一起10kV線路單相斷線故障分析

徐紅喜，封 波，李 紅，伏祥運

(連云港供電公司，江蘇 連云港 222004)

1 故障簡述

2010年6月2日05:48，某110kV變電所10kV X線跳閘，重合成功。隨后10kV母線各相電壓異常，A相、C相電壓偏低，約5.6kV，B相電壓偏高，約為7.2kV，線電壓正常。電流由故障前的410 A降至70 A。隨后，X線部分用戶反映電壓低，生產設備不能正常啟動。06:57，檢查發現10kV X線2號塔B相刀閘燒壞脫落，拉開X開關后，電壓恢復正常。該變電所接線方式如圖1所示。故障后經核實，10kV 3條出線均為架空線路，Z線約2 km，Y線約9 km，X線約10 km。

圖1 變電所主接線圖

2 簡要分析

2.1 電壓異常分析

不考慮負載阻抗和系統阻抗，圖2給出了系統對地簡化的等效電路圖。圖2中，N為虛擬的中性點；為系統對虛擬中性點的三相電壓；O點為地；YA，YB，YC分別為系統三相對地的導納，主要是由線路和母線的對地電容、電壓互感器的對地阻抗等組成；U˙NO為電源虛擬中性點和地之間的電勢差。由于電源的虛擬中性點和地之間沒有電流通路，即這兩點之間僅有電勢差但沒有電流。因此，在圖中用虛線表示。為了分析方便，假設系統電壓是理想的三相對稱：

圖2 簡化系統等效電路圖

當10kV X線2號塔B相刀閘燒壞脫落時，則該條線路B相對地電容減小。因此，系統B相和A相、C相相比，對地電容減小，YB比YA和YC要小，這樣將造成了中性點的偏移。假設YA和YC相同的情況下，U˙NO中將含有與A相和C相電壓反方向的電壓成份，如圖3所示。中性點對地產生了偏移，這時A相、C相對地電壓降低，B相對地電壓增加。這一點與10kV系統電壓B相升高，A相、C相降低相符。因為該變電所出線皆為架空線路，10kV X線線路較長，且為2號塔斷線，所以YB減少得多，電壓中性點偏移比較明顯。在此，若考慮負荷情況，則三相電壓分布略有變化，總的變化趨勢與圖3相似。

圖3 電壓向量圖

2.2 單相斷線電壓分析

圖4 系統圖

通過上面分析得知，斷口前端斷線相對地電壓略升高，另兩相對地電壓略降低且幅值相等。通過計算可得出U˙NO最大為 0.5 倍U˙B，最小為 0。 所以，斷線相一般不高于1.5倍相電壓，另兩相不低于0.866倍相電壓。對于斷口后端，非斷線相對地電壓與電源側一樣。若不計斷線相分布電容電流在負荷變壓器繞組上產生的微小壓降，B相斷線后AC間線電壓不變，A相與B相和B相與C相間共同承擔反向的線電壓U˙CA。斷口后端B相電壓偏移至C相、A相間電壓的中分點。此時電壓向量圖如圖5所示。

圖5 單相斷線兩端懸空向量圖

從圖5可知，斷口后端三相電壓降低，斷線相U'BO小于0.5倍相電壓且方向與U˙B相反，另兩相不低于0.866倍相電壓。同理，可以分析得出其他幾種單相斷線情況下斷口兩端電壓情況，如表1所示。

