction. Online and real-time recognition methods are put forward to find the two-point-grounding in the secondary circuit of voltage transformer fault and a new method is proposed for the new solution to the mis-operation of pilot protection of zero sequence directional. Through a large number of simulation experiments, the correctness of the theoretical analysis is verified.

hidden fault; voltage transformer; secondary circuit; two-point-grounding; zero sequence directional protection

2016-12-05。

姜云龙(1991—)，男，助理工程师，主要从事电力变压器方面的运行与维护工作。

TM451

A

2095-6843(2017)02-0125-07