小水电发电系统的非接地电网单相断线故障分析及诊断方法

禹红，郑泷康，曾荷清，李付亮

(1.湖南水利水电职业技术学院，湖南长沙410131；2.长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南长沙410114)

随着我国城市化电网的建设与改造，人们对电力的需求量越来越大。为了满足生产与用户的需求，必须要提高电网的可靠性与稳定性。

目前小水电电网一般存在线路分支多、分布广，不少安装地条件恶劣，容易出现单相断线故障，在跳线、联络线等位置断线时却又不会产生接地 (悬线)，导致三相出现不对称，系统非全相运行，电能质量变坏、系统损耗增加，联络线路断线环网不能顺利合环并网供电，不及时处理故障还会导致事故的进一步扩大。在这种情况下，小水电电网配置的保护往往又无法可靠启动自动断开故障点，保护也无法精确显示故障点位置。出现故障后小水电无法通过本身的联络开关或者其他联络线路继续并网运行，只能将断线线路潮流调至0后，退出运行，让小电网孤立运行。而且单相断线故障通常伴随着接地故障，引起火灾和电击，并容易诱发相间短路故障，导致开关跳闸，造成大范围停电，严重影响了系统的稳定性和降低了供电的可靠性[1]。

针对小水电发电系统出现的单相断线故障需要深入研究分析，制定不同故障类型的判断依据，保证线路故障可以迅速、准确地识别，提高线路检修效率，对提高小水电发电系统和供电的可靠性具有重要的价值。

目前针对电网线路断线故障问题，国内外许多文献也进行了深入地分析。文献 [2]通过采用对称分量法对220 kV线路单相断线故障进行研究，推导出故障后各序电流与故障前电流成正比例的关系，但是序电流容易受到电动势的影响，导致分析结果存在较大误差。文献 [3]通过阐述配电网输电线路中出现的一例单相断线故障，研究分析了故障相与其他两非故障相的电气量特性，为单相断线的研究提供了一种研究思路，但是没有提出具体的故障判断依据。文献 [4]针对城市中压配电网通过较小阻抗接地系统的断线故障，计算出故障后各序电压、电流分量，基于零序、负序分量的研究，提出了对单相断线故障判据改进的新方法。但该判断依据仅针对配电网小电阻接地系统，对于常规的非接地系统的单相断线故障判断缺乏理论分析。文献 [5]针对6～35 kV低压配电系统进行了分析研究，考虑到负载侧的接地点和负载特性，在小电流接地系统的单相断路与接地故障情况下，对不同位置的电压和电流进行了测量，推导出各点的电压和电流计算公式。但是，这种方法仅考虑到单相断线故障后负载侧的情况，没有对该故障进行全面分析。文献 [6]通过对故障负载电流、零序馈线电流、总线相电压、总线电压和零序电压五种电量的定性和定量分析研究，提出各种故障电路的识别方法。但是因为有些电量在提取过程中，容易受到干扰，所以识别方法的精确性得不到保障。文献[7]针对小电流接地配电网系统，分析研究了断线故障后的电量参数特性，提出以负序电流为主要参考值的故障识别方法。但是对于10 kV非接地配电网的单相断线故障分析不适用。文献 [8]分析了单项断线故障的各电气量，基于小波变换的方法提出了一套故障识别的方法，但是小波信号在采集过程中容易衰减，造成信号不稳定。文献 [9]针对重载线路断线故障进行了理论分析研究，考虑了该故障下零序电流的变化量，并研究了故障与零序电流变化量的关系，提出了基于零序电流分析的断线故障判别方法，但零序电流不稳定，影响判断的准确性。目前国内外对小水电电网联络线路断线故障的研究分析与故障诊断欠缺。

基于上述分析，本文针对含有小水电系统的10 kV配电网单相断线故障，分析了线路故障后稳态电气特性，并提出了以电流为主、电压为辅的故障诊断方法，能够精准地判断单相断线故障的发生，并且能够识别出具体的故障类型，为配电网输电线路后续保护提供可靠的动作依据，提高小水电系统运行的稳定性。

