一起10kV線路單相斷線故障分析

徐紅喜，封 波，李 紅，伏祥運(yùn)

(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(chǎn)設(shè)備不能正常啟動(dòng)。06:57，檢查發(fā)現(xiàn)10kV X線2號(hào)塔B相刀閘燒壞脫落，拉開X開關(guān)后，電壓恢復(fù)正常。該變電所接線方式如圖1所示。故障后經(jīng)核實(shí)，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(fù)載阻抗和系統(tǒng)阻抗，圖2給出了系統(tǒng)對地簡化的等效電路圖。圖2中，N為虛擬的中性點(diǎn)；為系統(tǒng)對虛擬中性點(diǎn)的三相電壓；O點(diǎn)為地；YA，YB，YC分別為系統(tǒng)三相對地的導(dǎo)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(diǎn)和地之間的電勢差。由于電源的虛擬中性點(diǎn)和地之間沒有電流通路，即這兩點(diǎn)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(shè)系統(tǒng)電壓是理想的三相對稱：

圖2 簡化系統(tǒng)等效電路圖

當(dāng)10kV X線2號(hào)塔B相刀閘燒壞脫落時(shí)，則該條線路B相對地電容減小。因此，系統(tǒng)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(diǎn)的偏移。假設(shè)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(diǎn)對地產(chǎn)生了偏移，這時(shí)A相、C相對地電壓降低，B相對地電壓增加。這一點(diǎn)與10kV系統(tǒng)電壓B相升高，A相、C相降低相符。因?yàn)樵撟冸娝鼍€皆為架空線路，10kV X線線路較長，且為2號(hào)塔斷線，所以YB減少得多，電壓中性點(diǎn)偏移比較明顯。在此，若考慮負(fù)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(tǒng)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(jì)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(cè)一樣。若不計(jì)斷線相分布電容電流在負(fù)荷變壓器繞組上產(chǎn)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(dān)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(diǎn)。此時(shí)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(lián)接組別，其接線示意如圖6所示。

其低壓側(cè)電壓為：

式（2—4）中：k為變壓器變比。

則低壓側(cè)a相的各序電壓為[1]：

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

2.3.2 對用戶影響

對于單相用戶，因?yàn)镃相電壓不變，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(yùn)行。對于整流負(fù)荷，由于輸出直流電壓降低，將無法滿足用戶要求。單相電動(dòng)機(jī)因電壓下降，主磁通將減小，勵(lì)磁電流相應(yīng)減少，鐵心損耗也減少，在正常負(fù)載情況下，將引起電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)差率增加，轉(zhuǎn)子電流增加，轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)總的損耗增加，將引起繞組發(fā)熱加劇，效率降低。若電壓下降過大，還可能造成電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。

表1 各種單相斷線類型電壓情況

圖6 Dyn11聯(lián)接變壓器接線圖

對于三相用戶，主要用電設(shè)備為電動(dòng)機(jī)。由于三相電流不對稱，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場，使電磁轉(zhuǎn)矩不再是恒值，從而引起電動(dòng)機(jī)振動(dòng)、轉(zhuǎn)速不均勻和電磁噪聲[2]。正序電流產(chǎn)生的正序旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組相互作用產(chǎn)生正向電磁轉(zhuǎn)矩，而負(fù)序電流產(chǎn)生的負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組相互作用產(chǎn)生反向制動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)總電磁轉(zhuǎn)矩減小，致使啟動(dòng)性能和過載能力下降，電動(dòng)機(jī)出力減少，嚴(yán)重情況下造成電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)燒毀損壞。對于三相整流負(fù)載，直流側(cè)電壓波動(dòng)增大，直流電壓不穩(wěn)定，將影響直流設(shè)備的正常工作，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

10kV X線上多為石英廠，使用電動(dòng)機(jī)較多，斷線后電壓的異常使得電動(dòng)機(jī)不能正常工作，產(chǎn)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(yīng)對措施

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

（2）配電變壓器裝設(shè)非全相保護(hù)，在高壓線路缺相運(yùn)行時(shí)切除負(fù)荷，保證低壓用電安全。

（3）調(diào)度在確認(rèn)線路斷線故障后立即拉停變電所出線開關(guān)，或故障點(diǎn)前分段開關(guān)，然后修復(fù)故障線路恢復(fù)送電。

3 仿真分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)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(jìn)行研究。仿真系統(tǒng)中，系統(tǒng)電壓為10.5kV，系統(tǒng)側(cè)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(tǒng)圖

圖8給出了系統(tǒng)側(cè)中性點(diǎn)電壓偏移情況，電壓偏移約為1.1kV。圖9給出了配變低壓側(cè)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(jìn)行序分量分析可以知道，其中正序、負(fù)序分量相同，均為額定電壓的一半。

圖8 中性點(diǎn)偏移電壓

圖9 配變低壓側(cè)電壓

通過仿真結(jié)果可以看出，單相斷線后系統(tǒng)側(cè)中性點(diǎn)電壓將會(huì)發(fā)生偏移，同時(shí)由于缺相運(yùn)行，配變低壓側(cè)兩相電壓降低，且出現(xiàn)很多的負(fù)序分量，這與前文的分析是吻合的。

4 結(jié)束語

斷線斷口兩端懸空時(shí)中性點(diǎn)偏移與線路長度、線路類型、斷線點(diǎn)、線路條數(shù)都有關(guān)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(dòng)情況并不能判斷出斷線。因此，當(dāng)變電所10kV母線電壓異常，要結(jié)合電壓、電流以及用戶反應(yīng)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(shè)備將不能正常運(yùn)行甚至?xí)p壞。因此，作為供電部門一方面要加強(qiáng)巡視，減少斷線故障發(fā)生幾率；另一方面敦促用戶裝設(shè)相應(yīng)的保護(hù)裝置，減小設(shè)備損害風(fēng)險(xiǎn)。

[1]李光琦.電力系統(tǒng)暫態(tài)分析[M].北京：中國電力出版社，1995.

[2]葉水音.電機(jī)學(xué)[M].北京：中國電力出版社，2005.