黃少鋒，李 歐，費(fèi) 彬，申洪明

（華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206）

0 引言

電壓互感器（TV）二次回路負(fù)載眾多，電壓互感器斷線的情況較容易發(fā)生。電壓互感器二次電壓正常運(yùn)行是保證距離保護(hù)、功率方向保護(hù)以及含低電壓?jiǎn)?dòng)元件（QDJ）的過(guò)流保護(hù)正確動(dòng)作的前提。因此，需要在發(fā)生電壓互感器斷線時(shí)采取閉鎖措施，防止各種保護(hù)誤動(dòng)[1-6]。

對(duì)電壓互感器斷線閉鎖的要求是：當(dāng)電壓互感器二次回路出現(xiàn)斷線時(shí)，應(yīng)將其檢測(cè)出來(lái)，發(fā)出警告并將相應(yīng)保護(hù)閉鎖；當(dāng)電壓回路正常，被保護(hù)線路發(fā)生短路時(shí)，斷線閉鎖不能誤動(dòng)。

目前常用的斷線閉鎖措施僅利用測(cè)得的電壓幅值大小進(jìn)行識(shí)別，且沒(méi)有考慮被保護(hù)線路發(fā)生故障及電壓互感器斷線的情況[2-10]。啟動(dòng)元件動(dòng)作后，電壓互感器斷線閉鎖方案自動(dòng)退出，這時(shí)若電壓互感器發(fā)生斷線，由于沒(méi)有閉鎖信號(hào)，相關(guān)保護(hù)將會(huì)誤動(dòng)。而現(xiàn)有微機(jī)保護(hù)中，啟動(dòng)元件十分靈敏，啟動(dòng)次數(shù)較多，更加增大了保護(hù)誤動(dòng)的可能性。

針對(duì)上述一系列問(wèn)題，本文分析了現(xiàn)有電壓互感器斷線閉鎖措施的應(yīng)用及不足，提出了一種適用于短路故障后的電壓互感器斷線閉鎖新方法，并允許開口三角繞組第一次的接線極性為任意的。雖然目前的保護(hù)設(shè)備不采用開口三角的電壓，但在智能化電網(wǎng)的時(shí)代，已經(jīng)具備了信息共享的條件[11-12]，因此，應(yīng)當(dāng)充分利用共享的信息（包括開口三角電壓），克服不足，提升保護(hù)的性能。

1 現(xiàn)有電壓互感器斷線閉鎖條件

該判據(jù)主要判斷電壓互感器的一相和兩相斷線。啟動(dòng)元件不啟動(dòng)的條件是為了防止一次系統(tǒng)發(fā)生接地短路時(shí)錯(cuò)誤地將距離保護(hù)閉鎖而采取的反閉鎖措施。本判據(jù)不能反應(yīng)電壓互感器的三相斷線。

無(wú)論電壓互感器是安裝在線路側(cè)還是母線側(cè)，該判據(jù)均可以檢測(cè)電壓互感器的三相斷線。

2 電壓互感器斷線閉鎖新方法

現(xiàn)有研究集中在系統(tǒng)正常運(yùn)行條件下，發(fā)生電壓互感器斷線時(shí)如何準(zhǔn)確識(shí)別。但是，存在這樣的工況：當(dāng)下一級(jí)線路出口發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)該由下一級(jí)Ⅰ段保護(hù)切除，其余保護(hù)返回，若本線路此時(shí)發(fā)生電壓互感器斷線，本線路Ⅱ、Ⅲ段將不能在故障切除后可靠返回，延時(shí)一到則發(fā)出跳閘命令，從而擴(kuò)大了故障范圍。本文主要探討如何在發(fā)生接地故障后檢測(cè)出電壓互感器斷線。

2.1 斷線判據(jù)

系統(tǒng)發(fā)生接地故障，電壓互感器開口三角繞組只有接線正確才能保證保護(hù)正確動(dòng)作。零序電壓若由三相電壓互感器的第三繞組串聯(lián)取得（即開口三角電壓），系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)值為零，此時(shí)，利用工作電壓檢查接線是否正確是較困難的，這也是目前不使用開口三角電壓的主要原因。機(jī)械型保護(hù)常因開口三角繞組極性接錯(cuò)而誤動(dòng)或拒動(dòng)。本文提出的電壓互感器斷線閉鎖判據(jù)允許開口三角繞組第一次的接線極性為任意的。

