10kV线路低频减载保护误动原因分析

低频减载保护是控制电力系统一般故障及大面积故障的有效手段，是维持系统频率稳定的最后一道防线。当电力系统因发电和用电负荷的需求之间出现缺额而引起频率下降时，只要在系统频率合理的情况下，快速切除次要负荷，即可使整个电网在最短时间内恢复稳定状态。

低频减载的实现方式有2种：一是把低频减载分散在每条馈线的保护装置中，在馈线保护装置中增加测频环节，实现低频减载的控制功能；二是采用专用的低频减载装置，将馈线分为基本轮、特殊轮和加速轮，根据频率的下降情况来切除负荷[1]。目前，随着电力系统对供电稳定性要求的提高，集中式低频减载装置应用越来越广泛，近年来新建变电站采用的大多是集中式低频低压减载装置。

频率测量是低频减载装置中的重要环节，电力系统频率测量方法分为硬件测频和软件测频2类。传统的硬件测频由过零比较器、方波形成电路和计数器构成。在电压或电流过零点后，向MCU（微控制单元）的外部中断端口提交中断申请，MCU响应中断后再计算频率。一般是采用计算单位时间内电压波形过零点个数或测量波形两相邻零点的时间间隔等方法来计算频率。软件测频有周期法、解析法、误差最小化原理算法等。

目前的集中式低频低压减载装置大多兼具硬件测频和软件测频功能，前者测频精度高、速度快，后者简单可靠，二者相互校核，提高了测频的准确性和可靠性。当双测频之差超过设定定值时，则闭锁频率判别模块。

在中性点不接地系统中，单相接地是引起铁磁谐振诸多因素中最为多见的1种。正常运行状态下电压互感器励磁感抗较大，线路对地分布电容随线路加长而减小。整个网络对地仍呈感性且基本对称，电网中性点的位移电压接近地电位。当发生单相接地故障时，非故障相电压升高至线电压；当接地故障瞬间消失时，非故障相对地电压突变为相电压，接地故障期间充的多余电荷短时间通过电压互感器一次侧中性点释放，造成电压互感器电感大大降低。当电压互感器的感抗和线路容抗相匹配时，即会引起谐振[2]。

铁磁谐振对系统危害较大，可能会造成系统高电压和电压互感器过电流，导致电压互感器高压熔丝熔断，甚至烧毁。此外还有可能造成接地选线装置和低频低压减载保护误动，严重影响系统的安全稳定运行。

某110 kV变电站10 kV系统Ⅰ母、Ⅱ母并列运行，变电站10 kV系统主接线如图 1所示。该变电站10 kV系统通过将低频减载分散在每条馈线的保护装置中的方式来实现低频减载，大部分老式110 kV或35 kV变电站多采用这种方式。

2012-11-10T08：57（因时钟未同步，后台系统时间显示滞后约6 min），该变电站912永兴线过流保护动作，重合不成功后手动送电，系统接地（零序电压U0=70 V），手动断开912断路器。后台系统交替出现10 kV系统接地和10 kV线路动作跳闸报文（如图 2所示），从09：16：06—09：59：10，连续出现10 kV出线分布式低频减载保护动作，分别跳开10kV Ⅰ母911、913线路，Ⅱ母923、924、926线路。10：00开始恢复送电，至12：00各线路全部恢复送电。检查以上各线路的UT-9911A线路保护装置（内置低频减载保护功能），均报“低频减载动作”，动作频率在48~49.1 Hz，在此期间系统频率并无异常。

从图 2可以看出，在切除912线路后，每次低频低压减载动作均发生在电压互感器测控装置报单相接地、接地信号未消除的情况下，两段母线同时报单相接地。如，09：16：32，Ⅰ段和Ⅱ段电压互感器测控装置报单相接地，09：16：38报单相接地消失，在此期间，924苏木线低频减载保护第一次动作，动作时刻为09：16：33。

由系统数据可知，UT-9911A线路保护的第1次低频减载保护动作是由于10 kV系统912永兴线发生单相接地故障，当接地故障瞬间消失时，非故障相电压由线电压突变至相电压，电荷重新分布会产生大量的低频零序自由振荡电流分量[3]，使电压波形严重畸变（见图 3所示）。而UT-9911A线路保护测频采用硬件测频方式，在电压波形发生严重畸变后，影响波形的过零点，硬件测频将产生测频误差，由于铁磁谐振持续存在，频率值持续满足低频减载“频率定值”的要求，滑差持续满足“滑差定值”的要求，达到“低频时限”定值（现场整定值为0.2 s）时，低频减载保护误动。

根据乌兰察布电业局调度处下发的文件[4]，低频减载方案分为基本轮7轮和特殊轮1轮。在该方案中涉及低频切110 kV凉城变电站负荷的有基本轮第1轮和基本轮第4轮。基本轮第1轮：f=49.25Hz，动作时限0.2 s；切负荷：凉城变911、912、913、923、924线路。基本轮第4轮：f=48.5 Hz，动作时限0.2 s；切负荷：凉城变926线路。

故障过程中，录取911线路保护1组故障波形，录波文件为“18_12_11_10_9_52_49928_192.dat”。该录波文件录取了从09：52：49：868至低频减载动作（09：52：54：009）约4000 ms的Ⅰ母Uab1和Ubc1线电压波形。其中截取一段原始波形（见图 3），从图 3可以看出，线电压波形严重畸变，电压波形过零点偏移，使保护装置测得的频率降低。Ubc1的3个周期时间长度为61.667 ms，折算频率为48.65 Hz，持续时间达到“低频时限”定值（现场整定值为0.2 s）时，低频减载保护动作跳闸。

使用10 kV/35 kV不接地系统母线电压测频来实现低频减载功能，容易受铁磁谐振的影响发生误动，虽然硬件测频采取了许多抗干扰措施，但无法完全消除铁磁谐振条件下的测频误差。现场发现该变电站10 kV电压互感器开关柜装有KFX-10型消振装置，该装置为铁岭电力仪器厂1991年生产，从现场情况推测该装置已起不到应有的消谐作用。

对该变电站二次消谐装置进行更换后，再未发生类似的低频减载保护误动。新的消谐装置可实时监测电压互感器开口三角电压，运用离散傅里叶变换算法计算出零序电压4种频率（1/3分频、1/2分频、工频、三倍频）的电压分量；还增加了压敏元件，压敏元件的电抗随谐波电压的变化而变化，从根本上避免铁磁谐振的产生。当装置判定17 Hz谐波电压≥17 V，25 Hz谐波电压≥25 V，或150 Hz谐波电压≥33 V时，CPU启动消谐电路，快速消谐。

4PT接法是在电压互感器高压侧中性点处经1个互感器接地，即当单相接地时，互感器中性点对地产生相电压，而主电压互感器仍处于正序对称电压之下，互感器电感并不发生改变，在零序回路中仅有单相电压互感器一种磁化电感，从根本上消除了电压互感器的铁磁谐振。

退出10 kV系统9911A线路保护的分布式低频减载功能，改为集中式低频减载装置，电压使用110kV大接地系统母线电压，避免铁磁谐振的影响。

对于已有的老式变电站，如果没有条件采用上述2种措施，可增加消谐器，避免10 kV系统发生长时间的铁磁谐振，并适当加大“低频时限”定值。更多的消谐措施见文献[5]。