ABSTRACT

Since the probability of failure of longitudinal break in the power system is small, and does not cause the attention of relevant departments, when the faults occur the operation and maintenance staffs do not have enough experience to judge and deal with such failures promptly, which will severely affect the stable operation of the power system. The occurrence probability of single-phase break fault is slightly higher than two-phase and three-phase one. After theoretical analysis of the single-phase break fault, it is found that the negative sequence current value varies in a large range before and after the failure, which thus can be used to judge the break fault. Matlab/Simulink simulation verifies that negative sequence current value varies in a large range in the single-phase break fault.

Keywords:Power Systems, Break Fault, Negative Sequence Current

不接地系统单相断线故障的诊断研究

刘艳芬¹，赵永春¹，赵毅²，陈新²，张大伟²

¹北京中恒博瑞数字电力科技有限公司，北京

²甘肃省电力公司，甘肃 兰州

收稿日期：2016年3月9日；录用日期：2016年3月23日；发布日期：2016年3月31日

摘 要

由于纵向断线故障在电力系统中发生的概率较小，并没有引起相关部门的重视，因此当故障发生时运维工作人员没有足够的经验及时判断并处理该类故障，会对电力系统稳定运行造成严重影响。单相断线故障相对两相、三相断线故障发生的概率稍高些，对单相断线故障进行理论分析，得知故障前后负序电流数值的变化较大，因此可以把负序电流的变化量作为判断断线故障的依据。通过Matlab/Simulink仿真验证了单相断线故障中负序电流数值的变化较大。

关键词 :电力系统，断线故障，负序电流

1. 引言

电力系统中两个相邻节点之间出现不正常断线或三相阻抗不相等的情况时，会直接引起三相线路电流和端口两端间电压的不对称 [1] ，故障外系统其它处的参数仍是对称的，这种非全相运行的故障称为纵向故障，短路故障称为横向故障 [2] 。电力系统发生纵向断线故障后会产生具有不利作用的负序分量和零序分量。负序电流流经发电机时，会使发电机转子过热或绝缘损坏，对发电机的出力造成影响；零序电流能够干扰通信系统。此外，负序分量与零序分量的出现还会对继电保护装置造成影响，可能引起保护装置的误动作 [3] 。

由于在电力系统实际运行中，线路的断线故障发生的概率很小且断线故障因不产生故障大电流，对输变电设备危害小，在电网运行与维护中受重视的程度远不如短路故障。故障发生时，只能通过人工判断进而进行相应的处理，实际运行中，由于电力系统断线故障少，运行维护人员处理经验也少，不能准确的判断故障并采取有效的措施，很不利于电网的安全运行 [4] [5] 。在电力系统发生的断线故障中，单相断线故障发生的概率相对较大些，本文主要研究发生单相断线故障时，故障相与非故障相上的电流和电压的变化，并通过Matlab/Simulink仿真验证故障相和非故障相的电流电压变化，为电力系统调度人员判断和处理断线故障提供了理论参考。

2. 单相断线故障

10 kV配电线路的接地方式以中性点不接地方式为主，与中性点直接接地系统发生单相断线故障后的特征不完全相同。本文以10 kV配电线路单相断线故障为研究对象，利用对称分量法和负荷序网计算故障后的序分量，相电流和电压的变化情况，总结系统发生单相断线故障时的变化规律。

单相断线故障理论分析

单相断线故障的分析可以利用图1的简化电网结构图进行分析。其中在线路L上发生单相断线故障，母线M和N通过变压器连接系统的电源E_M和E_N，且变压器T₁，T₂电源E_M和E_N的中性点都不接地。

假设线路L发生A相断线故障，运用对称分量法分析单相断线故障。图2是A相断线的示意图。

从图2可以看出A相单相断线故障处的边界条件如公式(1)所示：

(1)

图1. 简化的电网结构图

图2. A相断线示意图

其中，图2和式(1)中，，分别表示流过故障点f和f'的A相，B相，C相的电流；，，分别表示故障点f和f'之间的故障端口电压。对公式(1)运用对称分量法进行计算表示，如公式(2) (3)所示。

(2)

(3)

式(2)和(3)中的，，分别表示流过故障点f和f'的A相正序、负序、零序电流；，，分别表示障点f和f'之间的故障端口电压A相的正序、负序、零序分量。画出满足公式(2)和公式(3)的复合序网图如图3所示。

为了研究线路发生纵向故障前后，线路上电流和电压的变化情况，假设A相断线前的相电流为，断线可以看作在故障点突然加入一个与断线前电流大小相等方向相反的电流源，最后对断线前后的序网图采用叠加原理进行叠加计算。图4是系统发生断线故障前的序网图。图5是系统发生断线故障后的序网图。

