110 kV負荷線路單相斷線故障特性分析及調度策略

蔡正梓，樊 亮，劉 輝，沙立成，孫鶴林，張印寶

（國網北京市電力公司電力調度控制中心，北京 西城 100031）

110 kV負荷線路承擔著大電網下送電力的任務，是城市配電網的重要組成部分。其數量多，覆蓋廣，所處環境惡劣多變。近年來，由于導線老舊、外力破壞以及雷擊等自然災害的影響，斷線故障常有發生[1-3]。斷線故障產生的負序、零序分量會導致電能質量下降，影響用戶的生產，嚴重情況下會導致繼電保護勿動，擴大停電范圍[4]。此外，斷線導致架空線落地，容易造成火災以及影響人畜的安全[5-6]。因此對架空負荷線路單相斷線故障特性展開研究具有重要的意義。

國內外專家學者的研究主要表現在以下幾方面：文獻[7]提出了一種基于智能配電網大數據分析的狀態監測與故障處理方法，綜合計算出網絡中各節點的局部異常因子，實現斷線故障的檢測與定位。文獻[8]利用智能配電網中存在大量異構多源的數據，從智能配電網中的應用場景出發，對多源數據融合中的不良數據辨識分析，可為電網安全運行提供數據支撐。文獻[9]提出基于配用電信息系統數據和改進的隨機森林算法，用純數據驅動的方法來判斷識別線路斷線故障。文獻[7-9]從大數據分析的角度出發，具有一定的局限性，并且不具備實時監測的能力，實際應用效果有待提高。文獻[10]提出了基于計算電流相量的架空線路斷線故障識別方法。文獻[11-12]利用健全線路故障后零序電流和故障前負荷電流的幅值及相位的區別來識別斷線故障。

上述文獻中從不同的角度提出了鑒別斷線故障的方法，具有一定的準確性，然而在實際斷線情況下須迅速判斷出故障所在位置并采取緊急調度處置措施，結合實際工作從110 kV負荷線路單相斷線故障特性分析出發，提出斷線故障判斷方法以及調度策略。110 kV架空負荷線路斷線故障可分為單相斷線不接地故障、單相斷線電源側接地故障、單相斷線負荷側接地故障、單相斷線兩側均接地故障、兩相斷線、以及兩相斷線且一相或者兩相的一側或兩側接地等多種狀態[13-14]。鑒于兩相斷線及其各種狀態發生的概率較低，本文只針對單相斷線展開研究。

1 110 kV負荷線路單相斷線故障特性分析

以A 相單相斷線為例進行序網分析[15]，如圖1所示。

圖1 以A相斷線為例的電路圖

圖1中線路發生A相斷線，m、n為斷線處兩側的節點，m為斷線處電源側的節點，n為斷線處負荷側的節點；Ia、Ib、Ic分別為斷線后三相電流；ΔUa、ΔUb、ΔUc分別為三相斷線處的電壓降；ΔUa1為A相斷線處斷口的正序電壓降，ΔUa2為A相斷線處斷口的負序電壓降，ΔUa0為A相斷線處斷口的零序電壓降。A 相斷線的邊界條件：A 相斷線電流為0，故Ia=0；B、C 相沒有斷線，非斷線相斷線處（m、n處）電壓差為0，故ΔUb=ΔUc=0（斷線處的阻抗較小工程上可忽略不計）；將上述條件轉換成各序分量得：

由公式（1）可知A相的正序電流等于負序電流與零序電流之和，方向相反；由公式（2）、（3）、（4）可知斷口處電壓降的正負零序電壓都相同，因此可得A相的復合序網如圖2所示。

圖2 以A相斷線為例的復合序網

圖中Zm1為A 相斷口處到電源側的正序阻抗，Zn1為A 相斷口處到負荷側的正序阻抗，Z1=Zm1+Zn1；Zm2為A 相斷口處到電源側的負序阻抗，Zn2為A相斷口處到負荷側的負序阻抗，Z2=Zm2+Zn2，如電網中無旋轉設備則Z1=Z2；Zm0為A相斷口處到電源側的零序阻抗，Zn0為A相斷口處到負荷側的零序阻抗，Z0=Zm0+Zn0。為電源側電動勢，Ena為負荷側電動勢，ΔEa=Ema-Ena為斷相處m、n 兩側看進去的等效電動勢。Ia1為A 相斷線后的正序電流；Ia2為A 相斷線后的負序電流；Ia0為A 相斷線后的零序電流。由復合序網可求得各序電流為：

當負荷電流不變時，斷線前A、B、C相的負荷電流，分別記為Iaf、Ibf、Icf；其中A相負荷電流為：

將公式（5）、（10）代入公式（8）可得到B相電流：

同理可得到C相電流：

2 負荷側不接地系統，斷線相兩側不接地的特性分析

因為系統內沒有零序阻抗，因此Z0=∞（無窮大）。非斷線相電流為：B相電流：

其三相相電流相量圖如圖3所示。

圖3 三相相電流相量圖

忽略了線路的對地電容后，110 kV 變電站站內110 kV側主變中性點未接地，當發生單相斷線，電源側的中性點將偏移到BC 線電壓的中點，則可得到負荷側三相相電壓相量圖如圖4所示。

圖4 三相相電壓相量圖

由圖3 可知，當負荷站不接地系統，A 相斷線且斷線相兩側均不接地時，負荷站觀察到的B、C相電流為大小相同，方向相反的電流，系統中沒有零序分量，電源側的零序保護不會動作。

