基于分流法的继电保护交流采样回路多点接地监测系统

基于分流法的继电保护交流采样回路多点接地监测系统

明经亮1张斌2会燕3周灏4

国网重庆市电力公司超高压分公司 重庆市九龙坡区 400000

摘要：近年，电网交流采样回路发生多点接地故障，导致电力系统继电保护装置采样回路采样不正确，进而引起保护装置误动的情况频繁发生，严重威胁电网稳定安全运行。本文针对交流采样回路多点接地对继电保护装置安全运行的影响，根据回路接地线电流值的变化特征提出了基于分流法的多点接地故障检测方法；通过采样回路多点接地故障实例试验，对采集结果进行分析验证了分流法检测故障的正确性；最后设计了微型电流采集装置，用于采集接地线电流，进而建立了交流采样回路多点接地监测系统，实现了采样回路多点接地故障实时监控。

关键词：交流采样回路；分流法；接地线；多点接地；监测系统

0 引言

随着电网结构的复杂化，电力系统对继电保护装置的精确性要求越来越高，进而对保护装置的交流采样回路的性能要求更加严格。交流采样回路分为电流（CT）采样回路和电压（PT）采样回路，近年来，相继发生过若干起因交流采样回路多点接地故障导致保护装置电流采样不正确，引起的继电保护装置误动作故障[1-3],这些故障均是出于对人身和设备安全的考虑，为了保证继电保护和安全自动装置采样的正确性,《电力系统继电保护及安全自动装置反事故措施要点》提到：电流互感器及电压互感器的二次回路必须分别有且只能有一点接地[4]。但是对于新投变电站，由于设计和接线错误，对于老旧变电站，由于大修改造工作、电缆绝缘降低、接线错误等原因，交流采样回路多点接地故障仍频繁发生，严重威胁电网安全运行。目前大量文献探讨了对电压互感器二次回路多点接地的危害和查找方法[5-7]。也有部分学者研究了电流互感器二次回路多点接地的检查方案[8]，本文研发的基于分流法的交流采样回路监测系统可同时监测电压互感器和电流互感器采样回路的多点接地情况，且便于安装，适用性能强。

1 分流法

1.1变电站交流采样回路

变电站交流采样回路包括PT电压回路（图1）和CT电流回路（图2），当PT和CT采样回路正常运行时，回路有且仅有一点接地，回路对地无有效电气回路，不会影响保护安全运行，同时对电网的安全不会带来威胁。通过继电保护案例事故分析，采样回路多点接地故障主要有两种情况，一种是中性线两点接地，另一种是相线一点接地故障。本节主要分析发生这两种接地故障时，对采样回路造成的影响。

当采样回路发生多点接地故障时，采样回路除了负载电气回路外，由于地电势差原因，还存在大地电气回路，大地回路的分流作用，使采样回路的电流与电压采样结果发生变化，可能引起保护误动或拒动[6]。本文针对大地回路的分流作用，采用分流法分析多点接地时接地线电流值的变化特征，对多点接地故障进行研究。

图1 PT电压回路示意图

图2 CT电流回路示意图

1.2  PT采样回路多点接地故障分析

1.2.1  PT 采样回路中性线一点接地等值电路

      a 等值电路图                               b 等效图

图3 一点接地等值电路

当 PT 采样回路中性线一点接地时，PT采样回路仅有电压源单独作用，等值电路模型如图3所示。其中U1、U2、U3分别为A、B、C相电压源，Z0为电压源内阻，Z1、Z2、Z3、Zn分别为A、B、C、N相负载阻抗，均远大于Z0，在计算电流时可以忽略（后续计算皆忽略）。由图可知三相电压大小相等，相位相差120°，等效电路中,U= U1+U2+U3=0,可得I0 =In=0。分析其电路特征量Id。

Id = In - I0=0   （1）

1.2.2  PT 采样回路中性线两点接地故障分析

a 电路                                  b 等效电路

图4 PT 采样回路中性线两点接地等值电路

PT 二次回路中性线发生两点接地时，由于两个接地点间存在电势差Ud，其等值电路如图 3 所示。根据电路叠加定理，得出其等效电路，其中Id1和Id2分别为等效电路中接地线电流，Id= Id1+Id2，与1.2.1分析同理，Id1=0。

