基于直流信號注入的低壓配電網中性線斷線檢測方法*

江智彬，鄧劉毅

廣東電網有限責任公司 茂名供電局 廣東茂名 525000

1 項目背景

在三相四線制低壓配電系統(tǒng)中，中性線的作用是當三相負載不對稱時保證中性線的電位為零，以消除中性點電位變化，使各相電壓保持對稱，即各相負載的相電壓恒等于電源相電壓[1]。三相中若有一相斷路，只會影響本相，其余兩相電壓仍保持不變，接在此兩相上的電器設備仍能正常工作[2]。中性線的存在，使三相電壓保持穩(wěn)定平衡[3]。

如果中性線接地不良或斷線，將發(fā)生中性點偏移現(xiàn)象，三相電壓不能保持平衡。這時線電壓仍然對稱不變，但各相負載承受的電壓則發(fā)生改變[4-5]。有的相負載所承受的電壓低于額定電壓，有的相負載所承受的電壓將會高于額定電壓，嚴重時可能造成用電設備燒壞或導致負載中電壓降低而不能正常工作，影響用戶的使用，甚至會對人身安全構成威脅[6-7]。

目前防止中性線斷線的措施包括[8-9]：平衡三相負荷，使中性線電流盡量減小；加大中性線的導線截面積；消除銅鋁接頭；采用三相五線制系統(tǒng)；配電線路重復接地等。以上措施都是從預防中性線斷線角度出發(fā)的。中性線受到熱效應、機械力接頭氧化或外力等因素的影響，都有可能引發(fā)斷線故障[10-12]，因此有效檢測出中性線所發(fā)生的斷線故障，并且迅速給出切除負載的信號，對保護用戶及用電設備安全具有重要意義。

筆者提出一種基于直流信號注入的中性線斷線檢測方法，利用小信號注入原理，根據(jù)斷線前后采樣電阻電壓的差異實現(xiàn)斷線檢測。為了確定斷線點所在位置，設置斷線點定位單元，若干個定位單元將中性線分成若干區(qū)間，通過比較采樣電阻的電壓差異，可以判斷斷線點所在的區(qū)間。

2 中性線斷線檢測原理

中性線斷線檢測電路原理如圖1所示，斷線檢測裝置在虛線框內，虛線框左側為A、B、C三相電源，右側為三相負載，N代表系統(tǒng)中性線，檢測裝置包括電壓互感器PT、電容器Cs、直流電壓源Es及采樣電阻Rz。電壓互感器與被保護的負載并聯(lián)運行，并由其開口三角形繞組得到零序電壓。電容器與電壓互感器串聯(lián)，電容器兩端與采樣電阻及直流電壓源并聯(lián)。

圖1 中性線斷線檢測電路原理

當系統(tǒng)中性線未斷開時，等效電路如圖2(a)所示，rs為變壓器二次繞組的等效電阻，rL為電壓互感器直流電阻，R為負載電阻。由于變壓器二次繞組等效電阻和電壓互感器直流電阻阻值很小，可忽略，因此直流電壓源經系統(tǒng)線路形成回路，直流電壓基本降落在采樣電阻上，則采樣電阻上的電壓為：

URz=Es

(1)

圖2(b)所示為中性線斷線時的等效電路圖，采樣電阻與負載電阻呈分壓關系，則采樣電阻上的電壓為：

(2)

式(2)中，采樣電阻上的電壓降比式(1)中采樣電阻上的電壓降小很多，由此可根據(jù)采樣電阻上的電壓差異判斷是否發(fā)生中性線斷線故障。

圖2 中性線斷線檢測等效電路圖

由于斷線檢測裝置只給出中性線斷線通知，并不發(fā)出跳閘指令，因此在負載對稱運行條件下，即使中性線斷線也不影響負載正常運行，此時可以通過電壓互感器測得零序電壓，若零序電壓也超出閾值，則給出跳閘指令切除電源以保護負載安全。