記自產(chǎn)零序電壓為Uzc=Ua+Ub+Uc=3U0，開口三角繞組引出的電壓記為Ukk。若極性接對(duì)，則Ukk=3U0；若極性接反，則Ukk=-3U0。電壓互感器接線方式如圖1所示。

圖1 電壓互感器接線方式Fig.1 PT connection mode

由此可得：

其中，σ為考慮誤差影響而設(shè)定的較小的門檻值，根據(jù)工程實(shí)際，σ可取3～5 V（二次側(cè)）。電壓互感器極性接對(duì)時(shí)，式（1）成立；電壓互感器極性接錯(cuò)時(shí)，式（2）成立。開口三角的連接只有2種情況，因此電壓互感器斷線閉鎖條件定義為：式（1）、（2）均不成立。

2.2 新方法適用性分析

電壓互感器開口三角繞組任意連接，系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱接地故障時(shí)，Ukk等于3U0或-3U0。電壓互感器二次側(cè)有以下2種可能。

a.電壓互感器正常。Uzc=3U0，開口三角電壓極性接對(duì)時(shí)，式（1）成立，極性接反時(shí)，式（2）成立。

b.電壓互感器斷線。由于斷線相失壓，Uzc≠3U0，式（1）、（2）均不成立。

于是，新判據(jù)的應(yīng)用情況如表1所示。

表1 PT斷線閉鎖新方法適用性Table 1 Applicability of proposed method

注意，針對(duì)情況 b，式（1）、（2）均不成立的判斷需要進(jìn)一步驗(yàn)證。例如，電壓互感器發(fā)生A相斷線且系統(tǒng)BC相接地故障時(shí)，Ukk等于 3U0或-3U0，Uzc=Ub+Uc。此時(shí)是否可能存在Ub+Uc約等于3U0或 -3U0，即式（1）、（2）有一式成立的情況？下文將對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)論述。

2.3 接地故障時(shí)本文方法性能分析

以下用圖2所示的簡(jiǎn)單系統(tǒng)為例進(jìn)行討論。圖中，ZS、ZR分別為送端系統(tǒng)和受端系統(tǒng)阻抗；Zk為線路短路阻抗。

圖2 雙電源系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of dual power-source system

考慮各種故障情形下式（1）、（2）是否成立，具體步驟為：

a.故障分析，計(jì)算系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)保護(hù)安裝處的電流、電壓，從而得到開口三角電壓Ukk；

b.根據(jù)斷線類型計(jì)算自產(chǎn)零序電壓Uzc；

c.不考慮誤差，令Ukk=Uzc和Ukk=-Uzc，分別找出等式成立條件并判斷條件合理性。

單相接地故障的情況，以A相接地故障為例，討論電壓互感器發(fā)生一相、兩相或三相斷線時(shí)，式（1）、式（2）是否成立。對(duì)于微機(jī)保護(hù)裝置，對(duì)應(yīng)斷線相的采樣通道讀數(shù)為0。

由故障分析可得保護(hù)安裝處的三相電壓為：

其中，UkA為故障點(diǎn) A 相電壓；IM1、IM2、IM0分別為流經(jīng)保護(hù)安裝處的各序電流；Ea、Eb、Ec分別為短路點(diǎn)故障前各相電壓；Z1∑、Z2∑、Z0∑分別為短路點(diǎn)正、負(fù)、零序等值阻抗，它們分別包含正、負(fù)、零序系統(tǒng)阻抗ZS1、ZS2、ZS0；Zk1、Zk2、Zk0分別為短路點(diǎn)到保護(hù)安 裝處正、負(fù)、零序阻抗。

電壓互感器二次斷線不影響開口三角電壓，則：

其中，UMa、UMb、UMc為電壓互感器二次側(cè)三相電壓。

a.一相斷線。

若發(fā)生的是電壓互感器a相斷線，則自產(chǎn)零序電壓為：

若 Ukk=Uzc，可得 Zk0=-2Zk1；若 Ukk=-Uzc，則 ZS0=，這2種情況都不會(huì)發(fā)生。

同理可計(jì)算發(fā)生b相、c相斷線時(shí)的情況。

b.兩相斷線。

若發(fā)生的是電壓互感器bc兩相斷線，則此時(shí)自產(chǎn)零序電壓為：

假設(shè)Ukk=Uzc，則需要滿足，其中，該情況不存在；若Ukk=-Uzc，則，參數(shù)滿足這個(gè)條件時(shí)，式（2）成立，從理論計(jì)算上，Zk1=的位置為線路上某一點(diǎn)，實(shí)際由于誤差影響，附近的一個(gè)鄰域區(qū)間都將滿足條件。

