变电站电压互感器二次中性点N600接地在线监测装置的研制及应用
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广东电网有限责任公司韶关供电局的研究人员徐兴发，在2019年第9期《电气技术》杂志上撰文，针对变电站电压互感器二次中性点N600发生多点接地，可能引起距离保护、零序方向保护拒动或误动的现象，研制了一种变电站电压互感器二次中性点N600（PTN600）接地在线监测装置，通过软件程序设计、硬件合理设置及配合，实时监测变电站电压互感器二次中性线N600的接地状况，N600发生多点接地时及时触发相关告警信息，发现安全隐患，避免区外故障保护装置误动、区内故障保护装置拒动，保障电网安全稳定运行，提高工作效率，具有较好的应用前景。
根据《电力系统继电保护及安全自动装置反事故措施要点》规定：经控制室零相小母线（N600）连通的几组电压互感器（potential transformer, PT）二次回路，其只应在控制室将N600一点接地，各电压互感器二次中性点在开关场地接地点应断开；为保证接地可靠，各电压互感器的中性线不得接有可能断开的断路器或接触器。
在实际运行中，由于设计、施工及二次设备老化、绝缘击穿原因，可能引起电压互感器二次中性点N600（PTN600）存在两点接地，开关场地接地和控制室同时接地，当系统发生故障，变电站地网流过大故障电流，这时N600两端会出现电位差，将造成中性点的电压相位偏移，进而影响相电压与零序电压的幅值与相位，可能导致距离保护、零序方向保护拒动或误动。
变电站发生过几次由保护电压互感器二次中性点N600多点接地引起的220kV及以上保护装置误动事件，为了防止此类事件的再次发生，可以采取以下措施：
1）各单位应对所辖变电站电压互感器二次回路N600接地情况进行检查。
2）维护单位应在新建变电站投运前，认真检查验收中性点N600一点接地情况，确保设计图纸及相关二次回路接线正确无误，并将中性点N600接地线测试数据存档备查。
3）改扩建的变电站在设备投运前，必须对N600公共接地线电流进行测试并记录数据。
4）运行中的变电站，运行值班人员应每半年进行一次N600接地线电流值的测试，若发现多点接地，须立即检查排除N600以外的接地故障点。
因此，变电站电压互感器二次中性点N600的检查、运维管理是电力系统运维人员定期巡查测试的一项重要内容。变电站电压互感器二次中性点N600接地线并没有相关的能实时在线监测方法，通常在电网发生保护误动之后，才通过分析判断得出变电站电压互感器二次中性点多点接地、接地不良、接线错误，多数为事后检查，不能及时发现隐患。
同时，继电保护维护人员检查需要大量时间，逐个变电站排查工作量大，操作随意性大，巡检效率低，巡检监测结果不准确，如可能检查时没有发现问题，但雷雨期间（如TYD的N600击穿熔断器导通等）形成多点接地，直到事故发生后才会被发现。
1 PTN600接地在线监测装置设计
1.1 PTN600接地在线监测装置原理
利用高精度钳形电流互感器采集中性点N600接地线电流，如图1所示。输入采集模块，将模拟量电流值进行信号处理，去除干扰量，处理后输入放大模块，经过两级放大电路后输入到A/D数据转换模块，通过A/D数据转换后输入到微机处理器，进行逻辑判断，电流超过微机处理模块整定定值（50mA），经过一定的延时触发继电器K1，继电器K1动作，继电器K1动作常开接点闭合触发引至公用测控的信号接点，监控后台光字牌被点亮、告警窗弹出相关告警“中性点N600多点接地”信息。
同时，继电器K1的另一对常开接点闭合，触发装置告警模块动作，信号灯点亮。复归按钮S动作，触发继电器K2，装置复归信号告警与继电器K1，装置恢复正常工作状态，如图2所示。