     （2）

可知，Id大小与两个接地点之间的地电势差和两个接地点之间的N相阻抗相关，两接地点间的电势差越大，阻抗越小，接地电流越大。

1.2.3 PT采样回路相线一点接地故障分析

a 电路                                  b 等效电路

图5 PT 采样回路相线一点接地等值电路

PT 二次回路相线发生一点接地时，由于两个接地点间存在电势差Ud，其等值电路如图 5 所示。为简化计算，等效电路中直接忽略N相二次负载阻抗Zn，其中Id1和Id2分别为等效电路中接地线电流，Id= Id1+Id2，得：

                    （3）

             （4）

    （5）

可知，Id1大小接近正常运行时的接地相相电流，Id大小与接地相相电流和两个接地点之间的地电势差有关，主要由接地相相电流决定，大小甚至可大于接地相相电流，同时可知发生相线一点接地后接地电流通常大于中性线两点接地电流。

1.3 CT采样回路接地故障分析

1.3.1  CT 采样回路中性线一点接地等值电路

a 电路                              b 等效电路

图6 CT 采样回路中性线一点接地等值电路

当 CT 二次回路中性线一点接地时，CT二次回路仅有电流源单独作用，等值电路模型如图6所示［9］。其中I1、I2、I3分别为A、B、C相电流，Z0为电流源内阻，Z1、Z2、Z3、Zn分别为A、B、C、N相负载阻抗，均远小于Z0，因此可知 I1、I2、I3三相电流大小相等，相位相差120°，等效电路中,I= I1+I2+I3=0,可得I0 =In= 0。分析其电路特征量Id。

Id = In - I0=0 （6）

可知，一点接地时的正常情况接地线电流为0。

1.3.2  CT 采样回路中性线两点接地故障分析

a 电路                                  b 等效电路

图7 CT 采样回路中性线两点接地等值电路

PT 二次回路中性线发生两点接地时，由于两个接地点间存在电势差 Ud，其等值电路如图 7 所示。根据电路叠加定理，得出其等效电路，其中Id1和Id2分别为等效电路中接地线电流，Id= Id1+Id2，与1.2.2分析同理，Id1= I0 =0。

       （7）

可知，Id大小与两个接地点之间的地电势差和两个接地点之间的N相阻抗相关。

1.3.3 CT 采样回路相线一点接地故障分析

a 电路                                  b 等效电路

图8 PT 采样回路相线一点接地等值电路

CT 采样回路相线发生一点接地时，其等值电路如图 8 所示。为简化计算，等效电路中直接忽略N相二次负载阻抗Zn，其中Id1和Id2分别为等效电路中接地线电流，Id= Id1+Id2，Id1=-I3，为C相相电流。

                 （8）

   （9）

可知，Id大小与接地相相电流和两个接地点之间的地电势差有关，大小甚至可大于接地相相电流，同时可知发生相线一点接地后接地电流通常大于中性线两点接地电流。与公式（5）比较，可知相线一点接地时，CT回路接地电流主要由负载电流大小决定，PT回路接地电流主要由二次额定电压与内阻Z0决定。

2 交流采样回路多点接地试验

为了验证分流法的可靠性，本文对A~G 5个变电站共10条线路模拟（其中A站为未投运站）交流采样回路（包括PT和CT）多点接地故障试验，用高精度钳形表对接地线电流进行测量，进而对正常情况和接地故障的测量数据进行分析比较。由于线路运行时，模拟交流采样回路多点接地故障会对保护装置采样造成影响，引起保护误动或者拒动，本文在线路或者PT停电情况下，用继电保护测试仪装置在CT（PT）端子箱处对CT（PT）二次回路加入模拟量，模拟线路正常运行情况，PT加量为三相正序电压，大小为二次额定电压值57.735V，CT加量为三相正序电流，奇数线路加量大小为50mA，偶数线路加量大小为100mA，如表1所示。

