配電線路單相斷線故障保護方法

崔樹勇

【摘 ?要】近些年，我國的用電量不斷增加，為了減小單相斷線故障對供電質量造成的不良影響，針對配電線路單相斷線故障，提出了一套系統的保護方法。利用電路原理和中性點電壓偏移理論，對簡單斷線故障和伴隨接地的復雜故障情況下線路首末兩端電壓和流經線路的電流特征進行了分析，總結了各電氣量的變化規律，提出了一組由電流判據和電壓判據組成的單相斷線故障判斷和保護方法。研究了基于電壓判據的斷線故障類型及故障區段的判斷方法，進一步分析了不對稱運行、互感器斷線等異常情況對所提判據的影響和相應的改進方案。利用PSCAD/EMTDC仿真軟件進行了算例仿真，結果驗證了理論分析結果的正確性和斷線故障保護方法的有效性。

【關鍵詞】配電線路;斷線故障;故障診斷;斷線保護

引言

電力系統中性點的運行方式主要有直接接地和不接地（包括經消弧線圈接地）兩種。10kV配電系統位于電力系統末端，擔負著為用戶直接供電的重任，為提高供電可靠性常采用中性點不接地的運行方式。但在實際運行中，電網監控人員經常監視到10kV母線電壓不平衡現象。10kV配電線路分布面廣、總長度長、運行環境復雜惡劣，單相接地和斷線故障時有發生是造成10kV母線電壓不平衡的主要原因，并導致母線側PT（電壓互感器）三角開口電壓升高，嚴重威脅供電的安全性和可靠性。當PT開口電壓值達到電壓繼電器整定值（一般為20～30V），繼電器動作，發出接地信號。由于10kV線路未專門設置零序保護，在繼電器發出接地報警信號后只能依靠調度值班員的判斷來處理故障。若接地和斷線分辨不清、判斷不準，將會造成不應有的損失，甚至擴大事故影響范圍。因此，正確區分10kV配電線路單相接地與單相斷線有重要的現實意義。摒棄復雜的對稱分量法及復合序網，采用基本電路理論來分析10kV配電線路發生單相接地、單相斷線后系統電氣量（電壓、電流）的變化規律，從中找出兩者的區別。

110kV配電線路斷線故障發生的原因

筆者根據自身多年實際工作經驗，歸納并總結出10kV配電線路斷線故障的原因如下。（1）機械外力破壞。隨著建筑施工規模在不斷擴大，項目的數量在不斷增多，越來越多大型工程不按照規章制度具體施工，在施工過程中進行挖掘、爆破等作業中很容易破壞10kV配電線，導致電網無法正常運行，同時在用電設備操作不當的情況下，配電線路也會出現故障，發生短路或者是過大電壓問題。（2）電網運行環境影響。10kV配電線路的運行環境比較惡劣，受到地質條件、自然影響以及雷擊等，可能造成線路絕緣損壞，影響電路的正常運行。（3）電氣本身問題。配電線路由于自身質量問題，其絕緣性能以及電線材質都有可能導致故障發生，直接影響線路運行的穩定性。（4）設計和安裝不合理。配電線路在安裝中，接線錯誤或者是絕緣材料安裝不當，并且在線路設計中，對選址、高空架線等設計不合理都有可能出現配電線路斷線故障。

2配電線路單相斷線故障電氣量分析

2.1電流變化特征分析

理想情況下故障相電流變為0，兩非故障相電流大小相等，方向相反，無零序電流。如果考慮故障點和測量點之間存在負荷分支，則故障相的電流降低但不會降至0，兩非故障相電流大小相等，相位差小于180?但大于120?，越靠近故障點，故障電流特征越明顯。當系統的分布電容較大，發生A相斷線同時一點接地的復雜故障時，接地側的A相電流為系統非故障相電容電流之和，但此電流一般不大于20A，且表現為無功電流，與負荷電流有較大差別。對于正常相，電容電流對相電流相位的影響是一致的，而分布電容電流遠小于負荷電流，可以認為相電流變化規律基本不受接地的影響。

