浅析基于谐波的低压配电干线中性线断线的检测方法

王龙水

摘 要：现阶段，我国低压配电系统负荷普遍的特征就是三次谐波电流含量较大。受到这一特点的影响，配电干线首端设置了监测装置，能实现中性线断线故障的准确检测和有效保护，其主要原理在于利用线路首端三次谐波变化的检测结果，对其有无中性线断线故障问题进行判断。基于谐波的低压配电干线中性线断线的检测方法和结果进行了分析。

关键词：谐波；低压配电干线；中性线；低压配电系统

中图分类号：TM75 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.20.134

文章编号：2095-6835（2016）20-0134-02

现阶段，我国民用和工业低压配电系统中，三相四线制系统是应用率最高的一种类型，其中，性线能为维持整个配电系统的中性点零电位，这也是确保三相电压基本平衡的主要方法。在三相不平衡负荷供电的回路中，中性线断线将会造成程度不同的断线点后系统过电压问题，甚至造成电气火灾以及电气损坏问题。随着近年来低压配电系统中各种电力电子设备和电器应用的逐步完善，电力系统谐波注入问题也逐渐引起了人们的关注。

1 中性线断线故障特征分析

1.1 三相负荷平衡状态

在正常连接中性线的情况下，由于系统阻抗明显低于负载阻抗，因此，非线性设备中将会形成三次谐波电流，并通过中性线流向系统侧。但在中性线断线的情况下，故障位置将会导致非线性负载产生的谐波电流不能正常流回馈线首端，而转向负载阻抗。在此情况下，线路首端的3次谐波电流指的仅仅是故障部位的3次谐波电流，所以，从回路的首端看，在三相上能对3次谐波突变情况进行同时检测。此时，回路系统内的基波电流会因流通路径不变而在首端被检测到，并随着实际的负荷情况而发生变动。

本文将3次谐波电流的突变量ΔI3表示为：

ΔI3=I3，k-I3，k-1……. （1）

式（1）中：ΔI3为前后两次采集数据之间差值；k为第k次采集的数据。

因此，3次谐波电流突变率也可以表示为：

ΔI3%=（I3，k-I3，k-1）/I3，k×100%. （2）

1.2 三相负荷不平衡状态

如果故障部位存在负载不平衡表现，则故障后同样能在三相线路首端对3次谐波电流突变情况检测，但该阶段中性点电位将会逐渐移动。电压偏移量主要取决于三相负载的不平衡程度。若中性点电位偏移现象达到最严重的程度，则会导致轻载相电压快速提高，并与线电压相近。这一接入相的设备需要程度配电系统整体的过电压。然而，如果重载相电压逐步降低为0，则这一接入相的设备无法正常运行。所以，在负荷不平衡的情况下，低压配电干线将会出现中性线断线故障问题，其不仅表现为三相的3次谐波电流变化，还表现为线路首端各相上基波电流的变化。

从中性点电位偏移导致的基波电流突变ΔI1可知，恒功率负载可以表示为ΔI1=（Vr-Vab）/Vab×I1，恒阻抗负载可以表示为：

ΔI1=（Vab-Vr）/Vr×I1. （3）

式（3）中：Vr为负载的额定相电压；Vab为不平衡相的相线-中性线电压；I1为故障位置后负载的基波电流。

2 中性线断线故障检测判据及其灵敏度

2.1 故障检测流程及判据

故障检测程序如图1所示，其中，故障设定值分别为μ，α，σ.根据图1可以将故障的检测判断方法分为如下2点：①如果线首端三相上能对3次谐波的减小量|ΔI3%|>15%进行同时检测，则代表中性线断线故障，且随着|ΔI3%|的加大，故障位置与首端之间距离越小；②如果线首端三相上存在典型的3次谐波电流减小表现，但|ΔI3%|在10%～15%之间，且三相上分别存在K<-0.3和K>0.3，则说明存在中性线断线现象。

如果根据上述方法对故障情况加以判断，则能够对设备的设定值进行检测，且由仿真实验结果可知，误判的发生率相对较低。由此可见，这一判断方法较为符合故障判别的选择性要求。

2.2 故障检测的灵敏性分析

故障动作设定值需要避免正常条件下的系统运行状态各项参数。如果断线位置与线路末端较为接近，则会导致线路首端存在较小的3次谐波突变情况。这一现象无法得到准确的识别和检测，而这也是该方法无法实现整个线路保护的主要原因。

检测设备的动作设定值σ=15%时，则失去中性线的负载比例ΔI1？fault%在35%以上时，必然会出现3次谐波电流15%以上的改变。这一阶段检测设备能够对中性线断线故障发生情况进行准确判断。如果ΔI1？fault%小于21%，则这一方法可能无效；如果ΔI1？fault%在21%～35%之间，则也存在一定的3次谐波电流15%以上改变的概率，且该比例相对较高，这一过程中可能会出现中性线断线警报信号。

设定动作值α和σ分别设定为10%和0.3时，则需要对故障判断的灵敏度加以判断，故障发生过程中ΔI1？fault%通常超过15%. 同时，故障导致的K值变化，如果无法在三相上同时存在K<-0.3和K>0.3的变化，则无法进行准确的故障检测，但由实际的分析研究结果可知，这一情况的发生率相对较低。

3 结束语

本文对以谐波的中性线断线故障为基础的检测方法进行了论述分析，其检测设备位于线路的首端，能最大限度地降低设备维护和建设成本。其主要原则在于通过断线前后的谐波特性对故障的具体情况加以判断。本文对负荷不平衡与平衡条件下的系统分别进行了检测和判断，并得到了一种适用于全部负载条件的故障检测方案，但其在计算电流较小的线路检测中也存在一定的缺陷，主要在于末端故障可能得不到全面保护。

参考文献

[1]红桂香.农网低压配电线路加强保护消除隐患转危为安[J].供电企业管理，2015，1（06）：53-55.