小電阻接地系統單相斷線故障分析及對策研究

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）

小電阻接地系統單相斷線故障分析及對策研究

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）

在城市中壓配電網中小電阻接地系統是很常見的，這類系統一般不會配置專門用于反應斷線故障的繼電保護裝置，發生斷線故障后往往由用戶首先發現，供電部門在處理這類故障時存在延時問題。為此，分析了變壓器高壓和低壓側單相斷線對用戶造成的影響，計算出故障后零序、負序分量，證明目前配電網通常配置的過流和零序過流保護難以反應此類故障，提出了利用零序和負序故障分量對單相斷線故障進行判斷的改進方法。

小電阻接地；單相；斷線；繼電保護

0 引言

單相斷線故障是配電網較常發生的故障，由于配電線路自身的特點，當某饋線發生單相斷線故障時，引起的母線相電壓、相電流變化不明顯，從而不易被發現，但持續不對稱運行將對用戶產生不利影響。非全相運行時，雖然與短路故障相比后果一般較小，但是對電力系統的影響還是不應小視，應盡快確定故障線路并及時報警[1-2]。目前中壓配電網一般不會配置專門反應斷線故障的保護裝置，往往帶故障運行很長時間由用戶反映后供電部門才發現故障，這與配電網自動化發展的趨勢并 不相稱[3-4]。 隨著 用戶對電 能質 量要求的提高，如何快速、準確地反應斷線故障是供電部門應該考慮的一個課題。

目前在城市電網中，中壓配電網變電站（比如35 kV 變電站）常用的一種接地方式是中性點經小電阻接地方式， 小電阻的大小一般為 5.7 Ω[5]。 通過研究在這種接地方式的電網中發生單相斷線故障時，對用戶用電的影響，以及零序、負序電流、電壓的變化情況，提出利用零序或負序故障分量來反應斷線故障的改進方法。

1 單相斷線對用戶的影響

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，其中星型側經小電阻接地。為說明單相斷線對用戶的影響，在該接線方式下，分析A相發生斷線故障時用戶側電壓的變化情況。

1.1 變壓器高壓側單相斷線的情況

不難看出圖1 所示變壓器是 Dyn1 型 接線。假設高壓側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，根據變壓器基本性質可 得 低 壓 側 繞 組 兩 端 電 壓 也 應 不 變 ， 同 斷 線前低壓側 C 相正常相電壓一致， 即：

圖1 Dyn1 型接線變壓器高壓側 A 相斷線示意圖

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

又

所以

則低壓側繞組兩端電壓有：

即：

故低壓側C相電壓大小、方向均不變，而A相與 B 相的電壓大小變為原來的 0.5 倍， 且方向與 C 相 電壓 相 反。 由 于代 入 式 （1） ， 可 得 低 壓 側 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：

最后考慮低壓側相對地電壓。因為已經求得相電壓，所以問題就轉化為求中性點O點電壓。由于高壓側是三角形連接，如果A相斷線，在三角型接法繞組內沒有零序電流，低壓側也就無感應零序電動勢，即無零序電流，所以中性點電壓為零，即用戶側相電壓和相對地電壓相同。

由上分析可知，如果高壓側A相斷線，那么在低壓側（即用戶側），a 與 b 相電壓大小變為原來的 0.5 倍， c 相電壓不變， 該結論對低壓側相對地電壓同樣適用；而 ab 線電壓變為 0， bc 與ca 線電壓變為原來的 0.866 倍， 顯然用戶端的電壓下降，用戶往往可以覺察到斷線故障的發生。

1.2 低壓側單相斷線

為便于分析，假設負載為星型對稱連接，變壓器低壓側繞組看成電源，系統如圖2所示。

圖2 低壓側單相斷線示意圖

2 單相斷線故障分量的分析[6]

故障分量一般包含負序電壓、電流和零序電壓、電流，下面對單相斷線后各故障分量進行分析。圖3為小電阻接地系統發生單相斷線后的示意圖，在這類系統中，往往各級變壓器都是三角形—星型連接，且在每一級電網中都僅存在一個中性點接地點。 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是第一級變電站低壓側母線，母線2是第二級變電站高壓側母線，母線3是低壓側母線，這3條母線上均裝有帶開口三角的 TV。

圖3 小電阻接地系統單相斷線示意圖

2.1 零序分量分析

對于圖3所示的典型系統，發生單相斷線故障后， 由于第一級變電站存在一個接地點 O，而下一級變電站中高壓側是三角形接線，所以該系統僅有 1 個接地點， 零序網絡沒有通路， 故 3I0= 0。 為便于分析零序電壓， 可將圖3 轉化為圖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（包括非故障線路）的等效零序阻抗， U0是斷線故障點零序電壓分量， XL1，0是故障線路（至母線 2）的零序阻抗，由于母線2后的變壓器高壓側是三角形接線， 所以可以看作零序網絡開路。 TV1 和 TV2 分別是母線1和母線2上帶有開口三角的壓變。由于 3I0=0， 故第一級變壓器中性點電阻無壓降，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口三角給出， 所以母線1 上的壓變無法發出 3U0超過整定值的信號； 對于母線 2 上的壓變 TV2， 有從而即 TV2 可以 測到 零序 電壓 ， 該值 取決于 U0的大小，而 U0的值可以利用圖5 計算。

