基于線電壓判據(jù)的配電網(wǎng)斷線故障定位

楊德宇，賈俊青，武文麗，蔡文超，安 東

(內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院 內(nèi)蒙古自治區(qū)電力系統(tǒng)智能化電網(wǎng)仿真企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

近年來，配電網(wǎng)逐漸向用戶終端深入，運(yùn)行環(huán)境日漸復(fù)雜，設(shè)備運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)斷線故障概率較大[1]。若處理不及時(shí)，故障點(diǎn)在發(fā)生斷線故障后極易出現(xiàn)接地復(fù)合故障，不僅會(huì)導(dǎo)致配電網(wǎng)功能無法正常發(fā)揮，還會(huì)對(duì)操作者的生命安全造成影響。這就使得迫切需要研究一種快速檢測(cè)法。一直以來，配電網(wǎng)研究人員針對(duì)各類短路故障投入了大量的時(shí)間、精力，相關(guān)理論研究比較完善，但在斷線故障研究中還有很大的空間[2]。文獻(xiàn)[3]提出了一種以中性電壓和負(fù)序電流為判斷依據(jù)的ADN單相斷線故障保護(hù)法。理論分析與仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，這種保護(hù)方法的靈敏度、可靠性較高，且負(fù)荷分布、故障位置、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞纫貙?duì)其不具備影響，應(yīng)用范圍較廣。文獻(xiàn)[4]提出了一種以零序電流幅值和三相電流值變化特征為判據(jù)的診斷方法，通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了智能化采集和研判線路信息，并以云平臺(tái)為媒介，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配電網(wǎng)運(yùn)行情況、接收故障預(yù)警信息。文獻(xiàn)[5]基于電路原理、中性點(diǎn)電壓偏移理論提出的一套系統(tǒng)保護(hù)方法，分析了復(fù)雜故障背景下線路兩端電壓、流經(jīng)線路的電流特征，并結(jié)合特征總結(jié)出了電氣量的變化規(guī)律，進(jìn)而提出了分別以電流和電壓為判據(jù)的單相斷線故障診斷方法。

上述文獻(xiàn)針對(duì)配電網(wǎng)單相斷線故障提出了多種診斷與保護(hù)方法，但是少有針對(duì)線電壓為判據(jù)的研究成果。本文以線電壓向量變化作為配電網(wǎng)單相斷線故障的判定依據(jù)，可不受單相接地因素的影響。

1 單相斷線的線電壓向量特征

1.1 三相負(fù)載對(duì)稱時(shí)單相斷線的線電壓變化

在單相負(fù)載處于平衡狀態(tài)且配電網(wǎng)線路ABC三相電源對(duì)稱的理想狀態(tài)下，線路各處三相電壓值相同(不考慮線路阻抗)，相位角相差120°[6]。假設(shè)UN為AB相線的有效值電壓，相位角為0°，此時(shí)電路如1所示，各相線電壓向量關(guān)系為：

(1)

圖1 三相對(duì)稱線路、三相對(duì)稱電壓和電流向量Fig.1 Three-phase symmetrical line，three-phase symmetrical voltage and current vector

配電變壓器是構(gòu)成配電網(wǎng)線路的重要設(shè)備之一，接線組別分別為Dyn11或Yyn0，高壓側(cè)繞組所采用的方法為三角接法，某些時(shí)候也采用星形接法[7-8]。假設(shè)斷線故障發(fā)生的位置在B相線路中，靠斷線點(diǎn)近電源一側(cè)的三相電壓值未出現(xiàn)改變。通常情況下，失亞斷路器并不會(huì)安裝在高壓側(cè)，因此處于斷線點(diǎn)下側(cè)的配電變壓器依舊保持與配電網(wǎng)接入的狀態(tài)，也就是說在存在一個(gè)或多個(gè)三相負(fù)載并聯(lián)于斷線點(diǎn)下側(cè)。

B相線路斷線電路如圖2所示，Za=Zc且B相線路斷線電路時(shí)，三相電壓向量如圖3所示。

圖2 B相線路斷線電路Fig.2 Circuit diagram of phase B line disconnection

圖3 三相電壓向量Fig.3 Three phase voltage vector

通過對(duì)電路情況進(jìn)行全面剖析，得知AB相與BC相之間是串聯(lián)關(guān)系；同時(shí)，B相導(dǎo)線與A相、C相之間線電壓≠0，可以得出已知條件：

(2)

則三相線電壓關(guān)系如下：

(3)

(4)

(5)

將所得出的已知條件代入式(3)、式(4)、式(5)中運(yùn)算，可得出：

(6)

通過上述運(yùn)算可以得出如下結(jié)論：在三相負(fù)載對(duì)稱的配電線路中，當(dāng)出現(xiàn)單相斷線故障時(shí)，如果遠(yuǎn)離電源一側(cè)出現(xiàn)斷開點(diǎn)，其線路有對(duì)稱的三相負(fù)載設(shè)備，那么電壓值變化如下：

(7)

此時(shí)，斷線相與斷線超前相的線電壓值關(guān)系如下：

(8)

1.2 三相負(fù)載不對(duì)稱時(shí)單相斷線的線電壓變化

1.2.1 電源電壓波動(dòng)、單相接地對(duì)線電壓的影響

在電網(wǎng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，最大允許短時(shí)負(fù)序電壓值(U-)與正序電壓(U+)關(guān)系：