2.2電壓分析

10kV配電線路A相金屬性接地時，故障點處三相電壓相量如圖1所示。

故10kV配電線路發生單相金屬性接地時，接地相的對地電壓降到0;非接地相的對地壓升高為線電壓，PT三角開口電壓U0達到電壓繼電器動作條件，發出接地信號。

3單相斷線故障判斷與保護方法

3.1單相接地處理方案

造成配電線路單相接地原因大致有：配電變壓器臺上的熔斷器絕緣擊穿;導線斷線落地或搭在橫擔上;導線在絕緣子中綁扎或固定不牢，脫落到橫擔或地上;因風力過大，導線與樹木刮擦;配電變壓器高壓引下線斷線搭落在橫擔上;配電變壓器高壓繞組單相絕緣擊穿或接地;絕緣子、避雷器等絕緣擊穿;同桿架設導線上層橫擔的拉線一端脫落，搭在下排導線上;鳥害;飄浮物（如錫箔紙、鐵絲等）及其它偶然或不明原因。當10kV配電線路發生單相接地時，監控人員應及時匯報調度員并做好記錄。調度員一般可以通過逐條試拉找出接地線路。試拉時要遵循以下原則：先拉架空線路后拉電纜線路;先拉分支多線路后拉分支少線路;先拉較長線路后拉較短線路;先拉負荷輕的線路后拉負荷重的線路。當拉開某條線路時，系統接地信號消失，則該線路就是發生單相接地的線路。找出接地線路后調度員應立即通知變電站運行人員去站內檢查設備、通知配電線路運行維護人員巡線、通知高壓檢查員檢查用戶設備。在系統未發生諧振前，接地線路一般仍可以繼續保持運行1～2h。雖然10kV配電線路單相接地時允許繼續向用戶供電，但這時非故障相電壓會升高，很可能擊穿絕緣薄弱點，從而引起兩相接地短路故障，對電網設備造成損壞。因此需要在較短的時間內消除接地故障。對于較長線路，為了能及時隔離故障點，可以采取分段試拉判斷法將后段線路分段開關斷開，如果得知接地故障消。

3.2單相斷線故障保護的啟動

一般而言斷線故障時電流特征變化明顯，可用來構成啟動判據，如圖所示。

式中：i為各相電流采樣值的變化量;（）in和（）inN為當前時刻及1個工頻周期以前時刻的電流采樣值;1ki為對連續k個i求和，12kN;NI為線路額定電流;setk為整定門檻值系數，可取0.5。式（4）中第一個條件是反應電流降低，第二個條件要求電流降低的幅值要達到一定要求，同時滿足這兩個條件才啟動斷線保護。同時可以通過上式判定1kij最大的一相為斷線相。

3.3多相斷線故障檢測及其定位

在實際10kV配電線路中，發生單相斷線故障時，斷開的導線可碰觸大地，造成斷線加接地的復雜故障。單相故障發生后，斷口處電源側與負荷側兩側導線是否接地，將其分為單相斷線加電源側接地、單相斷線加負荷側接地及單相斷線加兩側均接地三種類型。除此之外，還可能出現兩相、三相斷線，并伴各種類型接地故障。

結語

電力維修人員通過對單相斷線及接地故障進行檢測和定位、多相斷線及接地故障堿性檢測和定位，分析電源側電壓、電流以及零序電壓、電流的變化狀況，對比故障前后電壓及電流數值的變化，進一步提高斷線故障檢測的時效性和準確性，確保線路在發生斷線故障后，能夠快速檢測并定位，從而及時排除斷線故障，恢復供電，為用戶提供高質量的供電服務，確保整個電力系統的穩定、可靠運行，提升電力企業的經濟效益和社會效益。

參考文獻：

[1]謝俊，李勇，劉宏君，等.線路縱聯零序方向保護誤動機理分析及對策研究[J].電力系統保護與控制，2017，45（4）：19-25.

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（作者單位：國網黑龍江省寶泉嶺電業局有限公司城區供電所）