基于綜合判別方法的單相接地/PT斷線故障自動判別及報警裝置研發

孟憲影，狄藤藤，杜 飛

（國網四川省電力公司技能培訓中心，四川成都610071）

0 引言

在大型廠礦自備電廠的中性點不接地電力系統中，單相接地故障[1]和PT（電壓互感器）斷線故障時有發生，現有裝置的判據較單一，經常出現判斷不及時、誤判[2]或漏判，不能明確判別出PT斷線發生的具體位置：是高壓側還是低壓側或是哪一相、哪兩相還是三相，造成事故處理時間延長，影響電網的安全穩定運行[3]，嚴重是會造成用電設備損壞。因此，單相接地故障和PT（電壓互感器）斷線故障的故障原因判別和處理問題必須引起足夠重視。

1 目前常用PT斷線判據及存在問題

1.1 PT對稱斷線的判據及存在問題

PT對稱斷線，也即三相全部斷線。

判據：三相電壓都小于8 V，且任一相電流大于0.04倍的額定電流[4]。

存在問題：需采集相/線電壓及相電流，采集量多，硬件成本較高。此外，高壓側兩相斷線，也滿足上述判據，易出現誤判。

1.2 PT不對稱斷線判據及存在問題

1.2.1 判據[5,6]

（1）負序電壓大于8 V；

（2）三相電壓的向量和大于18 V，并且至少有一線電壓的模值之差大于20 V；

（3）存在一線電壓模值之差大于18 V.

1.2.2 存在問題

（1）上述三個判據，僅利用單一的負序電壓或相電壓一個值進行判別，判據不充分，易出現誤判和漏判；

（2）上述幾個判據都沒有判斷出故障位置：是PT高壓側斷線還是低壓側斷線，是哪一相還是哪兩相斷線；

（3）上述判據沒有對斷線過程進行監測，不利于故障的進一步檢測及處理。

為解決上述問題，本文通過理論分析、試驗及現場故障實例分析，考慮一定裕度，采用三相相電壓幅值、電壓差值及零序電壓的綜合判別方法來判別故障的類型、相別及具體位置，具體如下。

2 綜合法判別法原理及方法

采集得到中性點不接地系統母線/線路的A、B、C各相及零序電壓幅值Ua、Ub、Uc、U0，計算得出前后兩個掃描周期A、B、C各相電壓幅值的差值ΔUa、ΔUb、ΔUc，Ue表示額定電壓對應的電壓互感器二次側電壓。以A相為例，介紹單相接地、PT斷線的判別方法，B、C兩相的實現方法與此大同小異。

2.1 單相接地判別方法

中性點不接地系統發生單相接地故障時，會出現故障相電壓降低、非故障相電壓升高，零序電壓升高的現象[7]。以此為判斷依據，考慮一定裕度，其綜合判別方法為：零序電壓U0＞50 V或A相電壓差值ΔUa＞0.2Ue，B、C兩相電壓幅值都大于1.2倍的額定電壓（Ub＞1.2Ue，Uc＞1.2Ue），且A相電壓幅值小于0.8倍額定電壓（Ua＜0.8Ue）時，判定為A相發生單相接地故障，如圖1所示。

圖1 A相單相接地綜合判別方法

B、C相單相接地判別方法與之大同小異。

2.2 PT一相斷線判別方法

2.2.1 PT低壓側A相斷線判別

PT低壓側一相斷線時，斷線相電壓降低（接近為0），其余兩相電壓基本不變，不產生零序電壓。考慮一定裕度，其綜合判別法為：零序電壓U0≤5V或A相電壓差值ΔUa＞0.2Ue，A相電壓幅值Ua＜0.1Ue，B、C兩相電壓幅值分別介于0.9～1.05Ue之間,且U0≤5V，如圖2所示。

圖2 PT低壓側A相斷線綜合判別方法

PT低壓側B、C一相斷線判別方法與之大同小異。

2.2.2 PT高壓側A相斷線判別

PT高壓側一相斷線時，斷線相電壓降得很低（約為0.33Ue），其余兩相電壓也有所降低，一般介于～1.0Ue之間，不產生零序電壓。考慮一定裕度，其綜合判別法為：零序電壓U0≥5 V或A相電壓差值ΔUa＞0.2Ue，A相電壓幅值Ua＜0.9Ue，且B、C兩相電壓幅值分別介于0.8～1.0Ue之間，如圖3所示。

