中压配电网单相断线故障电压和电流仿真分析

徐铭铭，常仲学，王晓卫，马建伟，宋国兵

（1.国网河南省电力公司 电力科学研究院，河南 郑州 450052；2.西安交通大学 电气工程学院，陕西 西安 710049）

中压配电网单相断线故障电压和电流仿真分析

徐铭铭1，常仲学2，王晓卫2，马建伟1，宋国兵2

（1.国网河南省电力公司 电力科学研究院，河南 郑州 450052；2.西安交通大学 电气工程学院，陕西 西安 710049）

因为中压配电网断线故障得不到及时处理而造成的人身伤亡事故时有发生。文章仿真分析了中压配电网发生单相断线不接地故障后变电站母线电压以及各出线的电压和电流的特征，为断线识别奠定了基础。

中压配电网；单相断线； 故障特征；人身安全

0 引言

配电网是直接面向用户的供电网络，是电力系统的重要组成部分，配电网的发展速度与经济发展水平及人们的生活息息相关、密不可分。

目前我国大部分城市采用10kV中压等级向用户供电。一直以来，中压配电网的单相接地故障被广泛关注和研究[1-3]，对于断线故障的研究则相对较少。原因一方面是断线故障如果不伴随接地故障，运行人员很难发现，另一方面是人们还没有充分重视这个问题。由于雷击等原因[4-5]，电力系统的单相断线故障时有发生，如果这类事故不能得到及时处理，人触碰线路或者经过事故现场由于跨步电压就会造成人身触电事故。随着社会的发展，人们对社会生产中的人身安全越来越重视，所以我们有必要深入分析配电网发生断线后的故障特征并提出断线识别方法。

基于以上原因，本文试图通过仿真分析断线故障发生后变电站母线电压以及每条出线的电压电流特征，为断线故障识别奠定基础。

1 断线故障的分类

根据工程运行情况，中压配电网断线故障分为4类，即断线不接地故障、断线电源侧接地故障、断线负荷侧接地故障和断线电源侧负荷侧都接地故障。如图1所示。

断线且电源侧和负荷侧都接地的情况与传统单相接地故障类似，其故障特征已有众多文献分析[6]，传统的小电流接地选线装置就可以处理这两种故障。实际上，断线不接地故障和断线负荷侧接地故障的变电站侧具有类似的故障特征，所以本文主要仿真分析断线不接地故障特征。

图1 配电网断线故障的4种类型

2 断线不接地故障特征

基于PSCAD电磁暂态仿真软件建立如图2所示的中压配电网仿真模型。由于中压配电网分支众多，要把所有分支反映在仿真模型中并不现实，所以需要将复杂的网络分支加以归并简化，得到图中的等效模型。该模型中，35kV变电站有两回进线，通过两台主变压器配出的10kV系统为单母线形式；母线带有4条馈线，出线上各区域的编号如图中所示。其中，区域1、3、5、10为电缆，区域2、9、11、12、13为架空绝缘线，区域4、6、7、8、14为架空裸导线。消弧线圈装在所用变中性点上。开关K打开时，系统为中性点不接地系统；开关K闭合则为消弧线圈接地系统，过补偿度取为10%。仿真数据采样率为10kHz。

图2 10kV配电网仿真模型

仿真中性点不接地系统区段1末端发生A相断线不接地故障，故障时刻为0.1s。给出母线相电压和线电压、4条出线的相电流、母线电压的正负零序分量以及4条出线电流的正负零序分量。

