110 kV负荷线路单相断线故障特性分析及调度策略

蔡正梓，樊 亮，刘 辉，沙立成，孙鹤林，张印宝

（国网北京市电力公司电力调度控制中心，北京 西城 100031）

110 kV负荷线路承担着大电网下送电力的任务，是城市配电网的重要组成部分。其数量多，覆盖广，所处环境恶劣多变。近年来，由于导线老旧、外力破坏以及雷击等自然灾害的影响，断线故障常有发生[1-3]。断线故障产生的负序、零序分量会导致电能质量下降，影响用户的生产，严重情况下会导致继电保护勿动，扩大停电范围[4]。此外，断线导致架空线落地，容易造成火灾以及影响人畜的安全[5-6]。因此对架空负荷线路单相断线故障特性展开研究具有重要的意义。

国内外专家学者的研究主要表现在以下几方面：文献[7]提出了一种基于智能配电网大数据分析的状态监测与故障处理方法，综合计算出网络中各节点的局部异常因子，实现断线故障的检测与定位。文献[8]利用智能配电网中存在大量异构多源的数据，从智能配电网中的应用场景出发，对多源数据融合中的不良数据辨识分析，可为电网安全运行提供数据支撑。文献[9]提出基于配用电信息系统数据和改进的随机森林算法，用纯数据驱动的方法来判断识别线路断线故障。文献[7-9]从大数据分析的角度出发，具有一定的局限性，并且不具备实时监测的能力，实际应用效果有待提高。文献[10]提出了基于计算电流相量的架空线路断线故障识别方法。文献[11-12]利用健全线路故障后零序电流和故障前负荷电流的幅值及相位的区别来识别断线故障。

上述文献中从不同的角度提出了鉴别断线故障的方法，具有一定的准确性，然而在实际断线情况下须迅速判断出故障所在位置并采取紧急调度处置措施，结合实际工作从110 kV负荷线路单相断线故障特性分析出发，提出断线故障判断方法以及调度策略。110 kV架空负荷线路断线故障可分为单相断线不接地故障、单相断线电源侧接地故障、单相断线负荷侧接地故障、单相断线两侧均接地故障、两相断线、以及两相断线且一相或者两相的一侧或两侧接地等多种状态[13-14]。鉴于两相断线及其各种状态发生的概率较低，本文只针对单相断线展开研究。

1 110 kV负荷线路单相断线故障特性分析

以A 相单相断线为例进行序网分析[15]，如图1所示。

图1 以A相断线为例的电路图

图1中线路发生A相断线，m、n为断线处两侧的节点，m为断线处电源侧的节点，n为断线处负荷侧的节点；Ia、Ib、Ic分别为断线后三相电流；ΔUa、ΔUb、ΔUc分别为三相断线处的电压降；ΔUa1为A相断线处断口的正序电压降，ΔUa2为A相断线处断口的负序电压降，ΔUa0为A相断线处断口的零序电压降。A 相断线的边界条件：A 相断线电流为0，故Ia=0；B、C 相没有断线，非断线相断线处（m、n处）电压差为0，故ΔUb=ΔUc=0（断线处的阻抗较小工程上可忽略不计）；将上述条件转换成各序分量得：

由公式（1）可知A相的正序电流等于负序电流与零序电流之和，方向相反；由公式（2）、（3）、（4）可知断口处电压降的正负零序电压都相同，因此可得A相的复合序网如图2所示。

图2 以A相断线为例的复合序网

图中Zm1为A 相断口处到电源侧的正序阻抗，Zn1为A 相断口处到负荷侧的正序阻抗，Z1=Zm1+Zn1；Zm2为A 相断口处到电源侧的负序阻抗，Zn2为A相断口处到负荷侧的负序阻抗，Z2=Zm2+Zn2，如电网中无旋转设备则Z1=Z2；Zm0为A相断口处到电源侧的零序阻抗，Zn0为A相断口处到负荷侧的零序阻抗，Z0=Zm0+Zn0。为电源侧电动势，Ena为负荷侧电动势，ΔEa=Ema-Ena为断相处m、n 两侧看进去的等效电动势。Ia1为A 相断线后的正序电流；Ia2为A 相断线后的负序电流；Ia0为A 相断线后的零序电流。由复合序网可求得各序电流为：

当负荷电流不变时，断线前A、B、C相的负荷电流，分别记为Iaf、Ibf、Icf；其中A相负荷电流为：

将公式（5）、（10）代入公式（8）可得到B相电流：

同理可得到C相电流：

2 负荷侧不接地系统，断线相两侧不接地的特性分析

因为系统内没有零序阻抗，因此Z0=∞（无穷大）。非断线相电流为：B相电流：

其三相相电流相量图如图3所示。

图3 三相相电流相量图

忽略了线路的对地电容后，110 kV 变电站站内110 kV侧主变中性点未接地，当发生单相断线，电源侧的中性点将偏移到BC 线电压的中点，则可得到负荷侧三相相电压相量图如图4所示。

图4 三相相电压相量图

由图3 可知，当负荷站不接地系统，A 相断线且断线相两侧均不接地时，负荷站观察到的B、C相电流为大小相同，方向相反的电流，系统中没有零序分量，电源侧的零序保护不会动作。