圖3 PT高壓側A相斷線綜合判別方法

PT高壓側B、C一相斷線判別方法與之大同小異。

2.3 PT多相斷線判別方法

2.3.1 PT低壓側A、B兩相斷線判別

PT低壓側兩相斷線時，斷線相電壓降低（接近為0），其余兩相電壓基本不變，不產生零序電壓。考慮一定裕度，其綜合判別法為：A、B兩相電壓差值ΔUa、ΔUb都大于0.2Ue，A、B兩相電壓幅值都小于0.1Ue，且C相電壓幅值介于0.9～1.05Ue之間，如圖4所示。

圖4 PT低壓側A、B兩相斷線綜合判別方法

PT低壓側A、C兩相或B、C兩相斷線判別方法與之大同小異。

2.3.2 PT高壓側兩相或PT高、低壓側三相斷線判別

PT高壓側兩相或PT高、低壓側三相斷線時，A、B、C三相電壓都降低（接近為0），不產生零序電壓。考慮一定裕度，其綜合判別法為：A、B、C三相電壓差值 ΔUa、ΔUb 都大于 0.2Ue，A、B、C 三相電壓幅值都小于0.1Ue，如圖5所示。

圖5 PT高壓側兩相/高、低壓側三相斷線綜合判別方法

3 裝置軟硬件組成及連接

3.1 硬件組成及連接

中性點不接地系統單相接地/PT斷線故障自動判別及報警裝置由電壓互感器、電壓變送器、可編程控制器及觸摸屏組成，其硬件接線如圖6所示，本裝置通過三相五柱式電壓互感器（PT）將母線/線路的電壓由高的線/相電壓轉變為額定電壓為100/57.7 V的較低的交流電壓，再通過單相及三相交流電壓變送器將交流電壓轉變為0～10 V/4～20 mA的直流電壓/電流信號，送到可編程控制器（PLC）的模擬量輸入模塊中，成比例地轉換為數字后，再送到PLC的控制器中，實現母線/線路的相電壓Ua、Ub、Uc及零序電壓U0的信號采集。

圖6 裝置硬件接線

采集后的相電壓、零序電壓送入PLC的CPU模塊進行比較分析后獲得故障類型/相別等信息，發出報警信號并在觸摸屏上顯示出來，以備后續的故障處理使用。

3.2 軟件流程

裝置的軟件流程如圖7所示，裝置在通電后，先進行初始化（對各種定值賦初始值），之后不間斷地采集系統中的三相相電壓Ua、Ub、Uc及其零序電壓U0，判斷系統是否處于運行狀態，若系統處于停運狀態則返回，若處于運行狀態，則計算相電壓的差值ΔUa、ΔUb、ΔUc.依據三相相電壓幅值、電壓差值及零序電壓的大小，按照2.所列判據綜合判斷是否發生了故障，若發生了故障，進一步判斷故障的性質、相別及故障發生的具體置。根據判別的結果進行故障報警，并以光字牌的形式在觸摸屏上顯示出來，此外，一并顯示的還有故障斷線的次數，持續的時間等，為進一步的故障處理提供依據。

圖7 軟件流程圖

4 結束語

采用綜合判別法判別中性點不接地系統單相接地/PT斷線故障具有判據直接充分、采集裝置少，硬件接線簡單等特點，可判別單相接地和PT斷線的故障類型、相別及故障發生的具體位置，通過PLC內部的定時器和計數器，還可對單相接地/PT斷線的持續時間和斷續接地/斷線的次數進行統計及監測，為故障分析處理或狀態檢修提供依據。“報警裝置”的研發應用，解決了以往大型廠礦生產設備因自備電廠中單相接地故障和PT（電壓互感器）斷線故障判斷不及時、不準確導致的供電中斷等問題，極大地縮短了事故處理的時間，穩定了各生產設備的電能供應，為安全生產提供了有力保障。