小电阻接地系统单相断线故障分析及对策研究

盛方正，陈福良，范秉翰，王文成

（上海市电力公司浦东供电公司， 上海 200122）

小电阻接地系统单相断线故障分析及对策研究

盛方正，陈福良，范秉翰，王文成

（上海市电力公司浦东供电公司， 上海 200122）

在城市中压配电网中小电阻接地系统是很常见的，这类系统一般不会配置专门用于反应断线故障的继电保护装置，发生断线故障后往往由用户首先发现，供电部门在处理这类故障时存在延时问题。为此，分析了变压器高压和低压侧单相断线对用户造成的影响，计算出故障后零序、负序分量，证明目前配电网通常配置的过流和零序过流保护难以反应此类故障，提出了利用零序和负序故障分量对单相断线故障进行判断的改进方法。

小电阻接地；单相；断线；继电保护

0 引言

单相断线故障是配电网较常发生的故障，由于配电线路自身的特点，当某馈线发生单相断线故障时，引起的母线相电压、相电流变化不明显，从而不易被发现，但持续不对称运行将对用户产生不利影响。非全相运行时，虽然与短路故障相比后果一般较小，但是对电力系统的影响还是不应小视，应尽快确定故障线路并及时报警[1-2]。目前中压配电网一般不会配置专门反应断线故障的保护装置，往往带故障运行很长时间由用户反映后供电部门才发现故障，这与配电网自动化发展的趋势并 不相称[3-4]。 随着 用户对电 能质 量要求的提高，如何快速、准确地反应断线故障是供电部门应该考虑的一个课题。

目前在城市电网中，中压配电网变电站（比如35 kV 变电站）常用的一种接地方式是中性点经小电阻接地方式， 小电阻的大小一般为 5.7 Ω[5]。 通过研究在这种接地方式的电网中发生单相断线故障时，对用户用电的影响，以及零序、负序电流、电压的变化情况，提出利用零序或负序故障分量来反应断线故障的改进方法。

1 单相断线对用户的影响

在城市中压变电站中，较常用的变压器接线方式是三角形—星型，其中星型侧经小电阻接地。为说明单相断线对用户的影响，在该接线方式下，分析A相发生断线故障时用户侧电压的变化情况。

1.1 变压器高压侧单相断线的情况

不难看出图1 所示变压器是 Dyn1 型 接线。假设高压侧A相断线，在这种情况下由于B与C相间电压仍为正常线电压，即图中绕组两端电压同断线前线电压一样，根据变压器基本性质可 得 低 压 侧 绕 组 两 端 电 压 也 应 不 变 ， 同 断 线前低压侧 C 相正常相电压一致， 即：

图1 Dyn1 型接线变压器高压侧 A 相断线示意图

由于A相断线，所以流经高压A相和B相绕 组 的 电 流 向 量 应 该 完 全 一 致 ， 即大小和方向应相同，对于高压三相绕组有：

又

所以

则低压侧绕组两端电压有：

即：

故低压侧C相电压大小、方向均不变，而A相与 B 相的电压大小变为原来的 0.5 倍， 且方向与 C 相 电压 相 反。 由 于代 入 式 （1） ， 可 得 低 压 侧 线 电 压 ：

考虑到故障前正常线电压 Ul0大 小 为其 中 Up0

h是故障前相电压模值， 所以：

最后考虑低压侧相对地电压。因为已经求得相电压，所以问题就转化为求中性点O点电压。由于高压侧是三角形连接，如果A相断线，在三角型接法绕组内没有零序电流，低压侧也就无感应零序电动势，即无零序电流，所以中性点电压为零，即用户侧相电压和相对地电压相同。

由上分析可知，如果高压侧A相断线，那么在低压侧（即用户侧），a 与 b 相电压大小变为原来的 0.5 倍， c 相电压不变， 该结论对低压侧相对地电压同样适用；而 ab 线电压变为 0， bc 与ca 线电压变为原来的 0.866 倍， 显然用户端的电压下降，用户往往可以觉察到断线故障的发生。

1.2 低压侧单相断线

为便于分析，假设负载为星型对称连接，变压器低压侧绕组看成电源，系统如图2所示。

图2 低压侧单相断线示意图

2 单相断线故障分量的分析[6]

故障分量一般包含负序电压、电流和零序电压、电流，下面对单相断线后各故障分量进行分析。图3为小电阻接地系统发生单相断线后的示意图，在这类系统中，往往各级变压器都是三角形—星型连接，且在每一级电网中都仅存在一个中性点接地点。 L1是故障线路， 其中 A 相断线，L2是除了 L1之外所有非故障线路的等效线路。 母线1是第一级变电站低压侧母线，母线2是第二级变电站高压侧母线，母线3是低压侧母线，这3条母线上均装有带开口三角的 TV。

图3 小电阻接地系统单相断线示意图

2.1 零序分量分析

对于图3所示的典型系统，发生单相断线故障后， 由于第一级变电站存在一个接地点 O，而下一级变电站中高压侧是三角形接线，所以该系统仅有 1 个接地点， 零序网络没有通路， 故 3I0= 0。 为便于分析零序电压， 可将图3 转化为图4。