从图3可以看出，A相电压升高，BC两相电压降低，也即故障相电压升高，非故障相电压降低，这是断线故障母线电压的主要特征，可以作为断线识别的启动判据。

图3 母线相电压

从图4可以看出母线线电压依然对称，所以对于健全线路来说并不影响供电，此特征和小电流接地系统的特征相同。

图4 母线线电压

从图5可以看出，当发生断线故障后，系统出现负序和零序电压，其中负序电压和正序电压相位相同，零序电压较小，同时断线故障后正序电压保持不变。

图5 母线正负零序电压

从图6可以看出故障线路故障相的电流基本为0，健全相的电流相位相反，大小基本相等。

图6 线路1三相电流

从图7、图8、图9可以看出健全线路的三相电流基本对称，所以中压配电网发生断线故障后健全线路的供电不受影响。

从图10可以看出故障线路的零序电流较小，正序电流突变很大，且故障后正序电流大小等于负序电流，相位相反。

从图11、图12、图13可以看出发生断线故障后健全线路的正序电流基本保持不变，出现很小的负序电流和零序电流。

图7 线路2三相电流

图8 线路3三相电流

图9 线路4三相电流

图10 线路1正负零序电流

图11 线路2正负零序电流

图12 线路3正负零序电流

图13 线路4正负零序电流

3 结论和展望

文章基于PSCAD电磁暂态仿真软件对配电网单相断线故障进行了仿真，得到以下结论：

1）配电网发生单相断线故障后，三相母线电压中故障相电压幅值增大，非故障相减小。三相线电压依然对称，不影响对健全线路的供电。

2）配电网发生单相断线故障后，系统出现负序和零序电压，其中负序电压和正序电压相位相同，零序电压幅值较小，同时断线故障后正序电压保持不变。

3）单相断线故障后故障线路的故障相电流变为0，非故障相电流大小基本相等，相位相反。健全线路的三相电流依然对称，幅值基本保持不变。

4）单相断线故障后故障线路的正序电流减小，出现负序电流和零序电流，负序电流幅值较大，与正序电流相位相反，零序电流较小。健全线路正序电流基本保持不变，负序和零序电流都较小。

文章通过仿真得到的故障特征是配电网单相断线识别的前提，为以后研究快速断线识别方法以及开发相应的装置奠定了基础，后续还需要研究断线识别的判据以及开发相应装置，而装置投运后将提高配电网断线故障处理的效率，大大降低人身触电伤亡事故的概率，所以本文的研究工作具有重要的意义。

（责任编辑 杨文忠）

[1] 唐金锐,尹项根,张哲,等.配电网故障自动定位技术研究综述[J].电力自动化设备,2013,33(5):7-13.

[2] 揭林玲,唐昆明,张太勤,等. 基于暂态信号相频特性的小电流接地选线研究[J].电力系统保护与控制,2009,37(3):50-54.

[3] 李森,宋国兵,康小宁,等.基于时域下相关分析法的小电流接地故障选线[J].电力系统保护与控制,2008,36(13):15-20.

[4] 王茂成,吕永丽,邹洪英,等.10kV绝缘导线雷击断线机理分析和防治措施[J].高电压技术,2007,33(1):102-105.

[5] 陈维江,沈海滨,陈秀娟,等.10kV配电网架空绝缘导线雷击断线防护[J].电网技术,2007,31(22):34-37.

[6] 唐明淑,钱永亮.小电流接地系统接地故障特征分析[J].中国科技博览,2014(27):153-154.

Voltage and Currents Simulation Analysis of Single-phase Line Break Fault Characteristics in Medium Voltage Distribution Network

XU Ming-ming，et al
(State Grid Henan Electric Power Company Electric Power Research Institute, Zhengzhou 450052, China)

Due to the slow clearance of single-phase line break fault in the medium voltage distribution network, personal injury accidents have occurred several times. This paper analyzed the characteristics of bus voltage and curren ts of every feeders when single-phase line br eak occurs in the medium voltage distribution network. The result lays the foundation of fault line identification.

medium vo ltage d istribution net work; single-ph ase line br eak f ault; f ault ch aracteristics; personal safety

TM732

A

1008–2093(2016)06–0001–03

2016-10-15

徐铭铭（1985―），男，河南郑州人，工程师，博士，主要从事配电网运行研究。