盛方正，陳福良，范秉翰，王文成

（上海市電力公司浦東供電公司， 上海 200122）

小電阻接地系統(tǒng)單相斷線故障分析及對(duì)策研究

盛方正，陳福良，范秉翰，王文成

（上海市電力公司浦東供電公司， 上海 200122）

在城市中壓配電網(wǎng)中小電阻接地系統(tǒng)是很常見(jiàn)的，這類系統(tǒng)一般不會(huì)配置專門用于反應(yīng)斷線故障的繼電保護(hù)裝置，發(fā)生斷線故障后往往由用戶首先發(fā)現(xiàn)，供電部門在處理這類故障時(shí)存在延時(shí)問(wèn)題。為此，分析了變壓器高壓和低壓側(cè)單相斷線對(duì)用戶造成的影響，計(jì)算出故障后零序、負(fù)序分量，證明目前配電網(wǎng)通常配置的過(guò)流和零序過(guò)流保護(hù)難以反應(yīng)此類故障，提出了利用零序和負(fù)序故障分量對(duì)單相斷線故障進(jìn)行判斷的改進(jìn)方法。

小電阻接地；單相；斷線；繼電保護(hù)

0 引言

單相斷線故障是配電網(wǎng)較常發(fā)生的故障，由于配電線路自身的特點(diǎn)，當(dāng)某饋線發(fā)生單相斷線故障時(shí)，引起的母線相電壓、相電流變化不明顯，從而不易被發(fā)現(xiàn)，但持續(xù)不對(duì)稱運(yùn)行將對(duì)用戶產(chǎn)生不利影響。非全相運(yùn)行時(shí)，雖然與短路故障相比后果一般較小，但是對(duì)電力系統(tǒng)的影響還是不應(yīng)小視，應(yīng)盡快確定故障線路并及時(shí)報(bào)警[1-2]。目前中壓配電網(wǎng)一般不會(huì)配置專門反應(yīng)斷線故障的保護(hù)裝置，往往帶故障運(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間由用戶反映后供電部門才發(fā)現(xiàn)故障，這與配電網(wǎng)自動(dòng)化發(fā)展的趨勢(shì)并 不相稱[3-4]。 隨著 用戶對(duì)電 能質(zhì) 量要求的提高，如何快速、準(zhǔn)確地反應(yīng)斷線故障是供電部門應(yīng)該考慮的一個(gè)課題。

目前在城市電網(wǎng)中，中壓配電網(wǎng)變電站（比如35 kV 變電站）常用的一種接地方式是中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式， 小電阻的大小一般為 5.7 Ω[5]。 通過(guò)研究在這種接地方式的電網(wǎng)中發(fā)生單相斷線故障時(shí)，對(duì)用戶用電的影響，以及零序、負(fù)序電流、電壓的變化情況，提出利用零序或負(fù)序故障分量來(lái)反應(yīng)斷線故障的改進(jìn)方法。

1 單相斷線對(duì)用戶的影響

在城市中壓變電站中，較常用的變壓器接線方式是三角形—星型，其中星型側(cè)經(jīng)小電阻接地。為說(shuō)明單相斷線對(duì)用戶的影響，在該接線方式下，分析A相發(fā)生斷線故障時(shí)用戶側(cè)電壓的變化情況。

1.1 變壓器高壓側(cè)單相斷線的情況

不難看出圖1 所示變壓器是 Dyn1 型 接線。假設(shè)高壓側(cè)A相斷線，在這種情況下由于B與C相間電壓仍為正常線電壓，即圖中繞組兩端電壓同斷線前線電壓一樣，根據(jù)變壓器基本性質(zhì)可 得 低 壓 側(cè) 繞 組 兩 端 電 壓 也 應(yīng) 不 變 ， 同 斷 線前低壓側(cè) C 相正常相電壓一致， 即：

圖1 Dyn1 型接線變壓器高壓側(cè) A 相斷線示意圖

由于A相斷線，所以流經(jīng)高壓A相和B相繞 組 的 電 流 向 量 應(yīng) 該 完 全 一 致 ， 即大小和方向應(yīng)相同，對(duì)于高壓三相繞組有：

又

所以

則低壓側(cè)繞組兩端電壓有：

即：

故低壓側(cè)C相電壓大小、方向均不變，而A相與 B 相的電壓大小變?yōu)樵瓉?lái)的 0.5 倍， 且方向與 C 相 電壓 相 反。 由 于代 入 式 （1） ， 可 得 低 壓 側(cè) 線 電 壓 ：