圖5 零序電壓分量計算簡圖

一 般 情 況 X1≈X2， 所 以 U0≈ ES/2 ， 故3U0≈1．5ES。 在小電阻接地系統中， 所采用的壓變開口三角繞組額定電壓常為 100/3 V， 如果系統零序電壓 U0為 ES，即 3U0=3ES， 那么開口三角給出 的 零 壓 為 100 V， 而 現 在 3U0≈1．5ES， 所 以 開口三角形給出的 3U0約 50 V，這足以避開不平衡電壓，并能靈敏地發出信號。比如在上海地區中壓電網中， 用于發信的零序電壓一般整定為 20～30 V，此時開口三角給出的零序電壓足以使零序過壓保護發出信號。

2.2 負序分量分析

區別于零序電流，在圖3所示系統中負序電流有回路；另外，如果僅考慮負序分量，由于該分量是三相對稱的， 此時中性點電壓等于 0，即U0，負序=0。 圖6 為負序分量分析圖， 其中 O 點是系統的中性點。

圖6 負序分量分析圖

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

母線 1，2的負序電壓分別為：

一般情況下系統阻抗較小，對于無窮大系統XS，2→ 0， 所以由式（6）可知母線 1 處負序電壓很小， 母線 2 處負序電壓則取決于 XL1，2/X母線2，2的大小， 該比值越小， X母線2，2越大。 實際上該比值一般很小， 因為 X母線2，2包含負載的負序阻抗， 而負載的負序阻抗一般遠大于饋線自身負序阻抗，所以 X母線2，2接近于 0.5ES， 這足以躲過負序電壓過濾器的不平衡輸出以及三相不平衡產生的負序電壓，從而不難對負序電壓繼電器進行整定，并且保證有較高的靈敏度。

3 繼電保護裝置難以反應單相斷線故障的原因以及對策

3.1 現有保護不反應斷線故障

目前中壓配電網中配置的保護是分段電流保護（包括反時限過流保護），小電阻接地系統一般還配有零序電流保護。但是這些保護對于單相斷線故障反應很不靈敏，甚至沒有反應。

過電流保護要躲開最大負荷電流。由于線電壓和相電壓不會升高（不考慮斷線諧振）， 如果線路斷線，一般不會產生使過流保護啟動的電流，所以過流保護一般不會對單相斷線故障做出反應。

如圖3所示的典型系統發生單相斷線故障后， 由于僅存在 1 個接地點， 故 3I0=0， 零流保護不會有任何反應，所以有必要考慮采用合適的方法有效地反應這類故障。

3.2 利用下一級變電站高壓側母線零序電壓

圖3中發生單相斷線故障后，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 上裝設帶有開口三角的壓變，并通過自動化設備將信號傳往調度，那么一旦發生斷線故障，調度馬上會收到信號，便于快速作出判斷。以 35 kV 變電站為例， 由于 10 kV 出線的下一級一般是開關站、 街坊站或用戶站， 在其 10 kV 母線上裝設壓變并不是一件困難的事情，且投資不是很大，上海浦東地區有些新上開關站已經配有壓變。通過對相關設備進行改造，不難實現通過開口三角輸出電壓來判斷斷線故障的目標。

值得注意的是，母線 3上的壓變無零壓輸出，也就是說，如果某線路發生斷線，只有以該線路為進線的下一級變電站的高壓母線（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母線（母線 1）和再下一級母線（母線3）都沒有零序電壓。 所以為提高供電質量， 可以考慮在重要線路之后的母線上裝設壓變，以提高該線路發生斷線后的故障處理速度。

雖然各類接地故障也會產生零序電壓，但其故障現象和斷線故障有明顯區別：在小電阻接地系統中，發生接地故障時，非故障相電壓升高；而發生斷線故障時，除非在參數配合下產生鐵磁諧振，一般不會伴隨明顯的電壓升高。

3.3 通過負序電壓或電流判斷

根據以上分析，發生斷線故障后母線1處負序電壓較小，而母線2處負序電壓較大，接近于0.5 倍相電壓，如果在母線 2 上裝設負序電壓過濾器，那么也會很靈敏地發現斷線線路。

另外，因為母線1處負序電壓很小，即非故障線路兩端負序電壓很小，所以通過非故障線路的負序電流很小，但是通過故障線路的負序電流卻很大，所以可以考慮在各條出線上裝設負序電流過濾器并在站內安裝選線裝置。如果某條線路的負序電流大于整定值時，則發出斷線信號，調度便可根據收到的斷線信號安排巡視，加快斷線故障的處理。 負序電流整定值 Idz，2可以按照躲開其他線路發生斷線故障產生的負序電流 I2′確定，即其中 k 為可靠系數。

4 結語

小電阻接地系統在現代城市的中壓配電網中越來越普及，變壓器最常見的接線方式是三角形—星型接線。針對這類典型系統，分析了單相斷線對用戶產生的影響，單相斷線產生的故障分量包括負序、零序電壓和電流，分析說明了目前配置的繼電保護裝置難以反應單相斷線故障的原因，可根據斷線后出現的零序和負序分量，快速反應單相斷線故障。

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

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

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

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

[5]林志超．中壓電網系統中性點接地方式的選擇與應用[J]．高電壓技術，2004，30（4）∶60－61．

[6]李 光 琦 ．電 力 系 統 暫 態 分 析[M]．北 京 ： 中 國 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，FAN 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，從事變電運行工作。