城鎮(zhèn)配電網斷線運行分析

劉中

[摘? ? 要]文章針對配網中變壓器的高、低壓側斷線，低壓網絡中性線斷線等問題，通過采用對稱分量法，配合向量圖進行了理論計算，分析了這些斷線所造成的電網不平衡規(guī)律，最后簡要分析了三相異步電動機在不平衡電壓下的運行狀況，為城鎮(zhèn)運維人員判斷配網系統斷線提供了參考依據。

[關鍵詞]對稱分量法;中性線斷線;三相異步電動機

[中圖分類號]TM75 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）12–00–03

[Abstract]Aiming at the high- and low-voltage side disconnection of transformers in the distribution network， and the disconnection of the neutral line of the low-voltage network， this paper uses the symmetrical component method to perform theoretical calculations in conjunction with the vector diagram， and analyzes the power grid failure caused by these disconnections. The law of balance， the article at the end gives a brief analysis of the operating conditions of a three-phase asynchronous motor under unbalanced voltage， which provides a reference for the urban operation and maintenance personnel to judge the disconnection of the distribution network system.

[Keywords]symmetrical component method;neutral wire broken;three-phase asynchronous motor

配電網處于電力系統電能輸送的末端，一般為放射狀或樹形供電方式，我國的低壓配電系統廣泛采用10 kV/0.4 kV變壓器降壓后，以三相四線制方式向用戶供電。配網中最常出現的故障是短路、接地和斷線，短路和接地故障特征明顯，我們有完善的保護機制，而對配網線路出現斷線狀況，其特征不突出，還做不到及時的保護，需要運維人員進行一定的分析，加以識別。

配電網斷線以后，會造成配電系統三相嚴重不平衡，會產生負序及零序電壓電流，不僅導致配電變壓器溫度升高，還會造成電機減少出力，燒毀電機線圈等事故。

1 配電網斷線運行分析技術基礎

電網斷線也是一種三相不對稱特例，可采用對稱分量法分解，并配合相量圖進行分析。不對稱三相相量與其正、負、零序分量之間的變換關系可采用公式（1）計算：

10 kV配變主要以Dyn11變壓器為主，并有極少量的歷史遺留的Yyn0變壓器，本文主要以Dyn11型變壓器為例進行分析。

Dyn11型配電變壓器兩側的電壓電流關系如相量圖2、相量圖3所示。

2 配電變壓器高壓側斷線

2.1 配變高壓側斷線電壓變化情況

10 kV配電線路斷線、變壓器高壓側熔斷器熔斷等都近似等同于配電變壓器高壓側斷線，這里以Dyn11變壓器接線為例，見圖1，假設A相斷線，繞組BA和繞組AC串聯，然后與BC并聯。電流邊界條件為IA=0;IB=-IC;電壓邊界條件UBC=10 kV;UAB=UCA=-0.5UBC=-5 kV。

采用對稱分量法分析代入：

參考圖2，由Dyn11變壓器原副邊線電壓對應關系，得低壓側線電壓各序分量為

并相應得到低壓側相電壓的各序分量為：

代入以上數據，在Dyn11配電變壓器高壓側A相斷線，則對應的低壓側相電壓：

對應的低壓側線電壓為：

Dyn11配變高壓側A相斷線后，高低壓側電壓向量變化見圖4，低壓側電壓變化從以下兩個方面比較。

從以上分析可以得出Dyn11配變高壓側A相斷線后，低壓側電壓變化從以下兩個方面比較。

（1）線電壓對比。與正常的線電壓400V相比，高壓側A相斷線后，低壓側線電壓Uab、Ubc有所降低（350V），線電壓Uca=0V。

（2）與正常的相電壓230V相比，低壓側相電壓Ua、Uc為正常值的一半（115V），低壓側Ub為正常值（230V）。

圖4? Dyn11配變A相斷線時兩側電壓相量

2.2 配變高壓側斷線電流變化情況

Dyn11配變正常運行及高壓側A相斷線接線示意圖如圖5所示，正常運行時高壓側繞組相電流為;負載功率，當A相斷線后假設負載不變，功率因數可認為近似不變，則斷線后功率為：

與正常運行時相比，此時繞組AB、CA流過的相電流大小不變，繞組BC流過的相電流增為原來的2倍，因此隨著負載增大繞組BC過流，容易燒毀。

3 配電變壓器低壓側相線斷線

由于Dyn11配變低壓側為負荷側，低壓缺相時，用戶該相電壓、電流為0，其余兩相電壓和電流不受該相斷線影響，變壓器低壓側該相電壓仍為正常相電壓，此相電流為0，此時低壓側電流計算邊界條件為;采用不對稱分析法代入邊界條件得：

