一起110kV电压互感器二次回路N线断线故障分析

林撒迦

（长园深瑞继保自动化有限公司）

0 引言

变电站二次回路的运行由于受到电缆绝缘老化、环境侵蚀等因素的影响，线缆故障时有发生［1-2］，变压器二次回路断线（PT断线）就是常见故障其中一种，包含相电压断线和中性线（N线）断线。PT断线时，对应的保护装置电压采样会出现异常，导致相关保护逻辑无法正确判断，有可能造成保护误动或者拒动［3-4］，因此必须可靠识别PT断线故障。PT相电压断线时，保护装置采集的断线相电压为零，故障特征明显，现有的判别逻辑比较成熟，一般通过电流启动和零序电压条件进行识别，可以及时识别PT相电压断线故障。而PT中性线断线时，保护装置采集的三相电压受影响不大，主要表现在三相电压波形中三次谐波含量增加。

PT二次回路接线方式中，ABC三相与零序电压的N线通常不共用，但是实际变电站现场也存在共用N线的情况，两种接线方式的等效回路不同，N线断线时保护装置采集的零序电压受影响情况也不同。

本文针对某110kV变电站电压互感器二次回路N线断线导致故障线路零序过流保护据动的事故，首先对PT二次回路ABC三相与零序电压共用N线情况下发生N线断线时，自采零序电压和实际零序电压的方向进行理论分析，并搭建PSCAD仿真模型进行试验验证。

1 故障简述

2023年4月，某110kV电网中变电站A母线发生A相接地故障如图1所示，变电站B中线路保护装置1的距离二段保护动作，而零序方向过流二段保护拒动，而线路保护装置2的零序方向过流二段保护误动。事故发生后，运维人员到达现场进行排查，确认变电站B的110kV电压互感器二次回路发生N线断线，同时ABC三相与零序电压的N线共用。

图1 事故现场系统示意图

通过调取变电站B事故中故障录波器和保护装置的波形进行对比发现，二者三相电压电流波形一致，故障前和故障时母线三相电压均含有大量的三次谐波，这是由于N线断线导致保护装置内部的PT传感器铁心饱和造成的电压波形传变畸变。

进一步计算故障时ABC三相电压自产零序电压和外接零序电压角度见表1，二者方向完全相反。线路保护装置采用自产零序电压和自产零序电流进行零序方向判断，零序过流保护其正方向判据如式（1）所示，φL0为线路零序灵敏角；和分别为自产零序电压和自产零序电流。

表1 线路保护1零序方向

现场线路线路零序灵敏角为75°，由表1可知此时零序方向角度为74°不满足式（1），所以线路保护装置1的零序方向元件误判为反向故障，同理线路保护装置2的零序方向元件误判为正向故障，这与实际一次系统故障的零序方向完全相反。自产零序电压与外接零序电压均有较大的零序基波电压，明显不仅仅是因PT二次负载不平衡导致，并且自产零序电压方向与实际相反，导致零序方向元件误判。

为进一步分析自产零序电压方向错误的现场，本文基于PT二次回路等效回路进行理论计算推导。

2 故障分析

2.1 零序电压计算

经与用户沟通确认，变电站B现场PT二次回路ABC三相电压和零序电压共用N线，从PT二次侧接入到继保装置PT。其等效电路如图2所示，图中为一次PT二次侧的三相电压和开口三角零序电压；为装置PT采集到的三相电压和零序电压；Za、Zb、Zc、Z0分别装置PT各相别的等效负载阻抗。

图2 PT二次回路等效电路图

假设PT二次回路的中性线M、N处发生断开，因为一次PT的一次、二次侧都有效接地，所以PT二次侧的电压的输出并不受影响。根据戴维南电路理论，此时断线处电压的计算如式（2）所示：

外接零序电压和自产零序电压的计算如式（4）所示：

2.2 电压各序分量影响分析

2.2.1 正负序分量影响分析

当电网正常运行或发生不接地故障时，实际电网和PT二次侧的三相电压只存在正负序分量，零序电压为0，代入式（4）中得：

由式（5）可知系统电压对称时，自产零序电压与外接零序电压方向均与断线处电压方向相反，且幅值大小存在3倍的关系。此时为保护装置三相电压等效负载阻抗产生的不平衡电压，幅值较小。

2.2.2 零序分量影响分析

发生不对称接地故障时，实际电网和PT二次侧的三相电压都包含正负零序分量，假设保护装置三相电压等效负载阻抗相等，联立式（3）（4）可得：

由式（6）可知，即系统电压含零序分量时，装置自产零序电压与外接零序电压幅值大小相等，方向相反，且自产零序电压与实际零序电压方向相反；当三相电压和零序电压二次侧负载阻抗相等时，自产零序电压与外接零序电压幅值大小均为实际零序电压幅值的一半。

综上所述，当PT二次回路中ABC三相与零序电压共用N线时发生N线断线故障，系统发生不对称接地故障将导致保护装置自产零序电压与实际故障零序电压方向相反，从而造成零序方向元件误判。

3 仿真分析

为验证PT二次回路中ABC三相与零序电压共用N线时发生N线断线故障对保护装置零序方向元件的影响，基于PSCAD／EMTDC仿真平台，搭建110kV输电线路具体参数见表2。

表2 模型参数

3.1 PT二次回路发生N线断线故障仿真

仿真模拟0.1s时PT二次回路发生N线断线故障，取保护装置1采集的电压分析如图3所示，N先断线前，三相电压为正弦波，自产零序电压和外接零序电压幅值均为0。当发生N线断线时，三相电压发生畸变，并产生零序电压，此时实际系统零序电压为0。基波零序电压的基波有效值中，自产零序电压为0.087V；外接零序电压为0.029V，3次谐波有效值中自产零序电压为38.05V；外接零序电压为12.67V，自产零序电压的幅值均为外接零序电压幅值的3倍，符合2.2.1节分析结论。

图3 N线断线故障仿真结果

3.2 系统发生单相接地不对称故障仿真

仿真模拟在PT二次回路发生N线断线故障下，0.1s时变电站A母线发生AG单相接地短路故障，取保护装置1的电压和电流波形分析如图4所示，自产零序电压和外接零序电压具有较大幅值，其中基波有效值上，实际系统零序电压约为47.84V，自产零序电压约为24.24V，外接零序电压为23.94V，二者均接近实际系统零序电压的一半。

图4 A相接地故障仿真结果

在基波角度上，以零序电流角度为基准，故障后零序电压的角度如图5所示，其中实际系统零序电压角度为－99.78°、自产零序电压角度为70.11°和外接零序电压角度为－96.39°，实际系统零序电压角度和外接零序电压角度基本一致，而自产零序电压角度与实际系统零序电压角度基本相反，与2.2节分析结论一致。此时采用自产零序电压进行零序过流方向判断时，零序方向为正向，有可能造成零序过流方向保护误动。

图5 零序电压角度

4 结束语

PT的中性线断线可能导致保护装置电压采集计算错误，造成零序方向元件判断出错。

本文从一起真实的110kV的PT二次回路N线断线导致故障线路零序过流保护拒动的事故出发。采用对称分量法对PT二次回路ABC三相与零序电压共用N线情况下发生N线断线对零序方向的影响进行分析，推导得出结论：该情况下发生N线断线时，保护装置自产零序电压必然与实际故障零序电压方向相反，造成零序方向元件判断结果错误，进而可能导致零序过流保护不正确动作。