二次交流回路异常对线路保护的影响及优化措施

赵志宏 伍叶凯 张月品 杜兆强 熊 军

二次交流回路异常对线路保护的影响及优化措施

赵志宏 伍叶凯 张月品 杜兆强 熊 军

（北京四方继保自动化股份有限公司，北京 100085）

总结目前常规采样线路保护识别二次交流回路异常的难点，主要包括负荷很小时的CT断线、电流相序错误、IN断线、UN多点接地、IN多点接地、保护启动后发生PT断线及线路单相接地故障时非故障相出现尖波电流等，结合现场实际故障分析对保护的不利影响。在不能及时判别出二次交流回路异常的情况下，需要通过优化保护逻辑等措施，降低异常发生的概率及对保护的影响。其中，对于非故障相出现的尖波电流可能导致分相电流差动保护误动的情况，提出分相电流差动保护经两侧故障电流闭锁的优化措施，该措施已在现场应用，取得了良好的效果。

线路保护；二次零序电流回路断线；CT断线；尖波电流；分相电流差动保护

0 引言

二次交流回路能否正确运行，直接影响继电保护的性能。《国家电网有限公司十八项电网重大反事故措施》明确了对二次交流回路应注意的问题，但二次交流回路异常导致线路保护不正确动作的情况仍时有发生。如何实现对二次交流回路异常的有效判别，并降低异常的发生及其对保护的不利影响，一直是继电保护研究的课题。

最近一次判别二次交流回路异常的重要突破是在2004年，相关人员发现二次电压中线UN断线的典型特征是电压回路中出现三次谐波，提出三次谐波过量告警判据，能够及时判别UN断线[1]，并已得到广泛应用。

目前，对于负荷较小时的二次电流互感器（current transformer, CT）断线、电流相序错误、零序电流回路IN断线、UN多点接地、IN多点接地、保护启动后发生的电压互感器（potential transformer, PT）断线、非故障相出现尖波电流等异常情况，线路保护还没有可靠的识别判据，往往在事故发生后通过人工分析才能查出异常。

在目前异常判别技术还需完善的情况下，需要降低二次交流回路异常发生的概率及其对保护的影响，防止保护不正确动作。

文献[2-9]分析二次交流回路出现异常时导致线路保护不正确动作的原因，提出严格执行反措、加强对二次回路接线的定期检查、强化现场作业安全措施、提高检修人员安全防范意识及改进二次回路接线等防范措施。文献[10]提出使用在线监测装置监测UN多点接地情况。线路保护装置正确接入外接零序电压回路有一定难度[11]，相关规范不再要求线路保护接入外接零序电压回路，因此PT断线后零序保护失去了方向，失去了选择性，但是简化了接线、大幅减少了误接线情况的发生。这些措施均有利于提高运维水平。

文献[12]研究利用变电站冗余信息构建站域保护系统，当PT、CT断线时主保护拒动时，仍可快速切除故障元件，但该方案目前还未推广使用。

文献[13]分析单相接地故障时非故障相出现尖波电流的机理，故障相的非周期分量在IN回路的电阻上形成的非周期电压，叠加到非故障相CT二次绕组，若IN电阻达到一定数值，非周期电压形成的、在整个衰减时间内逐渐累加的磁链超过CT励磁电压拐点值，就会产生一个突然变大的励磁电流，非故障相CT励磁电流的增加又导致CT励磁阻抗下降，最终形成尖波电流。

本文分析二次交流回路异常判别难点存在的原因，以及对保护元件的影响，提出分相差动保护经两侧故障电流闭锁的辅助判据，可解决非故障相出现尖波电流导致差动保护误动的问题，同时仍能保证各种故障发生时分相电流差动保护原有基本判据的正确性。

1 判别二次交流回路异常的难点分析

目前线路保护装置识别二次交流回路异常的判据主要有：PT断线、CT断线、长期有差流、电流不平衡、外接3I0接反、三相相序不对应、中性线UN断线、同期电压异常等[14]。这些判据可以检测出绝大多数二次交流回路异常情况，但对于异常特征不明显的情况或线路故障时才呈现出的异常特征，线路保护装置则很难判断。

1.1 判别二次交流电压回路异常的难点

正常运行时，三相电压约为57.7V，检同期电压约为100V或57.7V，相电压数值较大，且没有零序电压。若相电压偏离正常值较大或出现一定的零序电压，则为异常。这些因素有利于保护装置对电压异常情况的判别。

