电流互感器二次回路中性线断线的动模试验研究

李蕾，周鹏鹏，李志勇，索江镭

(1.许昌开普检测研究院股份有限公司，河南 许昌 461000；2.广东电网有限责任公司电力调度控制中心，广东 广州 510600)

继电保护设备的正确动作依赖于电压互感器、电流互感器对于一次系统正常运行或故障时电压电流信号的正确传变，电力系统二次回路的故障将严重影响继电保护设备的正确动作，比较熟知的有电压互感器断线、电流互感器断线、电流互感器饱和等。如何提高继电保护设备对二次回路故障的识别以及降低二次回路故障对继电保护动作行为的影响，一直是业内的研究热点[1-5]。

当前，主要采用具备实时性的物理动模或数字动模方式模拟二次回路故障，一方面可以为保护逻辑研究提供数据，另一方面可以验证继电保护逻辑的正确性[6-13]。对于电压互感器断线、电流互感器断线、电流互感器饱和等二次回路故障的模拟，在当前的动模试验中已经有良好的实现[14-15]。文献[16]建立微分方程来分析电流互感器中性线电阻增大导致线路差动保护误动的原理，并在MATLAB/Simulink上建立电流互感器模型进行验证。文献[17]分析二次回路中性线阻抗的存在对母线差动保护动作行为可能产生的影响，并通过电磁暂态仿真程序的仿真结果证明了分析结论的正确性。可以看出，相关研究主要围绕电流互感器中性线异常的软件离线仿真，没有从动模试验角度对电流互感器二次回路中性线断线后的故障特征进行理论分析和试验验证，也没有提出相应的保护逻辑改进方案。

由于电流互感器二次回路中性线老化、机械损伤以及虚接等因素的存在，电流互感器二次回路中性线断线的情况在电力系统中时有发生，且容易造成继电保护误动和拒动，影响电力系统安全稳定运行。文献[18]中某变电站高压侧电流互感器二次回路中性线断线后，区外线路发生单相接地短路故障，导致站内1号主变压器差动保护动作跳开主变压器三侧开关，造成与该主变压器电气连接的2个110 kV开关站及站内10 kV母线失压。文献[19]中母差保护屏电流端子处中性线断路，发生区外故障时母差保护误动作，造成区域大面积停电。电流互感器二次回路中性线断线在系统正常运行时难以察觉，一旦发生故障又极易造成继电保护误动，后果非常严重。因此，开展电流互感器二次回路中性线断线的动模试验研究，对于研究电流互感器二次回路中性线断线后的故障特征，并提高继电保护应对电流互感器二次回路中性线断线后故障的处理能力具有重要意义。

本文首先分析三相电流互感器二次回路中性线断线后的等效电路及电流回路，并在MATLAB/Simulink上建立三相电流互感器模型；然后通过以MATLAB/Simulink作为仿真模型开发手段的新型实时数字仿真继电保护测试系统建立110 kV线路保护动模试验测试实例，进行电流互感器二次回路中性线断线后的相关动模试验研究。试验结果表明，电流互感器二次回路中性线断线后，差动保护在发生区外单相及两相接地短路故障时容易误动，接地距离保护在发生区内单相及两相接地短路故障时容易拒动。通过对电流互感器二次回路中性线断线后又发生故障时的电流特征和阻抗特征的分析，对试验结果的正确性进行印证。同时，为避免电流互感器二次回路中性线断线后保护误动和拒动事件的发生，提出基于外接零序电流的保护逻辑改进方案，并通过仿真验证改进逻辑的可行性。

1 中性线断线分析

三相电流互感器二次接线一般为全星型接线方式，二次接线图如图1(a)所示，其中Iφ(φ=A、B、C)为电流互感器一次侧三相电流，Iφ(φ=a、b、c)为电流互感器二次侧三相电流，Rφ(φ=a、b、c)为二次侧负载，Rn为中性线负载。对三相电流互感器作T型等效变换，将二次侧的参数归算到一次侧，得到等效电路如图1(b)所示，其中：Zφ(φ=A、B、C)和Zφ(φ=a、b、c)分别为一次绕组和二次绕组的等效阻抗；Zφm(φ=a、b、c)为电流互感器的等效励磁阻抗；Iφm(φ=a、b、c)为三相励磁电流；I0为中性线正常时的零序电流。正常情况下电流互感器二次负载Ra、Rb、Rc和中性线负载Rn都很小。当中性线断线时，等效电路如图1(c)所示。当系统发生不对称接地短路故障后，零序电流无法通过中性线回流，当三相励磁支路的饱和特性一致时，零序电流将平均分配到三相励磁支路中，因此可以得到断线后三相二次电流满足以下公式：