考慮到故障前正常線電壓 Ul0大 小 為其 中 Up0

h是故障前相電壓模值， 所以：

最后考慮低壓側(cè)相對(duì)地電壓。因?yàn)橐呀?jīng)求得相電壓，所以問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為求中性點(diǎn)O點(diǎn)電壓。由于高壓側(cè)是三角形連接，如果A相斷線，在三角型接法繞組內(nèi)沒(méi)有零序電流，低壓側(cè)也就無(wú)感應(yīng)零序電動(dòng)勢(shì)，即無(wú)零序電流，所以中性點(diǎn)電壓為零，即用戶側(cè)相電壓和相對(duì)地電壓相同。

由上分析可知，如果高壓側(cè)A相斷線，那么在低壓側(cè)（即用戶側(cè)），a 與 b 相電壓大小變?yōu)樵瓉?lái)的 0.5 倍， c 相電壓不變， 該結(jié)論對(duì)低壓側(cè)相對(duì)地電壓同樣適用；而 ab 線電壓變?yōu)?0， bc 與ca 線電壓變?yōu)樵瓉?lái)的 0.866 倍， 顯然用戶端的電壓下降，用戶往往可以覺(jué)察到斷線故障的發(fā)生。

1.2 低壓側(cè)單相斷線

為便于分析，假設(shè)負(fù)載為星型對(duì)稱連接，變壓器低壓側(cè)繞組看成電源，系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 低壓側(cè)單相斷線示意圖

2 單相斷線故障分量的分析[6]

故障分量一般包含負(fù)序電壓、電流和零序電壓、電流，下面對(duì)單相斷線后各故障分量進(jìn)行分析。圖3為小電阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相斷線后的示意圖，在這類系統(tǒng)中，往往各級(jí)變壓器都是三角形—星型連接，且在每一級(jí)電網(wǎng)中都僅存在一個(gè)中性點(diǎn)接地點(diǎn)。 L1是故障線路， 其中 A 相斷線，L2是除了 L1之外所有非故障線路的等效線路。 母線1是第一級(jí)變電站低壓側(cè)母線，母線2是第二級(jí)變電站高壓側(cè)母線，母線3是低壓側(cè)母線，這3條母線上均裝有帶開(kāi)口三角的 TV。

圖3 小電阻接地系統(tǒng)單相斷線示意圖

2.1 零序分量分析

對(duì)于圖3所示的典型系統(tǒng)，發(fā)生單相斷線故障后， 由于第一級(jí)變電站存在一個(gè)接地點(diǎn) O，而下一級(jí)變電站中高壓側(cè)是三角形接線，所以該系統(tǒng)僅有 1 個(gè)接地點(diǎn)， 零序網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有通路， 故 3I0= 0。 為便于分析零序電壓， 可將圖3 轉(zhuǎn)化為圖4。

圖4 零序分量分析圖

圖4 中， XS，0是除故障線路之外系統(tǒng)（包括非故障線路）的等效零序阻抗， U0是斷線故障點(diǎn)零序電壓分量， XL1，0是故障線路（至母線 2）的零序阻抗，由于母線2后的變壓器高壓側(cè)是三角形接線， 所以可以看作零序網(wǎng)絡(luò)開(kāi)路。 TV1 和 TV2 分別是母線1和母線2上帶有開(kāi)口三角的壓變。由于 3I0=0， 故第一級(jí)變壓器中性點(diǎn)電阻無(wú)壓降，即 U0=0， 也即母線 1 上的零序電壓是 0， 從而該母線上的壓變開(kāi)口三角給出， 所以母線1 上的壓變無(wú)法發(fā)出 3U0超過(guò)整定值的信號(hào)； 對(duì)于母線 2 上的壓變 TV2， 有從而即 TV2 可以 測(cè)到 零序 電壓 ， 該值 取決于 U0的大小，而 U0的值可以利用圖5 計(jì)算。

圖5 零序電壓分量計(jì)算簡(jiǎn)圖

一 般 情 況 X1≈X2， 所 以 U0≈ ES/2 ， 故3U0≈1．5ES。 在小電阻接地系統(tǒng)中， 所采用的壓變開(kāi)口三角繞組額定電壓常為 100/3 V， 如果系統(tǒng)零序電壓 U0為 ES，即 3U0=3ES， 那么開(kāi)口三角給出 的 零 壓 為 100 V， 而 現(xiàn) 在 3U0≈1．5ES， 所 以 開(kāi)口三角形給出的 3U0約 50 V，這足以避開(kāi)不平衡電壓，并能靈敏地發(fā)出信號(hào)。比如在上海地區(qū)中壓電網(wǎng)中， 用于發(fā)信的零序電壓一般整定為 20～30 V，此時(shí)開(kāi)口三角給出的零序電壓足以使零序過(guò)壓保護(hù)發(fā)出信號(hào)。