二次交流电压的特殊情况是，系统故障也可能会有相电压变化或出现零序电压。若保护启动后才有相电压变化或出现零序电压，则很难区分是故障还是异常，保护目前只能在不启动时判别电压异常情况。因此，对于保护启动后发生的PT断线、UN多点接地等情况，目前仍是异常判断的难点。

1.2 判别二次交流电流回路异常的难点

保护装置判有电流的门槛值一般为0.05n～0.1n，n为二次额定电流。负荷电流小于有电流门槛值时，对于CT断线、电流相序不对应等情况的异常判别存在难点。对于电流相序不对应的判别，除了判别相序接线不正确外，还包括检测二次回路两相或三相电流错误短接变成并联后导致的电流 失真。

正常运行过程中，三相电流平衡，没有零序电流，即使二次零序电流回路IN断线，保护装置也不能判别出该异常情况。同样，正常运行过程中，IN多点接地、IN未接地及IN回路阻抗大等异常情况下，三相电流仍保持平衡，保护装置不能判别出上述异常情况。

2 未判别出二次交流回路异常对保护的影响

结合现场发生的事故案例，分析线路保护装置在没有识别出二次交流回路的异常情况时，对保护正确动作的影响。

2.1 负荷较小时的CT断线对保护的影响

某220kV线路发生区外AN故障，两侧分相电流保护误动，跳A相。事后查明，有一侧保护装置的交流插件未插紧，A相电流端子未将交流插座的联片顶开，导致A相电流被旁路，流入装置的A相电流很小。保护的故障录波如图1所示，显示了故障期间在1时刻的A、B、C相电流及外接零序电流的有效值。

该线路因运行时负荷较小，二次电流不到0.03A，零序电流未满足CT断线告警判别条件，也未满足长期有差流的告警条件。

图1 保护装置A相断线时发生区外AN故障的录波

2.2 负荷较小时的电流回路错误短接对保护的影响

某500kV线路发生区外BN故障，两侧电流差动保护误动，跳A相。事后查明，M侧线路保护屏，施工人员在制作端子排金属连片时，未将边缘裁剪成45°斜角，且遗留了金属毛刺，导致接入保护的A、B相电流在屏端子排上短接，造成保护装置的A相和B相电流相位基本相同。该线路因运行中负荷电流较小，未满足电流相序不对应告警条件。线路区外BN故障时，MN两侧保护录波如图2所示。

图2 M侧A、B相电流回路短接时的两侧保护录波

两侧CT电流比均为2 500/1。1为故障开始时刻，相电流实际约0.04A，2为故障期间，与N侧相比，M侧非故障相的A相电流增大、故障相B相的电流减小，N侧A相电流变化较小，A相满足分相电流差动保护动作条件，而B相因为制动电流较大，没有动作。

对于该接线情况，若区内发生AN或BN故障，保护会误跳三相。

2.3 二次零序电流回路断线对保护的影响

某500kV线路发生区内BN故障，但A相和B相均满足分相电流差动保护动作条件，两侧保护三跳。截取MN两侧线路保护动作时现场打印的录波报告如图3所示，M、N侧的CT电流比分别为3 000/1、4 000/1。事后查明，M侧线路保护的零序电流回路IN出现断线的情况，导致B相接地故障时，没有出现外接零序电流，而A相电流增大到1.28A；N侧有正常的外接零序电流，A相电流为0.03A，因此，A相满足电流差动保护动作条件。

图3 M侧IN断线时两侧保护打印的录波报告

此外，现场还出现过某220kV线路区外发生C相故障时，两侧电流差动保护A相误动的情况，也是由于线路一侧保护装置的零序电流回路断线所致。

零序电流回路断线不会烧毁设备，但断线侧相电流及零序电流不正常，会影响保护的正确动作。

2.4 保护启动后发生PT断线对保护的影响

某220kV线路，负荷变化时保护启动，0.6s后PT三相失电压，后备相间距离保护动作，保护录波如图4所示。1为负荷变化20ms后时刻，2为保护动作时刻。事后查明，由于直流控制母线一段整体失电导致电压切换返回，引起了三相失电压。

图4 保护启动后PT断线录波

保护启动之后出现了三相失电压，若负荷电流大于精工电流0.1n，测量阻抗基本为0，保护选相为三相短路故障，对于相间距离Ⅲ段保护，在三相短路时的阻抗动作特性包含原点，会满足动作条件。

2.5 UN多点接地对保护的影响

某220kV线路发生区外BN故障，两侧纵联零序保护动作，跳B相。事后查明，M侧在网控室和主控室存在UN两点接地的情况，图5为UN两点接地时线路发生区外BN故障的电压相量图。