(1)

式中Iφ1(φ=a、b、c)为电流互感器中性线断线时的三相电流。

图1 三相电流互感器原理Fig.1 Principles of three-phase current transformer

2 中性线断线的动模试验

动模试验系统一般通过物理动模和数字动模2种方式建立，由于电流互感器二次回路中性线断线后，系统发生单相接地短路故障及两相接地短路故障等不对称接地短路故障时，会在电流互感器二次侧产生很高的感应电压，容易发生绝缘安全事故，因此本文选用经济性好、安全性高、方便快捷的数字动模方式建立动模试验系统。本文的数字动模采用许昌开普检测研究院股份有限公司开发的RTplus智能电网实时数字仿真系统，该仿真系统是一种以MATLAB/Simulink作为仿真模型开发手段的新型实时数字仿真继电保护测试系统，其仿真能力及实时性等均已得到验证[20]。

2.1 电流互感器二次回路中性线断线的建模

电流互感器是一种特殊的变压器，因此可以利用MATLAB/Simulink中饱和变压器模块来模拟，已知某电流互感器的参数见表1，其中：SN为额定容量；R1、L1为电流互感器一次绕组电阻和漏抗；R2、L2为电流互感器二次绕组电阻和漏抗；Rm为电流互感器的励磁电阻。电流互感器非线性磁化曲线如图2所示，且考虑铁心剩磁的影响。

表1 电流互感器参数Tab.1 Current transformer parameters

图2 电流互感器磁化曲线Fig.2 Magnetization curve of current transformer

按照图1所示的三相电流互感器接线方式，在MATLAB/Simulink中建立三相电流互感器模型，如图3所示。

为方便建模，采用可控电流源控制电流互感器一次侧输入电流的大小，可控电流源的输入为电流互感器安装处断路器一次电流，断路器一次电流通过测量模块获得。模拟中性线断线时，将Rn设为一个很大的值(大于106)。

2.2 试验系统建立

本文以110 kV线路保护动模试验为例建立动模试验系统，对电流互感器二次回路中性线断线后的故障特征进行分析和试验验证。试验系统整体结构如图4所示，由实时仿真后台主机、RTplus仿真系统、被测保护装置等部分组成。在后台主机用MATLAB/Simulink建立系统模型，将编译生成的模型程序文件上传至实时计算单元进行仿真计算，并将待测保护装置试验所需的电压、电流等模拟量经功率放大器或I/O接口模块送入待测装置。同时，待测装置的响应信号再通过I/O接口模块实时反馈回计算单元，形成完整的闭环动模试验系统。

图3 三相电流互感器模型Fig.3 Three-phase current transformer model

SV—采样值，sampled value的缩写；GOOSE—面向通用对象的变电站事件，generic object-oriented substation event的缩写。

在MATLAB/Simulink上建立110 kV线路仿真模型，系统主接线和模型，如图5、6所示，系统主要参数见表2。图5中：S1和S2为无穷大电源；K1—K5为故障点位置；BRK1和BRK2分别为M侧和N侧断路器；CT1和CT2分别为M侧和N侧

的电流互感器；PT1和PT2分别为M侧和N侧的电压互感器。模型中M侧电流互感器采用图3所示的可模拟中性线断线的三相电流互感器模型。

表2 系统主要参数Tab.2 Main parameters of the system

2.3 动模试验结果

为分析电流互感器二次回路中性线断线对故障后二次电流及保护动作行为的影响，分别模拟在电流互感器二次回路中性线断线情况下线路区外K1点和区内K3点发生各种金属性短路故障试验。