1 单相线路故障电气分析

图1是为研究含小水电系统的10 kV配电网单相线路断线情况特性构建的简易电路模型，设定L1线路中的A相发生断线，非故障线路为L2，故障点设置在F、F′处。图中M为输电线路靠近电源一侧的母线，N为靠近用户侧的母线。

图1 含小水电系统的10 kV配电系统简化结构

1.1 单相线路断线后电流稳态特性

故障发生前后相电流的相量如图2所示，经分析可得单相线路断开时相电流的特性:故障线路L1的A相电流IA会减小为0，未发生断线的两相电流也会下降，电流值变为正常相电流的 3/2倍；未发生故障的线路相电流保持不变[10-13]。

图2 故障前后相电流的相量图

1.2 单相线路断线后电压稳态特性

对于小电流接网，负载阻抗ZL相对系统阻抗ZS大得多，忽略ZS，当三相负载不平衡时，不会影响虚拟中性点N与大地O之间的电势差UNO。将电路图简化，简化系统等效电路如图3所示。

图3 简化系统等效电路图

假设系统电压是理想的三相对称，有:

由KCL有:

结合 (1)、(2)式可得:

当A相断线时，A相对地电容减小，YA将小于YB和YC，此时中性点偏移。在极限情况下，YA＝jωCA＝0，假设YB和YC相同，UNO将含有与B相和C相电压反方向的电压成分。此时有:

在实际运行中，各相对地电容不完全对称，且对于M母线下有多条线路在运行，断线相对地电容电流变化不大，所以略为减小。故A相对地电压升高，B相、C相对地电压降低且幅值相等。通过计算可知UNO最大为0.5倍UAN，最小为0。故断线相电压最大不超过1.5倍相电压，非故障相电压不低于0.866倍相电压。对于断口后端，非断线相对地电压与电源侧一样，当不考虑断线相中分布电容在负载变压器绕组产生的压降时，线电压不变，A相与B相及C相与A相共同承受反向线电压，断口后端A相电压偏移至B相、C相中分点，单相断线两点悬空向量如图4所示。

图4 单相断线两点悬空向量图

单相线路断开后，不接地时M、N侧的电压相量图如图5所示。分析可得该故障后的M、N两端电压变化特性 (其中M处于断口前端，N处于断口后端):M侧的故障相电压升高，非故障相电压减小，零序电压出现且升高，N侧故障相电压减小，相位反转180°；零序电压升高[14-17]。

图5 单相断线后不接地时M、N侧电压相量图

单相线路断开后，电源端接地故障后M、N侧的电压相量图如图6所示。分析可得该故障后的M、N两端电压变化特性:M侧故障相电压减小为0；非故障相电压升高且相等；N侧发生断线的相电压增大，相位反转180°；非故障相电压也升高且相等；零序电压出现，相位反转180°。

图6 单相断线后电源端接地时M、N侧电压相量图

单相线路断开后，负荷端接地时M、N侧的电压相量图如图7所示。分析可得该故障后的M、N两端电压变化特性:M侧故障相电压升高；未发生断线的两相电压减小，且数值等于0.86倍的正常相电压；零序电压减小。N侧发生断线的相电压减小为0，未发生断线的相电压也减小，数值等于0.86倍的正常相电压；零序电压减小为0[18-20]。

图7 单相断线后负荷端接地时M、N侧电压相量图

2 单相断线故障的诊断方法

基于以上分析，本文提出以故障电流为主要准则和故障电压作为辅助准则的单相线路断线故障诊断方法。以故障电流为主的标准来判断是否存在单相断线故障，以故障电压为辅的标准来判断具体的故障类型。

2.1 基于电流特性的诊断方法

单相断线故障中普遍存在电流幅值与相角的变化现象，所以对电流特性的研究，有利于得出该故障的通用诊断方法。

以A相线路出现断开情况为例，断线故障发生的判据是:

Ifa、Ifb、Ifc是故障后相电流的有效值，考虑10 kV负载的不平衡性，判据中I(1)(0)是故障前正序有效值[14]，dI是接近于0的正数，是由系统中允许的误差决定的，在不同负载阻抗大小情况下，判断依据同样适用。当故障电流的幅值与相角处于上述区间时，可以确定线路发生了单相断线故障。

