一種基于直流注入法的低壓電網零性線斷線檢測方法

杞 姝，李佳粵，姬魁前，李建綱，陳治廷，周浩然

（云南電網有限責任公司昆明供電局，云南 昆明 661100）

低壓電網與用戶連接并提供供電服務，要求其持續、可靠、穩定運行[1-4]。然而受系統擾動、電力設備運行工況及性能等影響，低壓電網出現多類故障，其中零性線（中性線）斷線較為常見，引起漏電保護失效，特別是家庭用電人員觸電后，漏電保護拒動的現象時有發生，可能導致人身傷亡事故。由于低壓電網覆蓋范圍廣、運行環境復雜，導致準確檢測中性線斷線較為困難。

當前，工程界和學術界已開展了與零性線斷線相關應用和研究。文獻[5]介紹了一種采用SVM 的低壓配電中性線斷線檢測方法，該方法能較及時和準確檢測中性線斷線情況，但運算復雜；文獻[6]結合常見的幾種零性線斷線保護裝置方案并考慮三相不對稱負載工況研發了一種新型零性線斷線保護裝置。文獻[7]對低壓配電系統中中性線斷線故障后可能產生的危害進行分析，提出了防止中性線斷線故障的有效措施，但沒有給出具體的實現方案。

為此，本文首先介紹了已有的幾種低壓電網零性線斷線檢測技術并分析各技術的不足和缺陷，然后介紹直流注入法的實現原理及優點；最后，以實際運行數據驗證了本文所提方法的有效性。

1 電網零性線斷線機理及主要危害

在三相四線制星型配網供電系統中，配變三相電壓與中性線可靈活為單相負荷用戶和三相負荷用戶供電。在合理分布三相負荷的情況下，基于矢量疊加運算可知，中性點電壓為零，同時當某相發生故障時，其他兩相依然有效運行，用戶負荷不中斷，從而能提高供電可靠性，減少用戶損失。然而系統中性點異常，如接地不良好，甚至出現斷線時，通過三相電壓矢量疊加計算分析可知，此時中性點發生位移，即原有中性點電位不再為0，此時相電壓顯著升高，并遠遠超出電壓偏差要求的235.4V 的電壓上限，最終可能導致用電設備無法承受過高電壓而產生故障甚至燒壞。如果采用保護接零的設備發生外殼漏電時，保護裝置不能正確動作，對人身安全構成威脅。中性線斷線后，即使三相負載平衡，但當三相負載使用不同步時，也會使三相負載電壓發生變化，影響用戶使用。

另一方面，當三相負載接近平衡或者完全達到平衡度，利用三相電流矢量疊加分析可知中性線電流較小甚至為0。而實際工況中，三相負載通常是不平衡的，特別是城市老舊臺區、偏遠農村地區，三相不平衡問題超標情況嚴重，此時中性線電流較大，并最終通過中性線（零性線）返回變壓器。一旦零性線斷開，將加劇中性點電位偏移程度，此時對配變維護影響極大，甚至威脅運維人員安全。因此，低壓系統中使用三相四線供電方式時是不允許中性線斷路時間較長這種問題存在的。

2 幾種常見低壓電網零性線斷線檢測技術

2.1 引入星型電容器檢測法

通過引入星形電容器過電壓保護電路實現對中性線斷線故障檢測。其原理在于三相電源前端分別引入三個等值電容器形成新的參考中性點，通過檢測原有中性點和新的參考中性點電壓幅值判斷是否出現零性線斷線問題。

具體實現原理如圖1 所示，圖中UA、UB、UC 分別表示配電變壓器低壓側三相電壓，rA、rB、rC 則為三相負載，rO 是零序阻抗，N N′為零性線；引入的三個電容器接入新的參考點N″處，同時在N′與N″加載過電壓繼電器，通常UN′N″電壓較低，電壓繼電保護器導通，當因中性點斷線等原因引發N′點電壓偏移時UN′N″電壓升高，一旦超過閾值將觸發電壓繼電器動作?？紤]到設備上的電壓變化不超過20%，否則會引起設備絕緣擊穿甚至燒壞，按此估算，相應的偏移值為220V*20%，即44V，因此中性點電位升高不超過44V，據此選擇的電壓繼電器的動作值應小于改值才能達到保護用戶設備的目的。

圖1 引入星形電容器過電壓保護電路的原理電路

該方案的另外一個作用在于可以利用電容器補償無功從而調整配變首端電壓，以提高功率因數，在兼顧零性線斷線保護及無功補償要求下，還要綜合考慮環境等因素，以確定電容器型號和容量。

