低压配电网零线断线智能检测保护装置设计

／国网伊犁供电公司 程方亮／

低压配电网零线断线智能检测保护装置设计

／国网伊犁供电公司 程方亮／

阐述在低压配电网三相四线制系统中零线断线所造成的危害，详述如何检测零线断线及其基本原理，根据该检测基本原理设计出零线断线智能检测保护装置，该装置检测到零线断线时，及时设置临时零线接地点，并通过3G无线模块将故障信息传送到相关负责人，从而避免了由于零线断线造成的损失并对及时掌握电网故障信息提供必要的帮助。

三相四线制；零线断线；电力智能保护装置；电力检测；无线传输

0 引言

为适应现代化智能电网的发展需求，保障工业安全生产和人民安全用电，提供安全稳定可靠的供电系统，本文针对在三相四线制供电系统中发生零线断线造成的故障以及所采取的解决方法做详细阐述。

在三相四线制供电系统中，在解决发生零线断线故障时，目前现有相关设备存在零线断线故障问题解决不及时，容易造成用电设备被损坏等严重事故情况发生，给用户造成一定的损失，本文设计的零线断线智能检测装置在零线断线时，能及时设置临时零线接地点，使故障区域电压基本保持平衡，很好地避免了由于零线断线所引发事故的发生。

在低压三相四线制系统中或三相五线制供电系统中，若零线因故断开，在三相负荷不平衡情况下，用户侧中性点电压将发生偏移，这将引起各相电压畸变，使各相负载的电压异常，即通过断开的零线使每两相负载串联形成回路，这样用电设备将承受线电压，由于各相负载很难达到平衡，在串联电路中负载阻抗小的设备承受电压将降低，负载阻抗大的设备承受电压会升高，在超过用电设备额定电压时该设备将会被损坏或将有更严重的事故发生；另外有部分用电设备采用保护接零的方式，这时不但起不到保护作用，这些电气设备外壳反而会带电，相当于带了相电压，也是非常危险的。

在实际应用中，由于零线断线不能及时修复，而给用户造成的损失可能会持续扩大，这样使潜在的危险持续时间更长，给人民生命和财产带来的损失可能更大、问题会更严重，这就凸显在第一时间快速将故障解决的重要性，所以及时解决零线断线故障并准确将零线断线故障信息发送到相关负责人是十分重要的，也是十分必要的。

1 零线断线保护装置设计

零线断线危害大后果严重，造成的损失无法估计，所以现在考虑在发生零线断线时，将此故障及时解决，从而避免了由于零线断线而造成的危害和损失发生，并第一时间将此故障信息告知相关负责人为及时检修、掌握电网运行情况提供了可靠的保障。

目前根据各种不同的故障综合分析，形成有效的零线断线判据，在三相四线制系统中，现在采取的是“检测中性点偏移电压”来判断零线断线，具体是通过测量“相线－零线电压”、“相线－大地电压”和“零线－大地电压”，通过精准AD测量并计算出中性点偏移电压，准确判别故障后，通过控制交流接触器将零线和大地连接构成临时工作接地点，这样使在零线断线点后侧的故障区域电网电压基本平衡，从而保证电气设备正常工作。

根据对电网用电情况的综合分析和对零线断线故障抢修的要求，现设计出以下解决方案，设计方案的特点是既能准确检测零线断线故障又能及时将零线和大地连接，形成有效的零线，使故障区域电网电压基本保持平衡，从而避免了因零线断线所引发事故的发生；同时将故障信息通过无线传输及时传送给相关负责人。

该方案根据以上的判据原理设计开发出“零线断线智能检测保护装置”，该装置通过实时检测三相电的运行状态，来判断电网零线是否断线、检测电网三相电是否有缺相等故障。该设备设计采用由开关、电压互感器、32位MCU处理器、A/D采样、控制按键、LED显示、继电器、3G/4G无线传输模块、数据终端APP控制软件、蓄电池、交流接触器、接地端子等部分组成，为了防雨、防潮、防尘将这些元件统一安装在机箱中，如图1所示。

图1 设备结构框图

具体设计是将三相四线制的Ua、Ub、Uc、Un分别与相对应的电压互感器PTa、PTb、PTc、PTn相连接，互感器将电网电压转换为32位MCU处理器A/D采样可测量的电压信号。这时32位MCU处理器可测量火线对零线电压、火线对大地电压、零线对大地电压，当测量出火线对零线电压在220V±20%范围时，电网正常运行，交流接触器不动作、不闭合；当火线对零线电压超过220V±20%范围时，并且火线对地线电压在220V±20%范围时，计算出此时的中性点偏移电压，如中性点偏移电压超过设定阈值，此时MCU控制器通过计算各相电压值来分析、判断确认是否为零线断线。一旦确定零线断线MCU处理器控制继电器将Ua、Ub或Uc当中的某相电压通过交流接触器控制线圈和大地构成回路来控制交流接触器闭合，将连接在交流接触器触头L的零线和触头T的大地线相连接，形成临时零线接地。这样使该部分的电网电压基本达到平衡，使该范围内相关用电设备可以在额定电压下稳定运行，同时发出故障信息给终端设备APP控制软件，通知相关负责人。

为了第一时间将故障信息传送到相关负责人，在产品方案设计时增加了Wifi模块和3G/4G无线传输模块部分，该3G/4G无线传输利用“联通”或“移动”网络，这样就可实现只要有手机终端无线信号的地方都可以接收到故障信息。

在手机接收端采用APP交互操作软件，该APP软件可以接收检测到电网运行的一些实时数据信息、电网故障信息、故障提示信息和装置运行数据信息、参数设置等相关功能。如图2所示。

图2 APP交互操作软件界面

在方案设计时将MCU控制器和220V电源部分进行隔离处理，这样增强产品稳定可靠性。设备供电方式采用双电源供电模式，即在电网直接取电和蓄电池供电方式，这样即便是在电网电压供电异常情况下，也能保证设备正常工作，也可以将故障等信息传送到相关负责人，使其及时掌握电网运行情况。

2 结束语

将该零线断线智能保护装置应用在低压配电网三相四线制线路中，如果在该线路中发生零线断线故障，该设备自动在80ms内将零线和大地连接，实现零线临时接地，保证故障区域电网三相电压基本保持平衡，保证用电设备正常工作，同时将故障信息发送到相关负责人。

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