其中，，，是断线故障点到电源之间的正序，负序，零序阻抗；，，是断线故障点到电源之间的正序，负序，零序阻抗；是A相发生断线故障前，流过A相线路的电流；，，，是在故障点附件电流源后，流过故障端口的正序、负序、零序故障电流；，，分别表示正序，负序，零序的故障端口；，，表示系统等效的正序，负序，零序阻抗。

根据图5得到故障后的正序，负序，零序电流的计算公式：

(4)

(5)

(6)

图3. A相断线的复合序网

图4. 断线故障前的序网图

图5. 断线故障后的序网图

系统发生断线故障后断线相的正序、负序、零序电流的计算公式：

(7)

(8)

(9)

从公式(7)，(8)，(9)可以看出，系统发生断线故障后，断线相的正负零序电流只与断线故障前流过故障相的电流大小有关系，与断线故障发生的位置没有关系。

本文研究的断线故障是在中性点不接地系统中发生的。所以，对于中性点不接地系统，系统中没有零序回路，零序电路的阻抗值无穷大即。对公式(7)，(8)，(9)进行简化处理后得到公式(10)，(11)，(12)

(10)

(11)

(12)

如果不考虑系统中的旋转设备，则，，。正序电流和负序电流数值都变为故障前流经故障相电流数值的一半。可以用正序电流或负序电流的变化量作为判别检测断线故障的依据。

对于10 kV的配电网来说，系统稳定运行产生的零序电流很小几乎为零，但是发生单相断线故障后，系统中负序电流的变化量会比较大。因此，通过检测负序电流的变化量进行判别断线故障的依据会更可靠些。

3. 仿真验证

3.1. 断线故障仿真

应用Matlab/Simulink仿真软件对图1中的简化模型进行模型搭建和仿真，并验证上述理论的正确性。其中：断线故障两端的电源E_M和E_N的中性点不接地且电源E_M和E_N的电压等级不一样，仿真的采样时间间隔是0.01 s。假设系统单相–A相发生断线不接地故障。

从图6中，可以看出当A相故障发生时该相的电流迅速减小到数值0左右；当故障相恢复时，A相的电流值经过短时间的震荡之后恢复到故障前的数值。从图6中还可以看出，故障后非故障相的电流值略有降低。因此，可以从相电流数值变化量的大小进行判断断线故障发生在具体的某一相或多相。

从图7中可以看出，不接地系统发生断线故障后，序电流的数值零仍然是0；不考虑系统中的旋转设备的影响时，发生故障前后正序电流的数值变化量是故障前正序电流的一半，负序电流数值的变化量是故障前正序电流的一半。同时还可以看出故障发生前和故障恢复后系统中负序电流分量几乎不存在，因此通过负序电流数值变化量的大小判断系统中是否发生断线故障更加的可靠。

从图8中可以看出，故障前后正负零序电压数值的变化很微小，不足以作为判别依据。

3.2. 断线故障与短路故障对比分析

由于单相断线故障与两相相间接地故障在故障处的边界条件是一样的，因此对两种故障进行仿真对

图6. 故障前后相电流波形

图7. 故障前后正负零序电流波形

图8. 故障前后正负零序电压波形

比分析。设置断线故障的故障相是A相，短路故障的故障相是B相与C相。

从图9中可以看出，B、C故障相的电压下降到0，A相的电压略有升高；从图12中可以看出，断线故障A相电压略有下降，B、C两相的电压下降明显但不为零。

对比图10与图11的故障电流，可以看出短路故障非故障相的电流数值比较大；断线故障非故障相的电流数值比较小。

图9. 相间接地故障电压

图10. 相间接地故障电流

3.3. 不接地系统断线故障的对策

单相断线故障对用户用电和电网稳定会产生一定的不良影响，但在目前配电网装备的保护难以对其产生反应，因此为反应单相断线故障，提出以下的解决方案。

图11. 单相断线故障电流

图12. 单相断线故障电压

通过负序电流大小判断。由于非故障线路两端负序电压很小，所以通过非故障线路的负序电流很小，但是通过故障线路的负序电流却很大，可以考虑在各出线上装设负序电流过滤器，并在上一级变电站内安装接地故障选线装置。如果某条线路的负序电流大于整定值时则发出断线信号，调度可以根据收到的断线信号安排巡视，加快单相断线故障的处理。

4. 结论

通过对不接地系统单相断线故障的理论分析和仿真验证得到以下结论：

1) 断线故障发生后，故障相的正负序电流的数值不与故障发生的位置有关系，只与故障前流过该相的电流数值大小有关系。

2) 单相断线故障与两相相间接地短路故障的非故障相电流数值的变化不同差别比较明显；电压数值的变化不同但差别相对不明显。

文章引用

刘艳芬,赵永春,赵 毅,陈 新,张大伟. 不接地系统单相断线故障的诊断研究
Analysis on Diagnosis of Single-Phase Break Fault in Ungrounded System[J]. 电气工程, 2016, 04(01): 72-80. http://dx.doi.org/10.12677/JEE.2016.41010

参考文献 (References)