图1 钳形电流互感器示意图
图2 中性点N600在线监测装置告警控制回路示意图
同时，站内远动装置将变电站PT二次中性线N600发生多点接地线状况及时发送调度主站监控系统，实现与调度主站监控系统联系，在线监测装置将采集、识别的监测状态通过站内远动装置上传至调度主站服务器，对变电站PT二次中性线N600接地在线实现实时准确且高效的监测功能。
1.2 PTN600接地在线监测装置软件设计
1）装置采用了微型机箱设计、嵌入式安装结构、整体面板构造。高性能高速32位微处理器为主MCU建立硬件平台，高效C语言嵌入式实时软件平台，结构设计上实现接口最大化，方便功能升级扩充，双路电流量输入。
2）电量采集回路低功耗CMOS运算放大器、共模高端双向电流检测技术、电压采集线性光耦隔离技术及其专用的电量处理芯片，完成电量参数的输入隔离、采集、变换，再由CPU处理采集的数据，并根据电量告警阀值实时报警。
3）在直流电源输入端有专用的电源滤波器，从而有效防止由冲击负荷、电气化电路及电力系统发生故障等可能引起的误动或拒动现象。
4）整个装置结构设计采用模块化设计，整个模块包括电源板、显示板、控制板和端子板。可插拔的安装方式，便于维修和提高可生产性。
5）友好的人机界面。装置应用汉显液晶屏，友好的中文窗口界面，界面显示信息量大。
6）装置的主要功能有：①通过参数监测装置安装处电流的正常运行状态；②具有多路可编程继电器出口，用于接外部信号报警等；③具有事件记录和事故数据记录功能，可记录保存最近的12次事件，并具有掉电保持功能，记录内容在断电后不消失；④具有自检功能，程序自恢复功能，整组自试验功能。
1.3 PTN600接地在线监测装置硬件设计
变电站PTN600接地在线监测装置的硬件，包括电流互感器、采集模块、放大模块、数据转换模块以及微机处理模块。微机处理模块的第一输出端连接告警输出单元模块，微机处理模块的第二输出端分别连接报警指示灯以及显示模块，微机处理模块的第三输出端连接存储单元模块，微机处理模块的第一输入端连接自动复位模块，微机处理模块的第二输入端连接对时模块，微机处理模块的第三输入端连接定值整定模块，告警输出单元模块还连接公用测控装置，如图3所示。
图3 装置原理图
1）高精度钳形电流互感器
高精度钳形电流互感器采用开口CT钳，采集变电站电压互感器二次中性点N600接地线的电流，不会影响、改变变电站原有N600接地线状况，如图1所示。在变电站PT并列屏实时采集流过全站惟一N600接地线的电流，并将高精度钳形电流互感器输出电流数据输入采集模块。
2）采集模块、放大电路、A/D数据转换模块
采集模块将输入模拟量电流值进行信号处理，将干扰量去除，处理后将输入放大模块。采用两级放大电路，第一次运算放大器和第二次运算放大器均采用LM332运算放大器芯片，在两级运算放大电路的输出端输入A/D数据转换模块。A/D数据转换模块将采集模块、放大后的电压互感器二次中性线N600接地线电流转换为数字信号，并输入到微机处理器。
3）微机处理模块
A/D数据转换模块将中性线N600的电流模拟量数据转换为数字量，输入微机处理模块，微机处理模块具备逻辑分析、判断功能，输入电流超过整定定值时触发继电器线圈动作，继电器线圈动作时触发报警模块、报警指示灯点亮、显示模块，报警指示灯与微处理模块连接，超过微机处理模块设定值时，触发告警指示相关电路，告警灯点亮，并且装置能够判定N600发生多点接地故障。
4）自动复位模块
自动复位功能，即自动复位模块与所述微处理模块连接，微处理器监测、分析判断中性线N600接地线电流正常时，自动复位。复位模块是通过复位继电器、告警复位单元、电源及相关保护电阻组成，能够实现自动复位，如图2所示。复位相关回路的告警复位单元具备将继电器线圈动作复位，即线圈返回，所述复位回路闭合时，动作继电器告警指示灯熄灭，告警信号常开接点由动作闭合状态恢复至断开状态。