同理可計(jì)算電壓互感器ab兩相斷線、ca兩相斷線的情形。

c.三相斷線。

易得此情況下自產(chǎn)零序電壓Uzc為0，由式（4）可得，當(dāng) Z0∑=Zk0時(shí)，開口三角壓 Ukk為 0。Z0∑大小與系統(tǒng)阻抗和短路點(diǎn)位置有關(guān)，因此，當(dāng)系統(tǒng)阻抗與短路位置滿足相關(guān)等式時(shí)，式（1）、（2）均成立。

兩相接地故障情況的分析方法類似。

分析結(jié)果表明，不對(duì)稱接地故障，電壓互感器發(fā)生斷線時(shí)，式（1）、（2）是否滿足的結(jié)果如表2、3 所示，其中，×表示不可能出現(xiàn)這樣的情況；√表示系統(tǒng)參數(shù)滿足一定條件時(shí)，有可能出現(xiàn)此種情況。

表2 單相接地故障時(shí)對(duì)不同斷線情況的識(shí)別結(jié)果Table 2 PT wire-break condition identification for single-phase grounding fault

表3 兩相接地故障時(shí)對(duì)不同斷線情況的識(shí)別結(jié)果Table 3 PT wire-break condition identification for two-phase grounding fault

由于輪換對(duì)稱性，其他情形可以類推。

由此可以看到，此前提出的電壓互感器斷線閉鎖判據(jù)并不完善，在某些故障類型和斷線情形的組合下（本文稱之為盲區(qū)），可能存在式（1）或式（2）成立，沒(méi)有發(fā)出閉鎖信號(hào)，從而引起保護(hù)誤動(dòng)。故2.1節(jié)中的斷線判據(jù)需要進(jìn)一步補(bǔ)充修正。

3 盲區(qū)識(shí)別

為完善保護(hù)措施，需要找出電壓互感器正常與盲區(qū)的區(qū)別。

電壓互感器三相斷線時(shí)，測(cè)得的三相電壓幅值均為0，與系統(tǒng)三相短路的電氣量特征相似。若存在零序電流，則可排除系統(tǒng)三相短路的可能性，如果，識(shí)別為三相斷線。

排除三相斷線后，盲區(qū)的一個(gè)重要特征為：系統(tǒng)發(fā)生接地故障，非故障相發(fā)生電壓互感器二次側(cè)斷線。故測(cè)得的三相電壓很低，可以此為依據(jù)利用測(cè)得三相電壓都低于某一閾值的方法加以識(shí)別。

但對(duì)于長(zhǎng)距離輸電線路而言，當(dāng)線路遠(yuǎn)端發(fā)生接地故障時(shí)，Uzc的值仍比較大，其值將與電壓互感器正常時(shí)近處故障下的值相當(dāng)，僅利用電壓特征難以正確識(shí)別。因此，可以考慮引入電流量進(jìn)行綜合判斷，本文提出了以下2種補(bǔ)充方案。

3.1 引入電壓電流關(guān)聯(lián)性進(jìn)行判斷

排除電壓互感器三相斷線后，電壓互感器正常與盲區(qū)的并集包含3種情況：①電壓互感器發(fā)生兩相斷線，線路非斷線相發(fā)生接地故障；②電壓互感器發(fā)生一相斷線，線路非斷線相發(fā)生兩相接地故障；③電壓互感器正常，線路發(fā)生不對(duì)稱接地故障。

系統(tǒng)實(shí)際工作中，斷線相殘壓不會(huì)高于故障相殘壓[12]。正常情況下，線路某相發(fā)生接地故障時(shí)，保護(hù)安裝處測(cè)得的故障相電流升高，而故障相電壓相應(yīng)降低。在此，稱這種現(xiàn)象為電壓電流關(guān)聯(lián)性。電壓互感器發(fā)生斷線，線路發(fā)生接地故障時(shí)，這種關(guān)聯(lián)性就會(huì)被破壞。上述的3種情況對(duì)應(yīng)的電壓電流關(guān)系為：①φ（Umax）=φ（Imax），這里φ（）指取相，如，則φ（Umax）=A；②φ（Umin）=φ（Imin）；③φ（Umin）=φ（Imax）或φ（Umax）=φ（Imin）。具體類別如表4所示。