3 斷線故障點定位

3．1 結構及原理

為了較精確地定位斷線點，在圖1的基礎上增加若干斷線點定位單元，結構如圖3所示。圖中包括基于直流信號注入的斷線檢測裝置和2個斷線定位單元，斷線定位單元由三組電阻電感電容(RLC)諧振電路組成，電感電容(LC)并聯(lián)部分對50Hz的交流電形成諧振，等效電阻無窮大，阻斷交流電流入斷線定位單元。因此每個斷線定位單元對直流電壓源的阻抗為R，諧振電路為直流電壓源提供通路同時不影響電網本身供電。

圖3 斷線點定位單元電路圖

根據(jù)線路實際需要設置斷線點定位單元個數(shù)。當中性線出現(xiàn)斷線故障時，采樣電阻上的電壓會隨著斷線點的不同而有規(guī)律的變化，即斷線點越接近小信號注入單元，采樣電阻上分得的電壓就越小。

3．2 等效電路模型分析

以三個斷線點定位單元為例，在直流檢測信號下的等效阻抗分別用R1、R2、R3表示，三者阻值相同。如圖4所示，三個定位單元將中性線劃分成a、b、c三個區(qū)間，當系統(tǒng)正常運行時，由于變壓器二次繞組等效電阻和電壓互感器直流電阻阻值很小，可忽略，因此R1、R2被短路，采樣電阻上的電壓為：

圖4 斷線故障點定位等效電路圖

(3)

當a區(qū)間出現(xiàn)斷線故障時，變壓器二次繞組等效電阻所在支路斷路，則與采樣電阻串聯(lián)的等效電阻Re1為：

(4)

相應得采樣電阻上的電壓為：

(5)

當b區(qū)間出現(xiàn)斷線故障時，變壓器二次繞組等效電阻與R1所在支路斷路，則與采樣電阻串聯(lián)的等效電阻Re2為：

(6)

相應得采樣電阻上的電壓為：

(7)

當c區(qū)間出現(xiàn)斷線故障時，變壓器二次繞組等效電阻、R1、R2所在支路斷路，則與采樣電阻串聯(lián)的等效電阻Re3為R3+R，采樣電阻上的電壓為：

(8)

由此可知，Re1URz1>URz2>URz3，可得如下規(guī)律：中性線斷線點離負載越近，采樣電阻上的電壓值就越小。

4 仿真驗證

圖5 斷線檢測電路仿真圖

圖6為三相負載對稱和不對稱時采樣電阻電壓的波形。當t=0.3s時，中性線斷開，可以看出負載對稱時，采樣電阻電壓在0.3s后大幅度下降，斷線前電壓為4.973V，斷線后為1.366V。當負載不對稱時，斷線前后采樣電阻上電壓也發(fā)生顯著變化，斷線前電壓最大值為4.945V，斷線后電壓穩(wěn)定值為1.371V，因此可通過比較相應閾值判斷中性線狀態(tài)。

圖6 斷線檢測仿真中采樣電阻電壓波形

按圖3所示在圖5的基礎上加入斷線點定位單元，定位單元中的等效電阻R1=R2=R3=3Ω。當t=0.3s 時，中性線分別在a、b、c區(qū)間出現(xiàn)斷線，采樣電阻電壓的變化波形如圖7所示，圖中分別標出斷線前后采樣電阻電壓值。按照仿真參數(shù)計算出其理論值，見表1，由此可以看出采樣電阻電壓在不同斷線情況下有明顯差異，且實際值符合理論推導結果，因此可以作為判據(jù)，判斷中性線斷點所在的區(qū)間。

圖7 斷線故障點定位仿真中采樣電阻電壓

表1 中性線斷線情況下采樣電阻電壓值

5 結束語

提出了一種三相四線制低壓配電系統(tǒng)的中性線斷線檢測方法及斷線點定位方法，基于直流信號注入原理，通過比較采樣電阻電壓在斷線前后的差異，判斷中性線是否斷線，并利用斷線點定位單元判斷斷線點所在區(qū)間。這一方法不受電力系統(tǒng)運行狀態(tài)影響，可以根據(jù)實際情況靈活布置斷線點定位單元位置，對工程中中性線檢測與維護具有一定的參考價值。

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