此方法的優點是原理簡單，且可以實現線路無功補償，提高功率。缺點在于無法識別缺相運行或因負荷引起的三相不平衡導致的中性點電壓偏高問題。

2.2 負荷過電壓法

負荷過電壓法的核心思想在于考慮利用多組負荷形成新的中性點電壓參考點，在正常工況下，各組負荷間中性點電位相等，因此電壓近似為0，一旦其中一組負荷中性點電位偏移時，組間中性點電壓升高，利用電壓繼電器及交流接觸器配合完成相關檢測和動作；以圖2 為例，展示了最簡單的兩組負荷的情況，圖中ZA1，ZB1，ZC1為第一組A、B、C 的三相負荷，可以認為是構建了一個三相供電系統，另一組也是類似（ZA2，ZB2，ZC2分別表示第二組三相用戶）的。在每組三相負荷零性線匯合處接一只電壓繼電器KU，該電壓繼電器的另一端則接入電源的中性點；同時，每一組負荷與火線之間接交流接觸器KM，用于保護對應單位；正常工況下，根據基爾霍電壓定律分析，可以認為N′1和N′2電位相同，可等效為同一點，則UNN′=UNN′2=0，此時因電壓繼電器KU1，KU2 感知電壓較低，幾乎接近0，因此電壓繼電器接通，電網正常運行；一旦系統中某組負荷異常時（如零序斷線或（和）三相不平衡嚴重），N′1和N′2近似為同一點，以N′代替，UNN′≠0；如果UNN′的值大于電壓繼電器的整定值時，電壓繼電器KU1，KU2 動作，接于兩相火線之間的常閉觸頭斷開，交流接觸器KM1，KM2的線圈斷電，KM1，KM2 的主觸頭斷開，這樣就切斷了全部用電單元的電源，保護了負荷；同理，如果零性線在2 點斷開且第二單元用戶負荷不平衡時，則N′2和N點之間的電壓不等于零，若此值大于電壓繼電器的整定值時，電壓繼電器KU2 動作的結果即切斷該用電單元的供電。

圖2 負荷過電壓保護電路原理圖

負荷過電壓法原理簡單，且加裝設備成本較低，同時可提高系統穩定性。然而，合理評估并選擇分組負荷較為關鍵，若選擇不合理時該方案相關設備可能誤動。同時，其也存在引入星形電容器法的問題，即不能分辨缺相運行或因負荷引起的三相不平衡導致的中性點電壓偏高問題，導致勿動可能增加，直接導致供電可靠性降低。

2.3 低壓PT 檢測法

該方法是在被保護負荷與電源間增加一只低壓PT（電壓互感器），利用電壓互感器的開口三角形繞組直接測得零序電壓。正常情況下（零性線未斷開），開口三角繞組輸出電壓近似為零。當零性線斷開后，開口三角繞組輸出電壓迅速上升。原理接線如圖3 所示。當然也存在負荷對稱時發生斷線不能正確動作的問題，此時不動作也不會對負荷造成危害。

圖3 低壓PT 檢測保護方案

3 直流注入法

本文所采用的直流注入法如圖4 所示，在圖3 方案的PT 中性點上串入一只電容器，同時，電容器兩端并聯一個低壓直流電源Es，即為直流注入法的源，rs是直流電源串聯的輸出電阻。

圖4 中性點直流注入法

當系統正常運行時，根據基爾霍電壓定律，直流電源與零性線形成回路，在忽略線路阻抗的情況下，rs上的電壓幾乎為Es。一旦系統零性線斷線發生，此時Es與負載構成新的電壓回路，而負載阻抗是很大的，不能忽略，rs中電壓與負載阻抗串聯，根據歐姆定律可知，電壓下降至（rs/R）*Es，因此rs電壓的變化可實現檢測。

為了克服第二部分所提出的幾種方法的不足，需要結合PT 開口三角電壓情況開展相應措施。因開口三角形電壓的原理在于將三相繞組首尾相連，即完成三相電壓矢量和計算，因此等效于檢測三相電壓平衡狀態。當PT 開口三角較低時，說明三相負載可以均衡運行，而PT 開口三角升高并超出閾值時，結合直流源阻抗電壓變化為（rs/R）*Es時，需要采取相應保護措施。該方案優點在于利用直流注入法能有效檢測到斷線故障，通過PT 開口三角形電壓判斷系統當前平衡情況，若系統依然運行于對稱平衡狀態則不采取停電等保護措施，極大提高系統運行可靠性。

4 驗證

4.1 驗證對象

至2018 年以來2 年內，某供電局110kV 羊甫變電站10kV 小板橋線某臺區低壓出線發生零性線斷線達4 次，由此造成大量用戶燒壞用電設備，從而引起電器燒損維修賠償金額達數萬元，因此選取該臺區作為應用落地點。

4.2 運行時間

本文設計的基于直流注入法低壓電網零性線斷線檢測裝置于2020 年3 月投運，至今已有效運行1年多。

4.3 運行分析

設備投運至今檢測到一次零性線斷線故障，并經判斷是有效判斷。考慮到相關數據可能涉密，因此事故詳情未在本文中展示。

后續將持續收集和統計相關數據支撐本文所提方案的正確性和有效性。

5 結束語

電壓電網零性線斷線故障威脅電網和用戶用電安全，因此準確、有效檢測尤為重要。本文闡述了常見的幾種檢測技術方案并分析各技術方案的優缺點，在低壓PT 法的基礎上引入直流注入法，該方法結合兩個技術方案的特點開展判斷和檢測，可有效提高零性線斷線故障檢測準確性。