位于盲區(qū)時(shí)，有φ（Umax）=φ（Imax）或φ（Umin）=φ（Imax）成立；電壓互感器正常時(shí)則不成立。

表4 電壓互感器正常與電壓互感器斷線時(shí)的電壓關(guān)系和電流關(guān)系Table 4 Relationship between voltages and between currents for PT with and without wire-break

該方案利用電壓電流的關(guān)聯(lián)性在大多數(shù)情況下能夠有效識(shí)別電壓互感器正常與盲區(qū)，但當(dāng)母線出口發(fā)生故障時(shí)，斷線相與故障相電壓都接近0，難以選出Umax或Umin具體是哪一項(xiàng)，從而難以判斷電壓電流關(guān)聯(lián)性。

3.2 借助選相元件綜合判斷

由于單相重合閘的要求，現(xiàn)有微機(jī)保護(hù)都裝設(shè)有選相元件。電壓互感器斷線時(shí)，盲區(qū)的一個(gè)重要特點(diǎn)為：非故障相電壓很低?？梢酝ㄟ^(guò)選相元件選出故障相，比較非故障相電壓進(jìn)行識(shí)別。其保護(hù)流程圖如圖3所示。

圖3 結(jié)合選相元件的電壓互感器斷線閉鎖方案Fig.3 PT wire-break blocking scheme combined with phase selecting element

對(duì)于線路上任意位置發(fā)生故障，盲區(qū)時(shí)，非故障相為斷線相，測(cè)得電壓接近0，取USET為10%額定電壓。電壓互感器正常時(shí)，保護(hù)安裝處非故障相電壓下降很少。

目前國(guó)內(nèi)數(shù)字式高壓線路保護(hù)裝置中主要采用快速保護(hù)+穩(wěn)態(tài)保護(hù)的配置方案。穩(wěn)態(tài)保護(hù)主要利用序分量與阻抗元件結(jié)合進(jìn)行選相[13]，而本文研究電壓互感器斷線后的選相，阻抗元件難以工作，該方法顯然不能適用。鑒于此，可以選擇利用電流突變量選相暫態(tài)方法[14-16]，電流特征量在電壓互感器斷線后不受影響，與電壓互感器斷線閉鎖方案配合具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

3.3 仿真驗(yàn)證

將圖2中500 kV系統(tǒng)在PSCAD中建立模型進(jìn)行仿真，送電端系數(shù)參數(shù)，ZS1=j23 Ω，ZS0=j40 Ω；受電端系統(tǒng)參數(shù)，ZR1=j56 Ω，ZR0=j115 Ω；兩側(cè)電勢(shì)功角為30°。輸電線路參數(shù)：線路長(zhǎng)度為200 km，正、負(fù)序阻抗 ZL1=ZL2=0.018 39+j0.263 9 Ω／km，零序阻抗ZL0=0.1413+j0.602 7 Ω／km。

圖4為輸電線路上不同地點(diǎn)發(fā)生接地故障，同時(shí)電壓互感器發(fā)生bc兩相斷線時(shí)Uzc、Ukk的幅值、相角特性圖。

圖4 系統(tǒng)A相接地故障且電壓互感器bc相斷線時(shí)，Uzc、Ukk的幅值、相角特性Fig.4 Phase and amplitude characteristics of Uzc and Ukkwhen phase-b and phase-c have PT wire-break during phase-A grounding fault

從圖4可看出，隨故障距離改變，Uzc、Ukk相角波動(dòng)很小，開口三角極性接對(duì)時(shí)，二者差值約為180°，可近似認(rèn)為Uzc、Ukk反向；開口三角極性接反時(shí)，二者差值很小，可近似認(rèn)為Uzc、Ukk同向。當(dāng)故障距離較小和較大時(shí)，Uzc、Ukk幅值差異較大，結(jié)合相角特點(diǎn)，無(wú)論極性正反，式（1）、（2）均不成立，可以直接發(fā)出閉鎖信號(hào)。

而當(dāng)故障距離在100 km左右時(shí)，Uzc、Ukk幅值差異較小，開口三角極性接對(duì)時(shí)，式（2）成立；開口三角極性接反時(shí)，式（1）成立。則無(wú)論極性正反，式（1）、（2）中有一式成立，由圖3流程圖可知，此時(shí)并不識(shí)別為電壓互感器正常，通過(guò)選相元件得出存在A相接地，由于電壓互感器的bc兩相斷線失壓，UMb＜USET或UMc＜USET成立，可識(shí)別出發(fā)生了電壓互感器斷線。