在图2所示的变电站PTN600在线监测装置及方法的告警控制回路示意图中，R1、R2、R3为控制回路的相关保护元件（电阻、电感、电容），K1、K2为继电器，L为告警指示灯，S为复位模块中的复归按钮。当采集电流超过微机处理模块整定定值（50mA），经过一定的延时触发继电器K1，继电器K1动作，继电器K1动作，常开接点闭合触发引至公用测控的信号接点，监控后台光字牌被点亮、告警窗弹出相关告警“变电站PT二次中性线N600发生多点接地”信息。
同时，继电器K1的另一对常开接点闭合，触发装置告警模块动作，信号灯点亮。复位按钮S动作，触发继电器K2，装置复位信号告警与继电器K1，装置恢复正常工作状态。
5）对时模块
对时模块适用于接入变电站内GPS时钟，具备GPS对时功能，用于电站PT二次中性线N600接地在线监测装置。
6）定值整定模块
定值整定模块应用于可整定的继电器，预设有动作告警电流阈值，目前标准值为50mA，当所述PT二次中性线N600的电流大于动作告警阈值50mA时，继电器动作，见表1。
表1 装置定值设计
判别逻辑及动作起动条件，电流大于设定电流判断定值后触发，默认为50mA。
7）存储单元模块
存储单元模块存储继电器的动作事件，便于查询最近n（n≥20）条故障信息。
8）告警输出单元模块
继电器动作触发继电器，继电器常开节点闭合，触发告警输出，输出至公用测控装置，包括监控后台信号告警模块以及远动调度主站监测模块。在线监测装置采集到的电流超过告警整定电流定值时，判断为多点接地，微处理模块触发继电器K1线圈动作，继电器K1常开节点闭合，触发控制回路至公用测控装置的N600多点接地告警信号闭合，监控后台机光字牌被点亮、告警窗弹出“N600多点接地”告警信息。
9）显示模块
显示当前变电站PT二次中性线N600发生多点接地的电流及多点接地信息。
10）电源模块
电源处理模块，所述的电源处理模块与所述的采集模块、放大模块、数据转换模块以及微机处理模块均相连。电源模块输出直流24V作为采集模块、放大模块、数据转换模块的工作电源，输出直流48V作为微机处理模块的工作电源。电源处理模块提供变电站PT二次中性线N600接地在线监测装置的工作电源，采用变电站直流电源（110V或220V）保障装置工作状态的稳定运行。
1.4 PTN600接地线在线监测装置的逻辑功能
变电站PTN600（电压互感器二次中性线）接地在线监测装置，通过高精度钳形电流互感器、采集模块、放大模块、数据转换模块、微机处理模块、自动复位模块、对时模块、定值整定模块、存储单元模块、数据输出模块、告警输出单元模块、显示模块、报警指示灯合理设置及配合，实现了对变电站PT二次中性线N600流过的电流进行实时在线监测功能，微机处理模块具备分析判断功能，将PT二次中性线N600的电流进行对比分析，并且超过整定的继电器动作电流50mA，继电器动作告警，站内监控后台告警光字牌被点亮、告警窗弹出相关告警信息，显示发生中性点N600多点接地。
同时，自动复位模块的设置将继电器K1线圈动作复位，使处于报警状态下的装置恢复到在线监测工作状态；监控后台信号告警模块以及远动调度主站监测模块的设置有利于将采集、识别的监测状态通过站内远动装置上传至调度主站服务器，对变电站PT二次中性线N600接地状况实现准确且高效的实时监测，及时通知运维人员处理，消除安全隐患，降低区外故障保护误动作，提高工作效率。
图4 变电站PTN600接地线在线监测装置工作流程图
变电站PTN600接地线在线监测装置体积小，设计电路简单，安装方便，不影响电力系统的安全稳定运行。
2 PTN600接地在线监测装置的调试升级
