蔡正梓，樊 亮，劉 輝，沙立成，孫鶴林，張印寶

（國(guó)網(wǎng)北京市電力公司電力調(diào)度控制中心，北京 西城 100031）

110 kV負(fù)荷線路承擔(dān)著大電網(wǎng)下送電力的任務(wù)，是城市配電網(wǎng)的重要組成部分。其數(shù)量多，覆蓋廣，所處環(huán)境惡劣多變。近年來(lái)，由于導(dǎo)線老舊、外力破壞以及雷擊等自然災(zāi)害的影響，斷線故障常有發(fā)生[1-3]。斷線故障產(chǎn)生的負(fù)序、零序分量會(huì)導(dǎo)致電能質(zhì)量下降，影響用戶的生產(chǎn)，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)勿動(dòng)，擴(kuò)大停電范圍[4]。此外，斷線導(dǎo)致架空線落地，容易造成火災(zāi)以及影響人畜的安全[5-6]。因此對(duì)架空負(fù)荷線路單相斷線故障特性展開(kāi)研究具有重要的意義。

國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的研究主要表現(xiàn)在以下幾方面：文獻(xiàn)[7]提出了一種基于智能配電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障處理方法，綜合計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的局部異常因子，實(shí)現(xiàn)斷線故障的檢測(cè)與定位。文獻(xiàn)[8]利用智能配電網(wǎng)中存在大量異構(gòu)多源的數(shù)據(jù)，從智能配電網(wǎng)中的應(yīng)用場(chǎng)景出發(fā)，對(duì)多源數(shù)據(jù)融合中的不良數(shù)據(jù)辨識(shí)分析，可為電網(wǎng)安全運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐。文獻(xiàn)[9]提出基于配用電信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)和改進(jìn)的隨機(jī)森林算法，用純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法來(lái)判斷識(shí)別線路斷線故障。文獻(xiàn)[7-9]從大數(shù)據(jù)分析的角度出發(fā)，具有一定的局限性，并且不具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的能力，實(shí)際應(yīng)用效果有待提高。文獻(xiàn)[10]提出了基于計(jì)算電流相量的架空線路斷線故障識(shí)別方法。文獻(xiàn)[11-12]利用健全線路故障后零序電流和故障前負(fù)荷電流的幅值及相位的區(qū)別來(lái)識(shí)別斷線故障。

上述文獻(xiàn)中從不同的角度提出了鑒別斷線故障的方法，具有一定的準(zhǔn)確性，然而在實(shí)際斷線情況下須迅速判斷出故障所在位置并采取緊急調(diào)度處置措施，結(jié)合實(shí)際工作從110 kV負(fù)荷線路單相斷線故障特性分析出發(fā)，提出斷線故障判斷方法以及調(diào)度策略。110 kV架空負(fù)荷線路斷線故障可分為單相斷線不接地故障、單相斷線電源側(cè)接地故障、單相斷線負(fù)荷側(cè)接地故障、單相斷線兩側(cè)均接地故障、兩相斷線、以及兩相斷線且一相或者兩相的一側(cè)或兩側(cè)接地等多種狀態(tài)[13-14]。鑒于兩相斷線及其各種狀態(tài)發(fā)生的概率較低，本文只針對(duì)單相斷線展開(kāi)研究。

1 110 kV負(fù)荷線路單相斷線故障特性分析

以A 相單相斷線為例進(jìn)行序網(wǎng)分析[15]，如圖1所示。

圖1 以A相斷線為例的電路圖

圖1中線路發(fā)生A相斷線，m、n為斷線處兩側(cè)的節(jié)點(diǎn)，m為斷線處電源側(cè)的節(jié)點(diǎn)，n為斷線處負(fù)荷側(cè)的節(jié)點(diǎn)；Ia、Ib、Ic分別為斷線后三相電流；ΔUa、ΔUb、ΔUc分別為三相斷線處的電壓降；ΔUa1為A相斷線處斷口的正序電壓降，ΔUa2為A相斷線處斷口的負(fù)序電壓降，ΔUa0為A相斷線處斷口的零序電壓降。A 相斷線的邊界條件：A 相斷線電流為0，故Ia=0；B、C 相沒(méi)有斷線，非斷線相斷線處（m、n處）電壓差為0，故ΔUb=ΔUc=0（斷線處的阻抗較小工程上可忽略不計(jì)）；將上述條件轉(zhuǎn)換成各序分量得：

由公式（1）可知A相的正序電流等于負(fù)序電流與零序電流之和，方向相反；由公式（2）、（3）、（4）可知斷口處電壓降的正負(fù)零序電壓都相同，因此可得A相的復(fù)合序網(wǎng)如圖2所示。

圖2 以A相斷線為例的復(fù)合序網(wǎng)