因此，與選相元件有效配合后，此方案在各種情況下能正確識(shí)別電壓互感器正常和盲區(qū)。

4 接地故障后電壓互感器斷線閉鎖方法簡(jiǎn)化

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生任一次接地故障后，若事后確認(rèn)沒(méi)有發(fā)生電壓互感器斷線，查閱微機(jī)保護(hù)故障報(bào)告，可做以下判斷：若式（1）成立，開口三角繞組極性接對(duì)；若式（2）成立，開口三角繞組極性接反。考慮在微機(jī)保護(hù)內(nèi)存中設(shè)定“確認(rèn)位”QR與“極性位”JX以確定開口三角繞組的極性。具體實(shí)施步驟如下：

a.QR、JX的初始值均設(shè)為0；

b.調(diào)用系統(tǒng)發(fā)生任一次接地故障（電壓互感器未斷線）的故障報(bào)告；

c.根據(jù)故障報(bào)告記錄信息，若式（1）成立，JX保持，仍為0，若式（2）成立則JX跳變?yōu)?；

d.JX設(shè)置完畢后，發(fā)送確認(rèn)信息給QR，QR跳變?yōu)?。

引入極性確認(rèn)的電壓互感器斷線閉鎖判斷流程如圖5所示。

圖5 引入極性確認(rèn)的電壓互感器斷線閉鎖方案Fig.5 PT wire-break blocking scheme with polarity confirmation

由圖5知，確認(rèn)開口三角繞組極性后QR為1。若JX為0，則開口三角繞組極性正確，利用式（1）即可判斷電壓互感器是否發(fā)生斷線。同理，若JX為1，開口三角繞組極性接反，利用式（2）便能確認(rèn)電壓互感器是否斷線。因此，引入“確認(rèn)位”QR與“極性位”JX后，無(wú)需工作人員到現(xiàn)場(chǎng)糾正開口三角繞組極性，可通過(guò)簡(jiǎn)單判據(jù)識(shí)別電壓互感器斷線，不必為盲區(qū)的識(shí)別進(jìn)行繁瑣處理，在一定程度上可以大幅簡(jiǎn)化電壓互感器斷線閉鎖方案，尤其適用于可能出現(xiàn)多次接地故障的系統(tǒng)。

5 結(jié)論

a.本文在總結(jié)了目前電壓互感器斷線的研究方法和成果的基礎(chǔ)上，提出如何在發(fā)生故障時(shí)檢測(cè)電壓互感器斷線的問(wèn)題，并針對(duì)此問(wèn)題提出了引入任意連接的開口三角電壓與自產(chǎn)零序電壓比較的方法。

b.經(jīng)分析可知，新的閉鎖方法的適用范圍存在盲區(qū)。因此又提出了2種方案來(lái)彌補(bǔ)判據(jù)的不足：第1種方案引入電壓電流關(guān)聯(lián)性，電壓互感器斷線與正常時(shí)特征差異明顯，但出口故障時(shí)判斷困難；第2種方案借助選相元件，能在較大范圍內(nèi)適應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

c.通過(guò)引入“確認(rèn)位”QR與“極性位”JX的概念，在系統(tǒng)發(fā)生任一次接地故障且電壓互感器未斷線時(shí)，確認(rèn)開口繞組極性，僅利用自產(chǎn)零序電壓Uzc與開口三角電壓Ukk的單一等式關(guān)系即可判斷是否發(fā)生電壓互感器斷線，大幅簡(jiǎn)化了電壓互感器斷線閉鎖方案。

d.本文提出的閉鎖方案適用于短路故障后的電壓互感器斷線識(shí)別，現(xiàn)有保護(hù)裝置內(nèi)置的傳統(tǒng)電壓互感器斷線閉鎖方案針對(duì)于系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的電壓互感器斷線識(shí)別，兩者互不干擾。僅在啟動(dòng)元件動(dòng)作后投入所提出的電壓互感器斷線閉鎖方案，既可以實(shí)現(xiàn)故障后的電壓互感器斷線識(shí)別，又不會(huì)對(duì)現(xiàn)有保護(hù)造成負(fù)面影響。另外，文中所涉及的故障只限于不對(duì)稱接地故障，對(duì)于相間故障時(shí)電壓互感器斷線的檢測(cè)，將會(huì)在下一步工作中進(jìn)行深入分析。