U-=4%U+=400 V

(9)

也就是說，U+有效值是U-有效值的25倍。所以當(dāng)配電網(wǎng)仍舊處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電源側(cè)的三相電壓值波動(dòng)不大[9]。而靠近負(fù)載側(cè)的斷點(diǎn)處，根據(jù)KVL電壓定律，此時(shí)各項(xiàng)線電壓呈如下關(guān)系：

(10)

1.2.2 兩相負(fù)載阻抗值相等但阻抗角不相等

當(dāng)阻抗值相等、阻抗角存在差異時(shí)，電壓相位角受阻抗角差值的影響非常大，極易產(chǎn)生角度偏差，但電壓向量合成值依舊滿足式(10)中的關(guān)系。在配電網(wǎng)運(yùn)行過程中，最主要的負(fù)載形式有2種：阻性負(fù)載、感性負(fù)載[10]。其中，電機(jī)類型負(fù)載為感性負(fù)載，在正常情況下，其運(yùn)行功率因數(shù)通常在0.7～0.9。在極端情況下，假設(shè)Za為配電網(wǎng)AB相線路的原負(fù)載，功率因數(shù)為1.0，Zc為BC相原負(fù)載，功率因數(shù)為0.6，則假設(shè)AB相負(fù)載Za阻抗角為：

θZa=arccos(1.0)=0 °

(11)

BC相原負(fù)載Zc阻抗角為：

θc=arccos(0.6)=53.1 °

(12)

此時(shí)，電路已知條件發(fā)生改變：

(13)

將式(13)代入式(11)和式(12)中計(jì)算可得：

(14)

(15)

(16)

1.2.3 兩相負(fù)載阻抗值和阻抗角均不相等

當(dāng)阻抗值與阻抗角均不相同時(shí)，根據(jù)前文分析，可以得出已知條件如下：

(17)

將式(17)代入到三相線電壓列式中可以得出：

(18)

(19)

1.3 單相斷線的線電壓變化分析討論

2 實(shí)例驗(yàn)證

10 kV配電網(wǎng)線路系統(tǒng)如圖4所示，中性點(diǎn)不接地，該系統(tǒng)共有5臺(tái)變壓器，在節(jié)點(diǎn)6-7處饋線F1出現(xiàn)B相單相斷路故障。

圖4 10 kV配網(wǎng)線路Fig.4 10 kV distribution network line

為簡(jiǎn)化仿真實(shí)驗(yàn)的模擬條件，假設(shè)系統(tǒng)電源容量無窮大，電源為50 Hz三相對(duì)稱交流，三相線電壓輸出有效值為10.5 kV，饋線F1共計(jì)1 000 m，且其配電變壓器T1—T4為三相對(duì)稱負(fù)載，每臺(tái)配變負(fù)載視在功率均為400 kVA，功率因數(shù)cosθ=0.8；T5為非對(duì)稱三相負(fù)載，接線組別為Dyn11，正常運(yùn)行狀態(tài)下三相阻抗分別為Zab=100+j94.25 Ω，Zbc=100 Ω，Zca=40+j94.25 Ω。為進(jìn)一步簡(jiǎn)化條件，不考慮T1—T4導(dǎo)線阻抗，采用戴維南定理，將T1—T4折算為1臺(tái)配電變壓器負(fù)載，值為1 600 kVA，功率因數(shù)cosθ=0.8[11]。基于上述條件，建立仿真模型，模型如圖5所示。

圖5 仿真模型Fig.5 Simulation model

M1、M2為斷線監(jiān)控裝置，仿真線電壓波形如圖6所示。

通過圖6可以看出，M1點(diǎn)0.02～0.10 s，波形未發(fā)生改變，只需要將各周期數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行判斷即可。M2點(diǎn)0.04～0.08 s，波形出現(xiàn)快速變化。因此，選取這一時(shí)間段前后2段進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)見表1、表2。

t=0.04～0.08 s時(shí)刻，M2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算：

由計(jì)算結(jié)果可以看出，數(shù)據(jù)均沒有超過30.598°，可以確定，斷線故障位于B相，其故障位置在M2靠近電源側(cè)。

通過上述實(shí)例驗(yàn)證可知，對(duì)于10 kV配電線路，借助線電壓測(cè)量裝置對(duì)所在線路的三相線電壓向量進(jìn)行測(cè)量，對(duì)比有效值的大小與超前相、滯后相之間相位夾角的關(guān)系，就可以判斷測(cè)量點(diǎn)是否存在故障。

圖6 仿真線電壓波形Fig.6 Simulated line voltage waveform

表1 t=0.02～0.04 s監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Tab.1 t=0.02～0.04 s monitoring data

表2 t=0.04～0.08 s監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Tab.2 t=0.04～0.08 s monitoring data

3 結(jié)語

本文在對(duì)配電網(wǎng)單相斷線故障深入研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于線電壓判據(jù)的故障診斷方法，可以快速判定是否出現(xiàn)斷線故障，且單相接地因素對(duì)故障判定結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生影響。最后通過實(shí)例驗(yàn)證了此方法快速有效，切實(shí)提高了故障診斷效率。