2.2 負(fù)序分量分析

區(qū)別于零序電流，在圖3所示系統(tǒng)中負(fù)序電流有回路；另外，如果僅考慮負(fù)序分量，由于該分量是三相對(duì)稱的， 此時(shí)中性點(diǎn)電壓等于 0，即U0，負(fù)序=0。 圖6 為負(fù)序分量分析圖， 其中 O 點(diǎn)是系統(tǒng)的中性點(diǎn)。

圖6 負(fù)序分量分析圖

圖6 中 XS，2是除故障線路之外系統(tǒng)的等效負(fù)序阻抗， U2是斷線故障點(diǎn)負(fù)序電壓分量， XL1，2是故障線路（至母線2）負(fù)序阻抗，為母線 2后 的 負(fù) 序 阻 抗 ，由 式 （4）可 得則負(fù)序電流為：

母線 1，2的負(fù)序電壓分別為：

一般情況下系統(tǒng)阻抗較小，對(duì)于無(wú)窮大系統(tǒng)XS，2→ 0， 所以由式（6）可知母線 1 處負(fù)序電壓很小， 母線 2 處負(fù)序電壓則取決于 XL1，2/X母線2，2的大小， 該比值越小， X母線2，2越大。 實(shí)際上該比值一般很小， 因?yàn)?X母線2，2包含負(fù)載的負(fù)序阻抗， 而負(fù)載的負(fù)序阻抗一般遠(yuǎn)大于饋線自身負(fù)序阻抗，所以 X母線2，2接近于 0.5ES， 這足以躲過(guò)負(fù)序電壓過(guò)濾器的不平衡輸出以及三相不平衡產(chǎn)生的負(fù)序電壓，從而不難對(duì)負(fù)序電壓繼電器進(jìn)行整定，并且保證有較高的靈敏度。

3 繼電保護(hù)裝置難以反應(yīng)單相斷線故障的原因以及對(duì)策

3.1 現(xiàn)有保護(hù)不反應(yīng)斷線故障

目前中壓配電網(wǎng)中配置的保護(hù)是分段電流保護(hù)（包括反時(shí)限過(guò)流保護(hù)），小電阻接地系統(tǒng)一般還配有零序電流保護(hù)。但是這些保護(hù)對(duì)于單相斷線故障反應(yīng)很不靈敏，甚至沒(méi)有反應(yīng)。

過(guò)電流保護(hù)要躲開(kāi)最大負(fù)荷電流。由于線電壓和相電壓不會(huì)升高（不考慮斷線諧振）， 如果線路斷線，一般不會(huì)產(chǎn)生使過(guò)流保護(hù)啟動(dòng)的電流，所以過(guò)流保護(hù)一般不會(huì)對(duì)單相斷線故障做出反應(yīng)。

如圖3所示的典型系統(tǒng)發(fā)生單相斷線故障后， 由于僅存在 1 個(gè)接地點(diǎn)， 故 3I0=0， 零流保護(hù)不會(huì)有任何反應(yīng)，所以有必要考慮采用合適的方法有效地反應(yīng)這類故障。

3.2 利用下一級(jí)變電站高壓側(cè)母線零序電壓

圖3中發(fā)生單相斷線故障后，雖然母線1上的零序電壓很小，但是母線2上零序電壓卻很大， 約為 0.5 倍的正常相電壓， 如果在母線 2 上裝設(shè)帶有開(kāi)口三角的壓變，并通過(guò)自動(dòng)化設(shè)備將信號(hào)傳往調(diào)度，那么一旦發(fā)生斷線故障，調(diào)度馬上會(huì)收到信號(hào)，便于快速作出判斷。以 35 kV 變電站為例， 由于 10 kV 出線的下一級(jí)一般是開(kāi)關(guān)站、 街坊站或用戶站， 在其 10 kV 母線上裝設(shè)壓變并不是一件困難的事情，且投資不是很大，上海浦東地區(qū)有些新上開(kāi)關(guān)站已經(jīng)配有壓變。通過(guò)對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行改造，不難實(shí)現(xiàn)通過(guò)開(kāi)口三角輸出電壓來(lái)判斷斷線故障的目標(biāo)。

值得注意的是，母線 3上的壓變無(wú)零壓輸出，也就是說(shuō)，如果某線路發(fā)生斷線，只有以該線路為進(jìn)線的下一級(jí)變電站的高壓母線（母線 2）所帶壓變才能給出較高的零序電壓，而其他壓變包括上一級(jí)母線（母線 1）和再下一級(jí)母線（母線3）都沒(méi)有零序電壓。 所以為提高供電質(zhì)量， 可以考慮在重要線路之后的母線上裝設(shè)壓變，以提高該線路發(fā)生斷線后的故障處理速度。