圖中Zm1為A 相斷口處到電源側(cè)的正序阻抗，Zn1為A 相斷口處到負(fù)荷側(cè)的正序阻抗，Z1=Zm1+Zn1；Zm2為A 相斷口處到電源側(cè)的負(fù)序阻抗，Zn2為A相斷口處到負(fù)荷側(cè)的負(fù)序阻抗，Z2=Zm2+Zn2，如電網(wǎng)中無(wú)旋轉(zhuǎn)設(shè)備則Z1=Z2；Zm0為A相斷口處到電源側(cè)的零序阻抗，Zn0為A相斷口處到負(fù)荷側(cè)的零序阻抗，Z0=Zm0+Zn0。為電源側(cè)電動(dòng)勢(shì)，Ena為負(fù)荷側(cè)電動(dòng)勢(shì)，ΔEa=Ema-Ena為斷相處m、n 兩側(cè)看進(jìn)去的等效電動(dòng)勢(shì)。Ia1為A 相斷線后的正序電流；Ia2為A 相斷線后的負(fù)序電流；Ia0為A 相斷線后的零序電流。由復(fù)合序網(wǎng)可求得各序電流為：

當(dāng)負(fù)荷電流不變時(shí)，斷線前A、B、C相的負(fù)荷電流，分別記為Iaf、Ibf、Icf；其中A相負(fù)荷電流為：

將公式（5）、（10）代入公式（8）可得到B相電流：

同理可得到C相電流：

2 負(fù)荷側(cè)不接地系統(tǒng)，斷線相兩側(cè)不接地的特性分析

因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)沒(méi)有零序阻抗，因此Z0=∞（無(wú)窮大）。非斷線相電流為：B相電流：

其三相相電流相量圖如圖3所示。

圖3 三相相電流相量圖

忽略了線路的對(duì)地電容后，110 kV 變電站站內(nèi)110 kV側(cè)主變中性點(diǎn)未接地，當(dāng)發(fā)生單相斷線，電源側(cè)的中性點(diǎn)將偏移到BC 線電壓的中點(diǎn)，則可得到負(fù)荷側(cè)三相相電壓相量圖如圖4所示。

圖4 三相相電壓相量圖

由圖3 可知，當(dāng)負(fù)荷站不接地系統(tǒng)，A 相斷線且斷線相兩側(cè)均不接地時(shí)，負(fù)荷站觀察到的B、C相電流為大小相同，方向相反的電流，系統(tǒng)中沒(méi)有零序分量，電源側(cè)的零序保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。

由圖4 可知，當(dāng)負(fù)荷站不接地系統(tǒng)，A 相斷線且斷線相兩側(cè)均不接地時(shí)，負(fù)荷站觀察到的A 相電壓為正常電壓的1/2，方向與正常時(shí)相反；B、C 相電壓與正常電壓一致。

當(dāng)A 相斷線時(shí)，合上負(fù)荷側(cè)站端母聯(lián)145 開(kāi)關(guān)時(shí)，系統(tǒng)變成了雙回線經(jīng)過(guò)母聯(lián)145 連接，系統(tǒng)兩側(cè)帶電源，兩側(cè)電源均接地的運(yùn)行方式，兩側(cè)電源均接地構(gòu)成零序通道，系統(tǒng)內(nèi)正序阻抗Z1、零序阻抗Z0值不同。當(dāng)斷線相原負(fù)荷電流Iaf較大時(shí)，則由公式（11）、（12）可知：Ib≠I(mǎi)c，系統(tǒng)內(nèi)必然產(chǎn)生零序電流。零序電流大小與負(fù)荷電流有關(guān)，負(fù)荷電流越大，零序電流越大。當(dāng)負(fù)荷電流大到一定程度時(shí)，會(huì)造成電源側(cè)雙回線零序保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)雙回線路，擴(kuò)大停電范圍。

3 負(fù)荷側(cè)不接地系統(tǒng)，斷線點(diǎn)負(fù)荷站側(cè)接地的特性分析

以A相單相斷線為例進(jìn)行分析，如圖5所示。

圖5 A相斷線點(diǎn)負(fù)荷側(cè)接地的電路圖

圖5中ZxA為A相斷口處到電源側(cè)的阻抗。ZIA為A相斷口處到負(fù)荷側(cè)主變連接處的阻抗。ZtA為主變A相帶負(fù)載后等效的阻抗。BC相同理。

圖6 為變壓器T 型等效電路圖，其中Zm為勵(lì)磁阻抗，一般情況下Zm很大。對(duì)主變來(lái)說(shuō)，負(fù)荷阻抗決定了主變帶負(fù)載后等效的阻抗ZtA。在圖1 中，若主變空載、輕載或正常運(yùn)行，ZtA很大；若主變重載，則ZtA較小。

圖6 變壓器T型等效電路圖

當(dāng)主變空載、輕載或正常運(yùn)行，ZtA很大時(shí)，圖5 的狀態(tài)和第二部分負(fù)荷站不接地系統(tǒng)，負(fù)荷側(cè)沒(méi)有電源，A 相單相斷線一致，不同點(diǎn)是負(fù)荷側(cè)有接地點(diǎn)。

當(dāng)ZIA很大時(shí)，假設(shè)為無(wú)窮大時(shí)，則與第二部分完全一樣：負(fù)荷站A相電壓為正常電壓的1/2，方向與正常時(shí)相反。B、C相電壓與正常電壓一致，A相無(wú)電流，B、C相電流大小相同，方向相反，基本無(wú)零序電流。