对研制的变电站电压互感器二次中性点接地线在线监测装置进行调试、升级。
1）在新建变电站主控室的PT并列屏安装调试，高精度钳形电流互感器实时采集中性点N600接地线电流，将采集的电流输入装置采集模块，将电流模拟量进行信号处理，将干扰量去除，处理后输入放大模块，经过两级放大电路后输入到A/D数据转换模块，通过A/D数据转换后输入到微机处理器。
2）微处理器进行逻辑判断。当模拟两点接地时，装置采集电流超过微机处理模块整定定值（50mA），经过一定的延时触发继电器动作。
3）继电器动作常开接点闭合触发引至公用测控的信号接点，监控后台光字牌被点亮、告警窗弹出相关告警“中性点N600多点接地”信息。
4）继电器的另外一对常开接点闭合，触发装置告警模块信号灯点亮。
为准确实现对变电站电压互感器二次中性点N600接地线的实时监测，及时发现安全隐患，避免区外故障保护误动的发生，提高工作效率，对装置进行升级，在不改变主控室原有N600一点接地的基础上，实时监测电压互感器二次中性点N600接地点电流，电流超过继电器线圈动作值50mA时触发告警指示灯及告警信号，装置具备稳定可靠性及事件和事故数据记录功能。
3 装置的运行效果
3.1 变电站PTN600接地在线监测装置实施情况
目前，在粤北地区电网变电站试点应用，同时在基建变电站现场施工过程中应用，能够实时监测变电站电压互感器二次中性点N600接地状况，发生多点接地触发相关告警信息，及时发现安全隐患。提高运维效率，实现变电站电压互感器二次中性点接地在线监测。
3.2 效果分析
变电站PTN600接地在线监测装置，取得以下实际效果：
1）提供了一种变电站电压互感器二次中性点N600接地线在线监测技术，能够实时监测变电站电压互感器二次中性点N600接地状况。
2）电压互感器二次中性点N600发生多点接地触发相关告警信息，及时发现安全隐患，避免区外故障保护装置误动、区内故障保护装置拒动，保障电网安全稳定运行。
3）全面掌控管辖地区电网变电站电压互感器二次中性点N600一点接地的情况。
4）完善中性点N600接地线在线监测装置与调度主站监控系统联系。
3.3 经济效益
变电站PTN600接地在线监测装置的应用，可及时发现安全隐患，避免区外故障保护装置误动、区内故障保护装置拒动，保障电网安全稳定运行；避免潜在的区外故障误动作对社会产生的经济损失，为生产提供稳定的监测方法，产生积极的经济效益。
避免了一次变电站N600多点接地引起一起110kV线路保护零序保护反方向动作，造成110kV孟蒙线零序保护反方向误动，引起线路停电产生的经济损失，提前及时发现安全隐患，避免区外故障保护装置误动，按国家平均售电价0.497元/kW·h，结合110kV线路潮流负荷计算，0.497元/kW·h×32.1×1000kW×6h=95722.2元，为我局增加收入约9.57万元，同时工作效率也得到了提高。
变电站PTN600接地在线监测装置研制投入运行后，对其进行了多次升级改造，不断完善其逻辑和功能，在变电站试点运行时取得了良好效果。通过相关的技术测试、满足技术规范要求，提供了一种变电站电压互感器二次中性点N600接地线在线监测的技术，能够实时监测变电站电压互感器二次中性点N600接地状况，全面掌控管辖地区电网变电站电压互感器二次中性点N600一点接地的状况，N600发生多点接地时及时触发相关告警信息，发现安全隐患，避免区外故障保护装置误动、区内故障保护装置拒动，保障电网安全稳定运行，提高工作效率，具有较好的应用前景。
本文研发的变电站电压互感器二次中性点N600接地线在线监测技术，能够实时监测变电站电压互感器二次中性点N600接地状况，N600发生多点接地，及时触发相关告警信息，发现安全隐患，避免区外故障保护装置误动、区内故障保护装置拒动，保障电网安全稳定运行。