由图4 可知，当负荷站不接地系统，A 相断线且断线相两侧均不接地时，负荷站观察到的A 相电压为正常电压的1/2，方向与正常时相反；B、C 相电压与正常电压一致。

当A 相断线时，合上负荷侧站端母联145 开关时，系统变成了双回线经过母联145 连接，系统两侧带电源，两侧电源均接地的运行方式，两侧电源均接地构成零序通道，系统内正序阻抗Z1、零序阻抗Z0值不同。当断线相原负荷电流Iaf较大时，则由公式（11）、（12）可知：Ib≠Ic，系统内必然产生零序电流。零序电流大小与负荷电流有关，负荷电流越大，零序电流越大。当负荷电流大到一定程度时，会造成电源侧双回线零序保护动作，跳开双回线路，扩大停电范围。

3 负荷侧不接地系统，断线点负荷站侧接地的特性分析

以A相单相断线为例进行分析，如图5所示。

图5 A相断线点负荷侧接地的电路图

图5中ZxA为A相断口处到电源侧的阻抗。ZIA为A相断口处到负荷侧主变连接处的阻抗。ZtA为主变A相带负载后等效的阻抗。BC相同理。

图6 为变压器T 型等效电路图，其中Zm为励磁阻抗，一般情况下Zm很大。对主变来说，负荷阻抗决定了主变带负载后等效的阻抗ZtA。在图1 中，若主变空载、轻载或正常运行，ZtA很大；若主变重载，则ZtA较小。

图6 变压器T型等效电路图

当主变空载、轻载或正常运行，ZtA很大时，图5 的状态和第二部分负荷站不接地系统，负荷侧没有电源，A 相单相断线一致，不同点是负荷侧有接地点。

当ZIA很大时，假设为无穷大时，则与第二部分完全一样：负荷站A相电压为正常电压的1/2，方向与正常时相反。B、C相电压与正常电压一致，A相无电流，B、C相电流大小相同，方向相反，基本无零序电流。

当断口接地点距离负荷站很近时，负荷站A 相电压为0，A 相电流与B、C 相电流的合电流大小相同，方向相反。

因此，当主变空载、轻载或正常运行时，负荷站中性点不接地，发生A 相断线，且断线处负荷站侧接地时，负荷站的A 相电压最低为0，最高为正常A相电压的1/2，方向与正常时A相电压相反，B、C相电压与正常时电压基本一致。如果A相有电流，A相电流与B、C相电流的合电流大小相同、方向相反。这种情况短路电流较小（负荷电流水平）。

当主变重载运行，ZtA较小时，图5 的状态可看做BC相间短路经过渡阻抗接地与A相接地两种状态的叠加。这种短路状态，零序保护和距离保护后备段可能会动作。此时状态为：负荷站的A 相电压较低，接近为0；B、C相电压角度小于120°，电压小于正常电压；A相电流与B、C相电流的合电流大小相同，方向相反，且数值较大（故障电流水平）。对电源侧来说，零序保护后备段应该能动作。

4 110 kV 负荷线路单相断线故障的现象及调度策略

110 kV 负荷线路单相断线后，有时不会造成线路保护动作跳闸，而是引起线路不对称运行，产生零序和负序分量，对继电保护、自动装置的正确动作产生严重影响。同时，因缺相运行和电压的不平衡，将导致工业用电、高铁、地铁等三相旋转用电设备停运，单相供电的普通居民停电。因此，在发生110 kV及以上负荷线路单相断线时，即使线路未跳闸但实际已经造成了部分停电，须调控值班人员高度重视，尽快分析判断，快速有效处置。

经上述分析，110 kV 及以上负荷线路发生单相断线后，一般会发生以下现象：线路电源开关断线相电流下降明显，断线点负荷侧线路所带变电站断线相电流降至0；断线点负荷侧线路所带变电站断线相电压降至0（断线点负荷侧导线接地），或正常值的50%左右（断线点负荷侧导线悬空，未接地）；断线点电源侧线路所带变电站电压、电流均正常。以下以北京电网某次断线故障为例进行现象分析，图7 为负荷站C 相单相断线（断线相两侧不接地）的电压录波图（负荷站的录波）；图8为负荷站C相进线单相断线（断线相两侧不接地）的电流录波图（负荷站的录波）。从图7 中可看出C 相的相电压约为正常值的50%左右；从图8 中可看出C 相的相电流约为0，进而可得出上述的分析准确可靠。

图8 负荷站C相进线单相断线的电流录波图

发生以上现象时，值班调控员应立即检查线路各侧变电站的电压、电流变化，了解供电是否受到影响，排除TV 故障后，原则上可认为线路发生单相断线缺陷，可按以下调度策略进行处置：应尽快将线路所带负荷倒出，将线路停运；断线点电源侧线路所带变电站（电压、电流均正常），应采取合环倒路的方式将负荷倒出；对于断线点负荷侧线路所带的变电站（电压、电流异常），采取拉停线路、站内母联自投的方式将负荷倒出，严禁合环操作，避免造成非故障线路跳闸，从而扩大事故范围；对于拉停后自投未动作的情况，检查进线开关断开后，立即合入母联开关。