2.3 對低壓用戶的影響

2.3.1 電壓分析

一般的10kV配電變壓器采用Dyn11聯接組別，其接線示意如圖6所示。

其低壓側電壓為：

式（2—4）中：k為變壓器變比。

則低壓側a相的各序電壓為[1]：

由上述分析可知，高壓側B相斷線后，低壓側A相、B相電壓降低一半，C相電壓不變，正序電壓與負序電壓絕對值相等。

2.3.2 對用戶影響

對于單相用戶，因為C相電壓不變，所以對C相上的用戶供電無影響。而A相、B相上的用戶因電壓降低一半，照明燈光變暗，若為日光燈則可能無法正常運行。對于整流負荷，由于輸出直流電壓降低，將無法滿足用戶要求。單相電動機因電壓下降，主磁通將減小，勵磁電流相應減少，鐵心損耗也減少，在正常負載情況下，將引起電動機的轉速下降，轉差率增加，轉子電流增加，轉子銅損耗也隨之增加。由于銅損耗的增加大于鐵損耗的較少，因此，電動機總的損耗增加，將引起繞組發熱加劇，效率降低。若電壓下降過大，還可能造成電動機停轉。

表1 各種單相斷線類型電壓情況

圖6 Dyn11聯接變壓器接線圖

對于三相用戶，主要用電設備為電動機。由于三相電流不對稱，在電動機內部產生橢圓形旋轉磁場，使電磁轉矩不再是恒值，從而引起電動機振動、轉速不均勻和電磁噪聲[2]。正序電流產生的正序旋轉磁場與轉子繞組相互作用產生正向電磁轉矩，而負序電流產生的負序旋轉磁場與轉子繞組相互作用產生反向制動電磁轉矩，使電動機總電磁轉矩減小，致使啟動性能和過載能力下降，電動機出力減少，嚴重情況下造成電動機堵轉燒毀損壞。對于三相整流負載，直流側電壓波動增大，直流電壓不穩定，將影響直流設備的正常工作，影響產品質量。

10kV X線上多為石英廠，使用電動機較多，斷線后電壓的異常使得電動機不能正常工作，產生低壓釋放，這也是X線故障后電流大幅下降的原因。

2.3.3 應對措施

（1）用戶裝設低壓保護，在電壓異常可能造成設備損壞時快速切除設備，保證設備安全。

（2）配電變壓器裝設非全相保護，在高壓線路缺相運行時切除負荷，保證低壓用電安全。

（3）調度在確認線路斷線故障后立即拉停變電所出線開關，或故障點前分段開關，然后修復故障線路恢復送電。

3 仿真分析

為了進一步驗證上文分析的正確性，采用Matlab7.0 simlink模塊，針對單相斷線情況建立如圖7所示的仿真模型進行研究。仿真系統中，系統電壓為10.5kV，系統側線路對地電容3 μF，斷線線路對地電容0.3 μF，線路末端變壓器容量為1 MV·A，短路阻抗為8%，空載電流為2%。

圖7 仿真系統圖

圖8給出了系統側中性點電壓偏移情況，電壓偏移約為1.1kV。圖9給出了配變低壓側三相電壓波形圖，其中a相、b相電壓偏低，為額定值的一半，c相電壓正常。對其進行序分量分析可以知道，其中正序、負序分量相同，均為額定電壓的一半。

圖8 中性點偏移電壓

圖9 配變低壓側電壓

通過仿真結果可以看出，單相斷線后系統側中性點電壓將會發生偏移，同時由于缺相運行，配變低壓側兩相電壓降低，且出現很多的負序分量，這與前文的分析是吻合的。

4 結束語

斷線斷口兩端懸空時中性點偏移與線路長度、線路類型、斷線點、線路條數都有關系。對于出線多、電纜線路長的變電所某條架空線路斷線，或者線路末端斷線，對10kV母線電壓影響很小，憑電壓或電流波動情況并不能判斷出斷線。因此，當變電所10kV母線電壓異常，要結合電壓、電流以及用戶反應的情況，才能正確判斷出線路故障類型。

斷線后部分低壓用戶設備將不能正常運行甚至會損壞。因此，作為供電部門一方面要加強巡視，減少斷線故障發生幾率；另一方面敦促用戶裝設相應的保護裝置，減小設備損害風險。

[1]李光琦.電力系統暫態分析[M].北京：中國電力出版社，1995.

[2]葉水音.電機學[M].北京：中國電力出版社，2005.