图5 UN两点接地时发生区外BN故障的电压相量图

UN两点或多点接地，保护在发生接地故障后才能测量到零序电压。发生接地故障期间，相电压和零序电压的大小及方向均不正确，可能导致纵联距离保护、纵联零序保护、后备距离保护和带方向的零序电流保护出现不正确动作。

2.6 IN多点接地对保护的影响

某330kV线路保护柜B处的电缆绝缘层破裂后缆芯与屏门搭接，导致“B”处接地，存在IN两点接地情况。IN两点接地时发生AN区内故障的示意图如图6所示。发生区内A相接地故障时，保护外接零序电流经过图6中的虚线分流了75%，零序电流Ⅰ段和接地距离Ⅰ段保护未能动作。

图6 IN两点接地时发生AN区内故障的示意图

IN两点或多点接地，发生接地故障时常见的情况是，保护采集到的外接零序电流值会减小。对于零序差动保护，一般采用自产零序电流，因此不受影响；若采用外接零序电流值判别大小，将影响纵联零序保护、零序电流保护及单相接地故障时的纵联距离保护、后备距离保护的正确动作。

2.7 非故障相出现尖波电流对保护的影响

图7为某220kV线路发生区外AN故障时两侧分相电流差动保护误动的保护录波，显示了在故障1时刻的各相二次电流有效值。两侧CT电流比均为2 000/5。M侧保护录波中，1时刻，A相故障电流达到33.4A，有非周期分量，本侧非故障相C相出现6.6A的尖波电流。因N侧C相电流较小，会出现C相差动电流。若只采用式（1）的基本判据，非故障相C相的分相电流差动保护会发生误动。

图7 区外AN故障时非故障相出现尖波电流的录波

在使用纵联电流差动保护之前，非故障相出现尖波电流的异常情况并没有得到关注，也间接证明了该异常因持续时间短，对距离、零序等保护元件影响很小。在纵联电流差动保护推广使用后，该异常导致分相差动保护误动的情况开始不断出现，但直到产生尖波电流的机理被厘清之后，才能对保护装置提出针对性的优化措施。

单相接地故障时，非故障相出现的尖波电流的主要特点是：①故障相电流大，有非周期分量；②在非故障相中出现的尖波电流相对较小，偏向一侧，与故障相电流波峰反向；③尖波电流的脉宽短，在5ms左右；④初次故障和重合后故障均可能出现；⑤出现一次或连续几次波头，幅值逐渐减小。

非故障相出现的尖波电流与雷击导致的尖波电流特征不同。雷击导致的尖波电流在线路两侧保护中同时出现，为短暂的故障电流，脉宽一般在2.5ms左右[15]。

尖波电流的出现与二次电流回路电阻过大有关。主要包括二次负载电阻b、电流互感器绕组电阻ct[16]和二次电流回路电缆电阻d，其中b和ct为固定值。

式中：x为在饱和点的二次感应电压；n为电流互感器二次与一次绕组圈数之比；1sc为一次对称电流有效值。

3 降低二次交流回路异常影响的优化措施

输电线路的保护十分重要[17]，在目前还不能有效判别出二次交流回路异常的情况下，研究降低异常的发生、对保护的影响及减少保护不正确动作的优化方案尤为重要。

PT和CT异常除了来自二次回路，也可能来自保护柜内接线、保护装置的背板或交流插件等环节。因此，需要采用新工艺[18]等措施不断提高产品质量，在现场需要提高运维水平，同时不断完善异常判据、优化逻辑判据，尽量减少交流异常的发生及影响。

3.1 线路保护装置的部分优化措施

纵联电流差动保护主要使用交流电流量进行计算，在投入电容电流补偿、弱馈启动等情况下才用到交流电压。投入电容电流补偿时，若发生PT断线，差动保护采用适当提高差动门槛的措施弥补电容电流的计算误差；PT断线时按低电压处理，仍可以实现差流+低电压的弱馈启动。

CT断线时电压不发生变化，因此对于一相或两相CT断线，出现零序电流的同时出现一定的零序电压的情况，保护判断不是CT断线。可以防止高阻接地故障时，在零序电流缓慢增大的过程中误判为CT断线。

3.2 在线监测装置的优化措施

目前在线监测装置已在现场应用[19]。在线监测装置采集双重化保护的三相电压、三相电流及零序电流，在线路运行中，实时对比两套保护之间的同名相电压及同名相电流的差值，达到阈值时发出告警信息[20]。特别是区外故障时，电流、电压会根据故障情况发生变化[21]，通过同名相之间的对比检查，可以进一步提高二次交流回路的异常检测能力。