 表1 500kV 变电站采样回路多点接地试验模拟量

由于PT采样回路一点接地点在保护室内，本文选择在开关场模拟 PT 接地故障，测量结果如表2所示。根据数据可知，当发生中性线两点接地故障时，未投运站A站电流变化很小，原因是其接地网地电势差Ud几乎为0，其余站接地电流均发生较大变化；当发生相线一点接地故障时，所有变电站接地电流均发生较大变化；通过故障试验分析可知，无多点接地故障时，保护接地线电流均很小（最小4.5 mA，最大10.3mA）；存在多点接地故障时，保护接地线电流则均>45 mA （最小45.3 mA，最大105.3）。可知若PT采样回路接电线电流大于40mA，则可判断为多点接地故障。

表2 模拟500kV 变电站PT采样回路多点接地的接地线电流

由于CT采样回路一点接地点在开关场端子箱内，本文选择在保护室模拟 CT 接地故障，测量结果如表3所示。根据数据可知，当发生中性线两点接地故障时，未投运站A站电流变化很小，其余站接地电流均发生较大变化；当发生相线一点接地故障时，所有变电站接地电流均发生较大变化；通过故障试验分析可知，无多点接地故障时，保护接地线电流均很小（最小0.5mA，最大11.8mA）；存在多点接地故障时，保护接地线电流则均>30 mA （最小36.5 mA，最大105.8）。可知若CT采样回路接电线电流大于30mA，则可判断为多点接地故障。

表3 模拟500kV 变电站CT采样回路多点接地的接地线电流

    交流采样回路发生中性线两点接地故障后，CT和PT采样回路的接电线电流均发生变化，发生相线一点接地故障后， PT采样回路的接电线电流显著高于中性线两点接地电流值，CT采样回路的接地线电流值在所加模拟量值附近变动，即大小由实际运行负载电流决定，符合分流法分析结果。

3 交流采样回路多点接地故障在线监测系统。

上述分析可知，交流采样回路发生多点接地故障时，接地电流会发生较大变化，通过实时监测采样回路接电线电流可反映接地情况。本课题研发了交流采样回路在线监测系统，通过微型电流采集装置实时采集交流采样回路接地线电流，传输至在线监测系统，当系统检测到电流值大于设置阀值时，即确认该采样回路发生多点接地。根据上文分析，本系统将PT采样回路阈值设置为30mA，CT采样回路阈值设置为40mA。

3.1微型电流采集装置

微型电流采集装置为电流采集传输部分，设计精度0.5ma，实现接地电流采集、模数变换、数据发送功能，采用Lora协议无线网关实现各支路电流数据无线发送。该微型电力采集装置分为微型电流互感器和数据采集器两部分，如图9所示。微型电流互感器采用开口模式，便于在运行回路上进行安装与拆卸，且设计精小，对于采样回路接地线排列紧密的严苛环境仍然适用，显著提高了实用性。

   a电源装置   b微型电流互感器  c数据采集器      

图9 微型电流采集装置

3.2 在线监测系统架构

继电保护交流采样回路多点接地监测系统总体架构如下图所示，通过一系列的传感设备、数据采集设备实现硬件系统的控制与监测数据的回传，根据回传的接地电流数据搭建接地电流数据管理中心，并实现对各个监控点的实时在线管理，结合各类应用终端接地电流异常进行预警预报，达到故障数据可实时在线观测，采集数据出现预警时，可立即进行检查处理，避免采样系统长时间两点接地，大大减小了保护装置误动的可能性，进一步维护电网稳定。

为方便变电站安装，减少运维负担，本系统硬件设计利用物联网先进技术实现数据的无线传输，并可拓展开发箱门状态监测、箱内漏水监测等功能。该系统硬件拓扑图和人机交互系统如下图所示。

图10 硬件拓扑图

图11 人机交互系统

4 结论

1. 本文采用分流法分析多点接地时接地线电流值的变化特征，分析结果表明，正常运行情况时接地线电流为0，接地线两点接地时接地电流大小与两个接地点之间的N相阻抗和电势差相关，相线一点接地时，CT回路接地电流主要由负载电流大小决定，PT回路接地电流主要由二次额定电压与内阻Z0决定

2. 模拟采样回路多点接地故障试验结果表明，存在中性线多点接地故障时，PT回路保护接地线电流则均>45 mA，CT回路接地线电流则均>35 mA。

3. 本文设计的交流采样回路在线监测系统可实现对全站所有监控点的实时在线管理，达到故障数据可实时在线观测。

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