图5 110 kV线路仿真模型接线图Fig.5 Wiring diagram of 110 kV line simulation model

图6 110 kV线路仿真模型Fig.6 110 kV line simulation model

动模试验整体结果见表3，由表中结果可以看出：电流互感器二次回路中性线断线后，当系统发生区外单相及两相接地短路故障时，差动保护误动作；发生区内单相及两相接地短路故障的时候，接地距离保护拒动作。

3 试验结果分析及保护逻辑改进

3.1 中性线断线后的电流特征分析

电流互感器二次回路中性线正常及断线后，区内外发生各种类型短路故障时，三相电流波形特征如图7至图10所示。

表3 中性线断线后故障线路保护动作行为Tab.3 Protection actions of faulted lines after the neutral line is disconnected

图7 区外K1点A相接地短路故障Fig.7 Grounding short circuit fault of phase A located at external point K1

图8 区外K1点A、B相短路故障Fig.8 Short circuit faults of phase A and B located at external point K1

图9 区内K3点A、B相短路接地故障Fig.9 Grounding short circuit faults of phase A and B located at internal point K3

通过分析波形可知：电流互感器二次回路中性线断线后，当系统发生区内外两相及三相短路故障时，相电流与中性线正常时完全一致；当系统发生区内外单相及两相接地短路故障时，故障相电流减小，非故障相电流增大，中性线断线后的三相故障电流与正常时三相故障电流的差值基本相同，这也进一步印证了在电流互感器二次回路中性线断线后发生不对称接地短路故障时，电流无法通过中性线回流，当三相励磁支路的饱和特性一致时，零序电流将平均分配到三相励磁支路中。因此，当系统发生区外不对称接地短路故障时，三相均出现差流，差流较大时，容易导致差动保护误动。

图10 区内K3点A、B、C相短路故障Fig.10 Short circuit faults of phase A,B and C located at internal point K3

3.2 中性线断线后的阻抗特征分析

区内外发生故障时，电流互感器二次回路中性线断线和正常时距离保护的测量阻抗值对比见表4、5，其中Zab、Zbc、Zca为相间阻抗，Zae、Zbe、Zce为接地阻抗。

表4 中性线正常和断线时，区外故障距离保护测量阻抗值Tab.4 Distance protection measured impedance of external fault when the neutral line is normal and disconnected

表5 中性线正常和断线时，区内故障距离保护测量阻抗值Tab.5 Distance protection measured impedance of internal fault when the neutral line is normal and disconnected

从表4、5的数据可知：电流互感器二次回路中性线断线后，当系统发生两相及三相短路故障时，测量阻抗值不受影响；当系统发生区外单相及两相接地短路故障时，相间阻抗值和故障相接地阻抗值基本不变，而非故障相接地阻抗值减小，且方向发生偏移，但仍表现为区外故障的特征，故没有发生误动作；当系统发生区内单相及两相接地短路故障时，相间阻抗值基本不变，三相接地阻抗值均增大，且方向发生偏移，接地距离保护有拒动作的可能。

3.3 保护逻辑改进方案

电流互感器二次回路中性线断线的情况时有发生，然而系统正常运行时，中性线断线后二次电流可以正常传变，导致该异常无法察觉。为了避免和减少类似的情况导致保护误动和拒动事件的发生，本文提出以下保护逻辑改进方案：

电流互感器二次回路中性线断线后其二次回路不存在零序回路，即使发生不对称接地短路故障，也没有零序电流，依据该特点，可在保护装置内增加电流互感器二次回路中性线断线处理逻辑。该逻辑需要现场配置专用零序电流互感器作为保护装置的外接零序电流，保护运行时同时监视外接零序和自产零序。在保护启动后，若外接零序电流等于自产零序电流，则保护采用原始电流采样值执行逻辑。当有外接零序电流，而无自产零序电流时，可采用以下逻辑防止保护误动：

b)若现场的三相电流互感器饱和特性不一致，应闭锁与相电流相关的保护(如差动保护、接地距离保护及过流保护等)，采用外接零序电流的零序方向过流保护作为后备保护。

保护逻辑执行流程如图11所示。

3.4 改进方案的仿真验证

本文利用一种基于IEC 61850的新型仿真试验平台，验证上述改进逻辑的可行性。该平台将xPCTarget实时操作系统与廉价的工控机相结合，以MATLAB/Simulink图形化软件作为继电保护原理的开发手段，用实时仿真系统进行一次系统的仿真模拟，并根据IEC 61850的标准设计报文结构和组网方式。