雖然各類接地故障也會(huì)產(chǎn)生零序電壓，但其故障現(xiàn)象和斷線故障有明顯區(qū)別：在小電阻接地系統(tǒng)中，發(fā)生接地故障時(shí)，非故障相電壓升高；而發(fā)生斷線故障時(shí)，除非在參數(shù)配合下產(chǎn)生鐵磁諧振，一般不會(huì)伴隨明顯的電壓升高。

3.3 通過(guò)負(fù)序電壓或電流判斷

根據(jù)以上分析，發(fā)生斷線故障后母線1處負(fù)序電壓較小，而母線2處負(fù)序電壓較大，接近于0.5 倍相電壓，如果在母線 2 上裝設(shè)負(fù)序電壓過(guò)濾器，那么也會(huì)很靈敏地發(fā)現(xiàn)斷線線路。

另外，因?yàn)槟妇€1處負(fù)序電壓很小，即非故障線路兩端負(fù)序電壓很小，所以通過(guò)非故障線路的負(fù)序電流很小，但是通過(guò)故障線路的負(fù)序電流卻很大，所以可以考慮在各條出線上裝設(shè)負(fù)序電流過(guò)濾器并在站內(nèi)安裝選線裝置。如果某條線路的負(fù)序電流大于整定值時(shí)，則發(fā)出斷線信號(hào)，調(diào)度便可根據(jù)收到的斷線信號(hào)安排巡視，加快斷線故障的處理。 負(fù)序電流整定值 Idz，2可以按照躲開(kāi)其他線路發(fā)生斷線故障產(chǎn)生的負(fù)序電流 I2′確定，即其中 k 為可靠系數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

小電阻接地系統(tǒng)在現(xiàn)代城市的中壓配電網(wǎng)中越來(lái)越普及，變壓器最常見(jiàn)的接線方式是三角形—星型接線。針對(duì)這類典型系統(tǒng)，分析了單相斷線對(duì)用戶產(chǎn)生的影響，單相斷線產(chǎn)生的故障分量包括負(fù)序、零序電壓和電流，分析說(shuō)明了目前配置的繼電保護(hù)裝置難以反應(yīng)單相斷線故障的原因，可根據(jù)斷線后出現(xiàn)的零序和負(fù)序分量，快速反應(yīng)單相斷線故障。

[1]王薇，葉遠(yuǎn)波．一起斷線加單相接地故障的保護(hù)動(dòng)作分析[J]．上 海 電 力 ，2008，21（4）∶392－394．

[2]楊 洪 波 ， 任 小 炯 ．變 壓 器 斷 線 對(duì) 用 電 設(shè) 備 的 影 響[J]．電力學(xué)報(bào),2001，16（4）∶301－302．

[3]屈 剛 ， 李 長(zhǎng) 凱 ．配 電 網(wǎng) 架 空 線 路 斷 線 故 障 定 位[J]．電 力自動(dòng)化設(shè)備，2005，25（12）∶35－38．

[4]陽(yáng) 家 書(shū) ， 李 國(guó) 友 ，孫 建 華．一 次 110 kV 線 路 單 相 斷 線 故障 的 繼 電 保 護(hù) 動(dòng) 作 分 析 [J]．繼 電 器 ，2007，35（22）∶58－60．

[5]林志超．中壓電網(wǎng)系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的選擇與應(yīng)用[J]．高電壓技術(shù)，2004，30（4）∶60－61．

[6]李 光 琦 ．電 力 系 統(tǒng) 暫 態(tài) 分 析[M]．北 京 ： 中 國(guó) 電 力 出 版社， 1995．

（本文編輯：楊 勇）

Analysis and Countermeasures of Single-phase Disconnection Fault in Low Resistance Grounding System

SHENG Fang-zheng， CHEN Fu-liang，F(xiàn)AN Bing-han，WANGWen-cheng
（Pudong Power Supply Company of SMEPC， Shanghai200122， China）

Low resistance grounding system is very common in urban medium voltage distribution networks, and there is usually no relay protection against disconnection fault in these systems.When such faults occur, these are always found by the users first.And there is delay for power supply companies to dealwith this type of fault.Through the analysis of the impactof single-phase disconnection on high-voltage and low-voltage sides of transformers on the users，this paper calculates the zero sequence and negative sequence components after the fault and proves the relay protection of overcurrent and zero sequence current in the existing distribution networks is difficult to respond to this kind of fault.In addition， it proposes the ways of improvement in detecting faults bymeans of zero sequence and negative sequence components.

low resistance grounding； single-phase； disconnection； relay protection

TM726

： A

： 1007-1881（2011）07-0006-04

2011-01-14

盛方正（1979-）， 男， 山東威海人， 博士研究生，工程師，從事變電運(yùn)行工作。