配电线路单相断线故障保护方法

崔树勇

【摘  要】近些年，我国的用电量不断增加，为了减小单相断线故障对供电质量造成的不良影响，针对配电线路单相断线故障，提出了一套系统的保护方法。利用电路原理和中性点电压偏移理论，对简单断线故障和伴随接地的复杂故障情况下线路首末两端电压和流经线路的电流特征进行了分析，总结了各电气量的变化规律，提出了一组由电流判据和电压判据组成的单相断线故障判断和保护方法。研究了基于电压判据的断线故障类型及故障区段的判断方法，进一步分析了不对称运行、互感器断线等异常情况对所提判据的影响和相应的改进方案。利用PSCAD/EMTDC仿真软件进行了算例仿真，结果验证了理论分析结果的正确性和断线故障保护方法的有效性。

【关键词】配电线路;断线故障;故障诊断;断线保护

引言

电力系统中性点的运行方式主要有直接接地和不接地（包括经消弧线圈接地）两种。10kV配电系统位于电力系统末端，担负着为用户直接供电的重任，为提高供电可靠性常采用中性点不接地的运行方式。但在实际运行中，电网监控人员经常监视到10kV母线电压不平衡现象。10kV配电线路分布面广、总长度长、运行环境复杂恶劣，单相接地和断线故障时有发生是造成10kV母线电压不平衡的主要原因，并导致母线侧PT（电压互感器）三角开口电压升高，严重威胁供电的安全性和可靠性。当PT开口电压值达到电压继电器整定值（一般为20～30V），继电器动作，发出接地信号。由于10kV线路未专门设置零序保护，在继电器发出接地报警信号后只能依靠调度值班员的判断来处理故障。若接地和断线分辨不清、判断不准，将会造成不应有的损失，甚至扩大事故影响范围。因此，正确区分10kV配电线路单相接地与单相断线有重要的现实意义。摒弃复杂的对称分量法及复合序网，采用基本电路理论来分析10kV配电线路发生单相接地、单相断线后系统电气量（电压、电流）的变化规律，从中找出两者的区别。

110kV配电线路断线故障发生的原因

笔者根据自身多年实际工作经验，归纳并总结出10kV配电线路断线故障的原因如下。（1）机械外力破坏。随着建筑施工规模在不断扩大，项目的数量在不断增多，越来越多大型工程不按照规章制度具体施工，在施工过程中进行挖掘、爆破等作业中很容易破坏10kV配电线，导致电网无法正常运行，同时在用电设备操作不当的情况下，配电线路也会出现故障，发生短路或者是过大电压问题。（2）电网运行环境影响。10kV配电线路的运行环境比较恶劣，受到地质条件、自然影响以及雷击等，可能造成线路绝缘损坏，影响电路的正常运行。（3）电气本身问题。配电线路由于自身质量问题，其绝缘性能以及电线材质都有可能导致故障发生，直接影响线路运行的稳定性。（4）设计和安装不合理。配电线路在安装中，接线错误或者是绝缘材料安装不当，并且在线路设计中，对选址、高空架线等设计不合理都有可能出现配电线路断线故障。

2配电线路单相断线故障电气量分析

2.1电流变化特征分析

理想情况下故障相电流变为0，两非故障相电流大小相等，方向相反，无零序电流。如果考虑故障点和测量点之间存在负荷分支，则故障相的电流降低但不会降至0，两非故障相电流大小相等，相位差小于180?但大于120?，越靠近故障点，故障电流特征越明显。当系统的分布电容较大，发生A相断线同时一点接地的复杂故障时，接地侧的A相电流为系统非故障相电容电流之和，但此电流一般不大于20A，且表现为无功电流，与负荷电流有较大差别。对于正常相，电容电流对相电流相位的影响是一致的，而分布电容电流远小于负荷电流，可以认为相电流变化规律基本不受接地的影响。

2.2电压分析

10kV配电线路A相金属性接地时，故障点处三相电压相量如图1所示。

故10kV配电线路发生单相金属性接地时，接地相的对地电压降到0;非接地相的对地压升高为线电压，PT三角开口电压U0达到电压继电器动作条件，发出接地信号。

3单相断线故障判断与保护方法

3.1单相接地处理方案

造成配电线路单相接地原因大致有：配电变压器台上的熔断器绝缘击穿;导线断线落地或搭在横担上;导线在绝缘子中绑扎或固定不牢，脱落到横担或地上;因风力过大，导线与树木刮擦;配电变压器高压引下线断线搭落在横担上;配电变压器高压绕组单相绝缘击穿或接地;绝缘子、避雷器等绝缘击穿;同杆架设导线上层横担的拉线一端脱落，搭在下排导线上;鸟害;飘浮物（如锡箔纸、铁丝等）及其它偶然或不明原因。当10kV配电线路发生单相接地时，监控人员应及时汇报调度员并做好记录。调度员一般可以通过逐条试拉找出接地线路。试拉时要遵循以下原则：先拉架空线路后拉电缆线路;先拉分支多线路后拉分支少线路;先拉较长线路后拉较短线路;先拉负荷轻的线路后拉负荷重的线路。当拉开某条线路时，系统接地信号消失，则该线路就是发生单相接地的线路。找出接地线路后调度员应立即通知变电站运行人员去站内检查设备、通知配电线路运行维护人员巡线、通知高压检查员检查用户设备。在系统未发生谐振前，接地线路一般仍可以继续保持运行1～2h。虽然10kV配电线路单相接地时允许继续向用户供电，但这时非故障相电压会升高，很可能击穿绝缘薄弱点，从而引起两相接地短路故障，对电网设备造成损坏。因此需要在较短的时间内消除接地故障。对于较长线路，为了能及时隔离故障点，可以采取分段试拉判断法将后段线路分段开关断开，如果得知接地故障消。

3.2单相断线故障保护的启动

一般而言断线故障时电流特征变化明显，可用来构成启动判据，如图所示。

式中：i为各相电流采样值的变化量;（）in和（）inN为当前时刻及1个工频周期以前时刻的电流采样值;1ki为对连续k个i求和，12kN;NI为线路额定电流;setk为整定门槛值系数，可取0.5。式（4）中第一个条件是反应电流降低，第二个条件要求电流降低的幅值要达到一定要求，同时满足这两个条件才启动断线保护。同时可以通过上式判定1kij最大的一相为断线相。

3.3多相断线故障检测及其定位

在实际10kV配电线路中，发生单相断线故障时，断开的导线可碰触大地，造成斷线加接地的复杂故障。单相故障发生后，断口处电源侧与负荷侧两侧导线是否接地，将其分为单相断线加电源侧接地、单相断线加负荷侧接地及单相断线加两侧均接地三种类型。除此之外，还可能出现两相、三相断线，并伴各种类型接地故障。

结语

电力维修人员通过对单相断线及接地故障进行检测和定位、多相断线及接地故障碱性检测和定位，分析电源侧电压、电流以及零序电压、电流的变化状况，对比故障前后电压及电流数值的变化，进一步提高断线故障检测的时效性和准确性，确保线路在发生断线故障后，能够快速检测并定位，从而及时排除断线故障，恢复供电，为用户提供高质量的供电服务，确保整个电力系统的稳定、可靠运行，提升电力企业的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]谢俊，李勇，刘宏君，等.线路纵联零序方向保护误动机理分析及对策研究[J].电力系统保护与控制，2017，45（4）：19-25.

[2]王庆华.配电线路断线故障的分析[J].广西水利水电，2011（6）：57-60.

（作者单位：国网黑龙江省宝泉岭电业局有限公司城区供电所）