图11 保护逻辑执行流程Fig.11 Execution flowchart of protection logic

仿真验证平台硬件结构如图12所示，实时运行保护逻辑的工控机替代实际的保护装置，保护逻辑开发主机使用Simulink进行保护逻辑的开发调试。工控机与RTplus仿真系统通过IEC 61850 SV和GOOSE规约进行实时通信，开发主机和工控机之间通过标准的TCP/IP协议进行通信，开发机使用Simulink对工控机中实时运行的保护逻辑进行变量监视和故障录波。

图12 仿真试验平台硬件结构Fig.12 Hardware structure of simulation test platform

基于该平台，本文在Simulink上建立电流互感器二次回路中性线断线处理逻辑以及基于该处理逻辑的线路差动保护、距离保护和采用外接零序电流的零序方向过流保护逻辑，并验证其可行性。电流互感器二次回路中性线断线处理逻辑如图13所示，其中：I30_WJ_abs和I30_ZC_abs分别为外接零序电流和自产零序电流的有效值；CTBHTXYZ为电流互感器饱和特性一致控制字；Iφ4(φ=a、b、c)为保护执行逻辑实际使用的三相电流；CTNDXBS为电流互感器二次回路中性线断线闭锁信号。

图13 电流互感器二次回路中性线断线处理逻辑Fig.13 Processing logic of neutral line disconnection in secondary circuit of current transformer

电流互感器饱和特性一致时，区内发生A、B相接地短路故障后，电流互感器二次回路中性线断线处理逻辑的运行情况如图14所示，其中：CTBHTXYZ为电流互感器饱和特性一致控制字；CTNDXBS为电流互感器二次回路中性线断线闭锁信号。可以看出该逻辑对三相电流进行了补偿，且补偿后的波形与未发生中性线断线时的波形一致。

图14 饱和特性一致时处理逻辑的运行效果Fig.14 Operation effect of processing logic when saturation characteristics are consistent

电流互感器饱和特性不一致时，区内发生A、B相接地短路故障后，电流互感器二次回路中性线断线处理逻辑的运行情况如图15所示。此时该逻辑不对电流进行补偿并正确产生电流互感器二次回路中性线断线闭锁信号，用以闭锁与相电流相关的保护。

图15 饱和特性不一致时处理逻辑的运行效果Fig.15 Operation effect of processing logic when saturation characteristics are inconsistent

区内外故障时，改进后的线路差动保护、距离保护及采用外接零序电流的零序方向过流保护动作情况见表6。当电流互感器饱和特性一致时，发生区内故障时差动保护和距离保护均正确动作，发生区外故障时差动保护和距离保护均可靠不动作。当电流互感器饱和特性不一致时，发生区内外单相及两相接地短路故障时差动保护和接地距离保护均可靠闭锁，发生区内单相及两相接地短路故障时采用外接零序电流的零序方向过流保护正确动作，其他故障时保护动作行为均正确。

表6 改进后的线路保护在中性线断线后故障时的动作行为Tab.6 Action behaviors of improved line protection in case of fault after neutral line disconnection

4 结束语

通过分析三相电流互感器二次回路中性线断线后的等效电路，在MATLAB/Simulink上建立了可模拟中性线断线的三相电流互感器模型，并建立了110 kV线路保护动模试验测试实例，进行电流互感器二次回路中性线断线后的相关动模试验研究。试验结果表明：电流互感器二次回路中性线断线后，差动保护在发生区外单相接地短路故障及两相接地短路故障时容易误动，接地距离保护在发生区内单相接地短路故障及两相接地短路故障时容易拒动。通过对电流互感器二次回路中性线断线后又发生故障时的电流特征和阻抗特征进行分析，印证了试验结果的正确性。同时，为避免电流互感器二次回路中性线断线后保护误动和拒动事件的发生，本文也提出了相应的保护逻辑改进方案，仿真分析结果验证了改进逻辑的可行性。