由此可推出配變高壓側線電流各序分量（三角形排列，線電流中不含零序電流）：

繼而推導出高壓側各相線電流為：

可以得到高壓側電流關系成立，即低壓a相斷線，b、c相帶負荷時，低壓變壓器零線電流為b、c 相電流的向量和; 高壓的C相電流數值將是高壓A、B 兩相的電流向量和，具體如圖6所示。

4 低壓中性線斷線

我國的低壓配電系統（380/220V）廣泛采用三相四線制方式向用戶供電。理論上，正常供電時，三相電壓對稱，三相負荷相等，中性線電流為0，可以取消，但是實際上，三相負載不可能完全相等，當三相負載不相等時，中性線有電流（零序）流過，而當中性線斷線時，三相負載不同時，其中性點電壓將發(fā)生位移，中性點位移電壓公式為：

式中，Ya、Yb、Yc分別為各相負載的導納。

舉例分析，假設零（中性）線斷線前，a相負荷最大，b相次之，c相最小，相應設有以下各相導納不平衡關系成立，代入得：

相應的零線斷開后，各相負荷相電壓為：

從計算結果可以看到，中性點位移電壓達12%的額定相電壓，a相電壓降為89%的額定相電壓，b相略有升高2%，c相電壓則升高10%，位移將偏向負載最大相，造成大負載相電壓偏低，而小負載相電壓偏高。如果三相負荷不對稱度繼續(xù)加大，三相電壓不平衡度就越大，嚴重時將出現輕載相負荷所承受的電壓超過額定相電壓很多，燒損設備，而重載相電壓過低，設備將無法運行。

5 三相異步電動機不對稱運行

三相異步電動機被廣泛地使用在工農業(yè)生產中，是電網的主要負載，以三相異步電動機為用電設備，定性地分析在配電網電壓不平衡狀態(tài)下，電機運行狀況。

異步電動機三相繞組通常接成三角形或不接地星形，沒有零序分量，只有正序和負序分量。當三相電壓處于不平衡狀態(tài)，按照對稱分量法把輸入電動機不平衡電壓分解為正序、負序分量，正序電壓產生正序的旋轉磁場，負序電壓就會產生與正序電壓相反的旋轉磁場，起到一定的制動作用。

假設異步電動機在正常情況下轉差率為s，則轉子對負序磁通的轉差率可以按2-s計算，因此異步電動機的負序參數可以按轉差率2-s來確定。圖7示出異步電動機的等值電路圖和電抗、電阻與轉差率的關系曲線，從圖中可以看出在轉差率小的部分，曲線很陡，而當轉差率增加到一定值后，曲線變化緩慢，特別是在轉差率為1～2之間變化不大。因此異步電動機的負序參數產生的制動轉矩變化不大，負序轉差率2-s可近似取1。

一方面，當系統發(fā)生不對稱故障時，異步電動機的正序電壓低于正常值，使電動機的驅動轉矩減小;另一方面，端點的負序電壓產生制動轉矩，使總的電磁轉矩變小，而負載不變的情況下，轉速變慢，轉差率S增加，定轉子電流大幅增加，以保持轉矩平衡，當定子電流急劇增加，電機繞組將因過熱而燒毀。

6 結束語

本文依據配電網可能出現的斷線狀況，采用對稱分量法，并配合向量圖進行了理論分析，現總結如下。

（1）Dyn11變壓器高壓側繞組單相斷線時，低壓側線電壓有兩組降低（降為350 V，正常值為400 V），一組線電壓降為0;而低壓側相電壓有一組正常（230 V），另2組降為正常值的一半（115 V）。當高壓側缺相后，高壓側有2相繞組相電流大小不變，1相繞組電流為正常的2倍，容易出現過流，繼而可能燒毀繞組。

（2）Dyn11配變低壓側采用三相四線制，單相斷線時，變壓器兩側電壓保持不變，高壓側線電流間不再滿足對稱關系。低壓側非斷線兩相電流為原來值的2倍，將引起該兩相線路電流激增，會導致過負荷等現象發(fā)生。

（3）Yyn0型變壓器單相斷線時，根據前面理論不難分析出，高低壓側斷線相的相電壓為0，其余兩相電壓有略微降低，斷線相高低壓側電流為零，即會失去該相負載。

（4）低壓中性相斷線時，三相負荷不對稱度越大，中性點偏移越大，導致三相負荷相電壓嚴重不平衡。

（5）三相異步電動機發(fā)生在不對稱系統下運行時，負序反向轉矩使電機電磁轉矩減小、負載不變的情況下，轉速變慢，轉差率增大、導致電流增大。特別是在斷相運行時，電流激增，會使電動機發(fā)熱至極限溫度而很快燒毀。因此電機一般都配有熱繼電器作為過載保護，必要時會設置專用斷相保護裝置，以保證斷相時及時切斷電源。

參考文獻

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[2] 李江， 強文博， 李彬.電動機運行中的斷相保護[J].農村電氣化， 2000， 6（6）：42.