由圖4 可知，當負荷站不接地系統，A 相斷線且斷線相兩側均不接地時，負荷站觀察到的A 相電壓為正常電壓的1/2，方向與正常時相反；B、C 相電壓與正常電壓一致。

當A 相斷線時，合上負荷側站端母聯145 開關時，系統變成了雙回線經過母聯145 連接，系統兩側帶電源，兩側電源均接地的運行方式，兩側電源均接地構成零序通道，系統內正序阻抗Z1、零序阻抗Z0值不同。當斷線相原負荷電流Iaf較大時，則由公式（11）、（12）可知：Ib≠Ic，系統內必然產生零序電流。零序電流大小與負荷電流有關，負荷電流越大，零序電流越大。當負荷電流大到一定程度時，會造成電源側雙回線零序保護動作，跳開雙回線路，擴大停電范圍。

3 負荷側不接地系統，斷線點負荷站側接地的特性分析

以A相單相斷線為例進行分析，如圖5所示。

圖5 A相斷線點負荷側接地的電路圖

圖5中ZxA為A相斷口處到電源側的阻抗。ZIA為A相斷口處到負荷側主變連接處的阻抗。ZtA為主變A相帶負載后等效的阻抗。BC相同理。

圖6 為變壓器T 型等效電路圖，其中Zm為勵磁阻抗，一般情況下Zm很大。對主變來說，負荷阻抗決定了主變帶負載后等效的阻抗ZtA。在圖1 中，若主變空載、輕載或正常運行，ZtA很大；若主變重載，則ZtA較小。

圖6 變壓器T型等效電路圖

當主變空載、輕載或正常運行，ZtA很大時，圖5 的狀態和第二部分負荷站不接地系統，負荷側沒有電源，A 相單相斷線一致，不同點是負荷側有接地點。

當ZIA很大時，假設為無窮大時，則與第二部分完全一樣：負荷站A相電壓為正常電壓的1/2，方向與正常時相反。B、C相電壓與正常電壓一致，A相無電流，B、C相電流大小相同，方向相反，基本無零序電流。

當斷口接地點距離負荷站很近時，負荷站A 相電壓為0，A 相電流與B、C 相電流的合電流大小相同，方向相反。

因此，當主變空載、輕載或正常運行時，負荷站中性點不接地，發生A 相斷線，且斷線處負荷站側接地時，負荷站的A 相電壓最低為0，最高為正常A相電壓的1/2，方向與正常時A相電壓相反，B、C相電壓與正常時電壓基本一致。如果A相有電流，A相電流與B、C相電流的合電流大小相同、方向相反。這種情況短路電流較小（負荷電流水平）。

當主變重載運行，ZtA較小時，圖5 的狀態可看做BC相間短路經過渡阻抗接地與A相接地兩種狀態的疊加。這種短路狀態，零序保護和距離保護后備段可能會動作。此時狀態為：負荷站的A 相電壓較低，接近為0；B、C相電壓角度小于120°，電壓小于正常電壓；A相電流與B、C相電流的合電流大小相同，方向相反，且數值較大（故障電流水平）。對電源側來說，零序保護后備段應該能動作。

4 110 kV 負荷線路單相斷線故障的現象及調度策略

110 kV 負荷線路單相斷線后，有時不會造成線路保護動作跳閘，而是引起線路不對稱運行，產生零序和負序分量，對繼電保護、自動裝置的正確動作產生嚴重影響。同時，因缺相運行和電壓的不平衡，將導致工業用電、高鐵、地鐵等三相旋轉用電設備停運，單相供電的普通居民停電。因此，在發生110 kV及以上負荷線路單相斷線時，即使線路未跳閘但實際已經造成了部分停電，須調控值班人員高度重視，盡快分析判斷，快速有效處置。

經上述分析，110 kV 及以上負荷線路發生單相斷線后，一般會發生以下現象：線路電源開關斷線相電流下降明顯，斷線點負荷側線路所帶變電站斷線相電流降至0；斷線點負荷側線路所帶變電站斷線相電壓降至0（斷線點負荷側導線接地），或正常值的50%左右（斷線點負荷側導線懸空，未接地）；斷線點電源側線路所帶變電站電壓、電流均正常。以下以北京電網某次斷線故障為例進行現象分析，圖7 為負荷站C 相單相斷線（斷線相兩側不接地）的電壓錄波圖（負荷站的錄波）；圖8為負荷站C相進線單相斷線（斷線相兩側不接地）的電流錄波圖（負荷站的錄波）。從圖7 中可看出C 相的相電壓約為正常值的50%左右；從圖8 中可看出C 相的相電流約為0，進而可得出上述的分析準確可靠。

圖8 負荷站C相進線單相斷線的電流錄波圖

發生以上現象時，值班調控員應立即檢查線路各側變電站的電壓、電流變化，了解供電是否受到影響，排除TV 故障后，原則上可認為線路發生單相斷線缺陷，可按以下調度策略進行處置：應盡快將線路所帶負荷倒出，將線路停運；斷線點電源側線路所帶變電站（電壓、電流均正常），應采取合環倒路的方式將負荷倒出；對于斷線點負荷側線路所帶的變電站（電壓、電流異常），采取拉停線路、站內母聯自投的方式將負荷倒出，嚴禁合環操作，避免造成非故障線路跳閘，從而擴大事故范圍；對于拉停后自投未動作的情況，檢查進線開關斷開后，立即合入母聯開關。