當(dāng)斷口接地點(diǎn)距離負(fù)荷站很近時(shí)，負(fù)荷站A 相電壓為0，A 相電流與B、C 相電流的合電流大小相同，方向相反。

因此，當(dāng)主變空載、輕載或正常運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷站中性點(diǎn)不接地，發(fā)生A 相斷線，且斷線處負(fù)荷站側(cè)接地時(shí)，負(fù)荷站的A 相電壓最低為0，最高為正常A相電壓的1/2，方向與正常時(shí)A相電壓相反，B、C相電壓與正常時(shí)電壓基本一致。如果A相有電流，A相電流與B、C相電流的合電流大小相同、方向相反。這種情況短路電流較?。ㄘ?fù)荷電流水平）。

當(dāng)主變重載運(yùn)行，ZtA較小時(shí)，圖5 的狀態(tài)可看做BC相間短路經(jīng)過(guò)渡阻抗接地與A相接地兩種狀態(tài)的疊加。這種短路狀態(tài)，零序保護(hù)和距離保護(hù)后備段可能會(huì)動(dòng)作。此時(shí)狀態(tài)為：負(fù)荷站的A 相電壓較低，接近為0；B、C相電壓角度小于120°，電壓小于正常電壓；A相電流與B、C相電流的合電流大小相同，方向相反，且數(shù)值較大（故障電流水平）。對(duì)電源側(cè)來(lái)說(shuō)，零序保護(hù)后備段應(yīng)該能動(dòng)作。

4 110 kV 負(fù)荷線路單相斷線故障的現(xiàn)象及調(diào)度策略

110 kV 負(fù)荷線路單相斷線后，有時(shí)不會(huì)造成線路保護(hù)動(dòng)作跳閘，而是引起線路不對(duì)稱運(yùn)行，產(chǎn)生零序和負(fù)序分量，對(duì)繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置的正確動(dòng)作產(chǎn)生嚴(yán)重影響。同時(shí)，因缺相運(yùn)行和電壓的不平衡，將導(dǎo)致工業(yè)用電、高鐵、地鐵等三相旋轉(zhuǎn)用電設(shè)備停運(yùn)，單相供電的普通居民停電。因此，在發(fā)生110 kV及以上負(fù)荷線路單相斷線時(shí)，即使線路未跳閘但實(shí)際已經(jīng)造成了部分停電，須調(diào)控值班人員高度重視，盡快分析判斷，快速有效處置。

經(jīng)上述分析，110 kV 及以上負(fù)荷線路發(fā)生單相斷線后，一般會(huì)發(fā)生以下現(xiàn)象：線路電源開(kāi)關(guān)斷線相電流下降明顯，斷線點(diǎn)負(fù)荷側(cè)線路所帶變電站斷線相電流降至0；斷線點(diǎn)負(fù)荷側(cè)線路所帶變電站斷線相電壓降至0（斷線點(diǎn)負(fù)荷側(cè)導(dǎo)線接地），或正常值的50%左右（斷線點(diǎn)負(fù)荷側(cè)導(dǎo)線懸空，未接地）；斷線點(diǎn)電源側(cè)線路所帶變電站電壓、電流均正常。以下以北京電網(wǎng)某次斷線故障為例進(jìn)行現(xiàn)象分析，圖7 為負(fù)荷站C 相單相斷線（斷線相兩側(cè)不接地）的電壓錄波圖（負(fù)荷站的錄波）；圖8為負(fù)荷站C相進(jìn)線單相斷線（斷線相兩側(cè)不接地）的電流錄波圖（負(fù)荷站的錄波）。從圖7 中可看出C 相的相電壓約為正常值的50%左右；從圖8 中可看出C 相的相電流約為0，進(jìn)而可得出上述的分析準(zhǔn)確可靠。

圖8 負(fù)荷站C相進(jìn)線單相斷線的電流錄波圖

發(fā)生以上現(xiàn)象時(shí)，值班調(diào)控員應(yīng)立即檢查線路各側(cè)變電站的電壓、電流變化，了解供電是否受到影響，排除TV 故障后，原則上可認(rèn)為線路發(fā)生單相斷線缺陷，可按以下調(diào)度策略進(jìn)行處置：應(yīng)盡快將線路所帶負(fù)荷倒出，將線路停運(yùn)；斷線點(diǎn)電源側(cè)線路所帶變電站（電壓、電流均正常），應(yīng)采取合環(huán)倒路的方式將負(fù)荷倒出；對(duì)于斷線點(diǎn)負(fù)荷側(cè)線路所帶的變電站（電壓、電流異常），采取拉停線路、站內(nèi)母聯(lián)自投的方式將負(fù)荷倒出，嚴(yán)禁合環(huán)操作，避免造成非故障線路跳閘，從而擴(kuò)大事故范圍；對(duì)于拉停后自投未動(dòng)作的情況，檢查進(jìn)線開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，立即合入母聯(lián)開(kāi)關(guān)。