2.2 基于电压特性的辅助诊断方法

通过电流特性为主的诊断方法可以将单相断线故障准确的判断出来，但是在实际的工程检测中，为了更好地检测维修故障线路，需要精确地识别出单相断线故障的具体种类，实行有针对性的检测方案。采用基于电压特性的辅助诊断方法，对单相故障线路进行详细的判断分类。

1)单相断线不接地故障的判断依据。

式中，E(0)是正常情况相电压的有效值，UAM、UBM、UCM是单相线路断开后电源端故障相电压的有效值。

2)单相线路断开后电源端接地故障的判据。

式中，ΔE是接近于零的正数，是由允许的误差决定的；UK是电压设定的阈值，其大小等于故障电路的最大相电压。

3)单相线路断线后负荷端接地故障的判据。

式中，UAN、UBN、UCN是A相线路出现断线情况后负荷端相电压的有效值。

3 MATLAB的仿真与故障分析

3.1 仿真验证

运行线路长度设置成20 km，假设L1线路出现A相断开的故障，故障点设置在距离M端10 km的地方，仿真时间为3 s，故障发生在1.5 s时。搭建MATLAB仿真模型如图8所示。

图8 MATLAB仿真模型

相关图形数据分析如下，其中UM表示M端电压、UN表示N端电压、I(0)表示相电流、I(1)表示序电流、I(11)表示正序电流、I(12)表示序电流、I(13)表示零序电流。正常情况下的运行参数见表1—2。

表1 正常情况下电压值kV

表2 正常情况下电流值 kA

单相线路断线后不接地时的运行参数见表3—4。

表3 单相断线后不接地时电压值 kV

表4 单相断线后不接地时电流值 kA

单相线路断线后不接地时电压波形如图9所示。

图9 单相断线后不接地时三相电压波形

单相线路断线后电源端接地时运行参数见表5—6。

表5 单相断线后电源端接地时电压值 kV

表6 单相断线后电源端接地时电流值 kA

单相断线后，电源端接地时电压波形如图10所示。

图10 单相断线后电源端接地时三相电压波形

单相线路断线后负荷端接地故障运行参数见表7—8。

表7 单相断线后负荷端接地时电压值 kV

表8 单相断线后负荷端接地时电流值 kA

单相线路断线后，负荷端接地时的电压波形如图11所示。

图11 单相断线后负荷端接地时三相电压波形

根据表6所示，可以看出单相线路断线以后的不同序电流的大小是一样的，故障相的电流会骤降为0，没有发生断线状况的相电流变为正常相电流的0.86倍，相位相差约180°。与此同时，基于上述的电气运行参数及波形变化，可知三种不同种类的单相断线故障的故障特征主要体现在两侧电压变化上。再分析单相线路断线后电源端接地故障，发生断线情况的M端相电压降低接近于0，其他未发生断线的相电压变化相同，接近于15.01 kV，且两相角差约为60°；故障后N侧相电压约为12 kV，相当于正常相电压的1.4倍，相位反转180°，其他未发生故障的相电压变化相等接近于14 kV，且两相角差约为60°。该例的仿真结果与理论分析结论相符，利用其他两种故障类型分析，也可得出仿真结果与理论分析相符的结论。所以，通过仿真验证了分析结果的正确性。

3.2 现场数据验证

采用某电力公司提供的10 kV非接地配电网现场数据验证所提单相断线故障诊断方法，在某次故障发生后，测得现场各故障运行参数见表9—10。

表9 某次现场故障电压值 kV

表10 某次现场故障电流值 kA

4 结语

本文分析了含小水电系统的10 kV中性点非接地配电网单相断线故障的特性，提出了以故障电流为主、以故障电压为辅的单相断线故障诊断方法。通过MATLAB搭建故障线路仿真模型，验证了小水电系统线路故障诊断方法的正确性。通过实验数据分析可知，该方法可以精准地判断单相断线故障的发生，并且能够有效识别具体的断线故障类型，提高了故障检测的效率，并且也得到了现场实测数据的验证，为配电网输电线路后续保护提供了可靠的动作依据，提高了小水电系统运行的稳定性。