3.3 差动保护经两侧故障电流闭锁的优化措施

线路保护装置及在线监测装置的优化措施在实际应用中取得了较好的效果，但仍有异常情况需要不断研究。

经统计发现，单相接地故障时非故障相出现尖波电流的异常情况，大都出现在保护室距离开关场较远，且二次额定电流为5A的场合。其典型特征为，故障相二次电流较大，伴随非周期分量，且IN回路电阻过大。

由式（4）可知，在相同额定输出容量的情况下，若采用二次额定电流n为1A的电流互感器，接入同样的二次负载阻抗L，二次负载值L减小至1/25，因此可以满足二次电流回路的较长传输距离。

但运行站一般不会改变二次额定电流值。

为解决二次各相电流互串现象，文献[22]提供了一种二次电流回路按三相六线制接线的解决办法，从根本上避免了尖波电流问题。与传统三相四线制的设计方式相比，此方法需要增加二次回路的电缆，而且不适合使用外接零序电流的线路保护装置。

本文提出在式（1）为基本判据的基础上增加辅助判据的优化措施，分相电流差动保护经两侧故障电流闭锁的辅助判据如式（5）和式（6）所示，若A相、B相或C相的分相差动电流小于倍的两侧电流绝对值之和的最大电流值时，闭锁相应相别的分相电流差动保护。

经过仿真试验，分相电流差动保护经两侧故障电流闭锁的优化措施，虽然不能判别出IN回路电阻过大，但能够实现以下功能：

1）辅助判据采用跨相别比较方法，用故障相的制动电流和非故障相差动电流进行交叉比较，可以解决非故障相出现尖波电流时导致基本判据误动的问题。

2）辅助判据中取0.1～0.3倍的差动制动系数，而基本判据采用0.6倍的差动制动系数，可以避免误闭锁故障相差动保护。

3）通过增加判据改进算法，在不改变二次电流回路接线方式的情况下提高了线路保护动作的可靠性，易于工程实施。

4 经两侧故障电流闭锁方法在现场的应用

在现场最近发生的一起220kV线路区内B相接地故障中，保护录波如图8所示。在线路二次故障电流较大的M侧，C相出现尖波电流，在1时刻达到11.3A。经现场试验，二次交流电流回路IN的电阻值为1.2W。

图8 区内BN故障时非故障相出现尖波电流的录波

主一保护未采取针对非故障相单侧出现尖波电流的优化措施，未能躲过C相尖波电流的影响，保护三跳未重合；新投运的主二保护已采用本文提出的分相差动保护经两侧故障电流闭锁的优化措施，正确跳B相，证明了该优化措施的可行性。

5 结论

负荷较小时的二次CT断线、电流相序错误、二次零序电流回路IN断线、保护启动后发生的PT断线、UN多点接地、IN多点接地及非故障相出现尖波电流等问题，线路保护在现有的技术条件下还不能有效识别，影响了保护的正确动作。

对于二次交流回路异常判别的难点，需要通过提高产品质量、提高运维水平、优化逻辑判据等措施，减少异常的发生，降低对保护的影响，提高保护正确动作的能力。使用在线监测装置，可以进一步增强对二次交流回路异常的检测性能，提高运维水平。

本文所提分相电流差动保护经两侧故障电流闭锁的优化措施已在现场应用，可以解决非故障相出现尖波电流时分相电流差动保护可能误动的问题，同时能够保证区内外故障时差动保护正确动作。

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Impact of secondary AC circuit anomaly on line protection and optimum measures

ZHAO Zhihong WU Yekai ZHANG Yuepin DU Zhaoqiang XIONG Jun

(Beijing Sifang Automation Co., Ltd, Beijing 100085)

The difficulties in identifying secondary AC circuit anomalies with conventional sampling line protection are summarized, including CT break with very low load, phase sequence error of current, IN break, UN multi-point grounding, IN multi-point grounding, PT break after protection start-up and spike current in non-fault phase when line single-phase grounding fault occurs, etc. The adverse effects on protection are analyzed in combination with actual faults. In case the anomaly of secondary AC circuit can not be identified in time, measures such as optimizing protection logic are needed to reduce the probability of abnormal occurrence and its impact on protection. In the case that spike current in non-fault phase may lead to incorrect operation of phase-split current differential protection, an optimum measure for phase-split current differential protection locked by fault current on both sides is put forward, which has been applied in the field and achieved good results.

line protection; secondary zero-sequence current circuit disconnection; CT discon- nection; spike current; phase-split current differential protection

2022-04-12

2022-05-12

赵志宏（1967—），男，黑龙江省虎林市人，高级工程师，主要从事继电保护的研发工作。