图4 零序分量分析图

图4 中， XS，0是除故障线路之外系统（包括非故障线路）的等效零序阻抗， U0是断线故障点零序电压分量， XL1，0是故障线路（至母线 2）的零序阻抗，由于母线2后的变压器高压侧是三角形接线， 所以可以看作零序网络开路。 TV1 和 TV2 分别是母线1和母线2上带有开口三角的压变。由于 3I0=0， 故第一级变压器中性点电阻无压降，即 U0=0， 也即母线 1 上的零序电压是 0， 从而该母线上的压变开口三角给出， 所以母线1 上的压变无法发出 3U0超过整定值的信号； 对于母线 2 上的压变 TV2， 有从而即 TV2 可以 测到 零序 电压 ， 该值 取决于 U0的大小，而 U0的值可以利用图5 计算。

图5 零序电压分量计算简图

一 般 情 况 X1≈X2， 所 以 U0≈ ES/2 ， 故3U0≈1．5ES。 在小电阻接地系统中， 所采用的压变开口三角绕组额定电压常为 100/3 V， 如果系统零序电压 U0为 ES，即 3U0=3ES， 那么开口三角给出 的 零 压 为 100 V， 而 现 在 3U0≈1．5ES， 所 以 开口三角形给出的 3U0约 50 V，这足以避开不平衡电压，并能灵敏地发出信号。比如在上海地区中压电网中， 用于发信的零序电压一般整定为 20～30 V，此时开口三角给出的零序电压足以使零序过压保护发出信号。

2.2 负序分量分析

区别于零序电流，在图3所示系统中负序电流有回路；另外，如果仅考虑负序分量，由于该分量是三相对称的， 此时中性点电压等于 0，即U0，负序=0。 图6 为负序分量分析图， 其中 O 点是系统的中性点。

图6 负序分量分析图

图6 中 XS，2是除故障线路之外系统的等效负序阻抗， U2是断线故障点负序电压分量， XL1，2是故障线路（至母线2）负序阻抗，为母线 2后 的 负 序 阻 抗 ，由 式 （4）可 得则负序电流为：

母线 1，2的负序电压分别为：

一般情况下系统阻抗较小，对于无穷大系统XS，2→ 0， 所以由式（6）可知母线 1 处负序电压很小， 母线 2 处负序电压则取决于 XL1，2/X母线2，2的大小， 该比值越小， X母线2，2越大。 实际上该比值一般很小， 因为 X母线2，2包含负载的负序阻抗， 而负载的负序阻抗一般远大于馈线自身负序阻抗，所以 X母线2，2接近于 0.5ES， 这足以躲过负序电压过滤器的不平衡输出以及三相不平衡产生的负序电压，从而不难对负序电压继电器进行整定，并且保证有较高的灵敏度。

3 继电保护装置难以反应单相断线故障的原因以及对策

3.1 现有保护不反应断线故障

目前中压配电网中配置的保护是分段电流保护（包括反时限过流保护），小电阻接地系统一般还配有零序电流保护。但是这些保护对于单相断线故障反应很不灵敏，甚至没有反应。

过电流保护要躲开最大负荷电流。由于线电压和相电压不会升高（不考虑断线谐振）， 如果线路断线，一般不会产生使过流保护启动的电流，所以过流保护一般不会对单相断线故障做出反应。

如图3所示的典型系统发生单相断线故障后， 由于仅存在 1 个接地点， 故 3I0=0， 零流保护不会有任何反应，所以有必要考虑采用合适的方法有效地反应这类故障。

3.2 利用下一级变电站高压侧母线零序电压

图3中发生单相断线故障后，虽然母线1上的零序电压很小，但是母线2上零序电压却很大， 约为 0.5 倍的正常相电压， 如果在母线 2 上装设带有开口三角的压变，并通过自动化设备将信号传往调度，那么一旦发生断线故障，调度马上会收到信号，便于快速作出判断。以 35 kV 变电站为例， 由于 10 kV 出线的下一级一般是开关站、 街坊站或用户站， 在其 10 kV 母线上装设压变并不是一件困难的事情，且投资不是很大，上海浦东地区有些新上开关站已经配有压变。通过对相关设备进行改造，不难实现通过开口三角输出电压来判断断线故障的目标。

值得注意的是，母线 3上的压变无零压输出，也就是说，如果某线路发生断线，只有以该线路为进线的下一级变电站的高压母线（母线 2）所带压变才能给出较高的零序电压，而其他压变包括上一级母线（母线 1）和再下一级母线（母线3）都没有零序电压。 所以为提高供电质量， 可以考虑在重要线路之后的母线上装设压变，以提高该线路发生断线后的故障处理速度。

虽然各类接地故障也会产生零序电压，但其故障现象和断线故障有明显区别：在小电阻接地系统中，发生接地故障时，非故障相电压升高；而发生断线故障时，除非在参数配合下产生铁磁谐振，一般不会伴随明显的电压升高。

3.3 通过负序电压或电流判断

根据以上分析，发生断线故障后母线1处负序电压较小，而母线2处负序电压较大，接近于0.5 倍相电压，如果在母线 2 上装设负序电压过滤器，那么也会很灵敏地发现断线线路。

另外，因为母线1处负序电压很小，即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，所以可以考虑在各条出线上装设负序电流过滤器并在站内安装选线装置。如果某条线路的负序电流大于整定值时，则发出断线信号，调度便可根据收到的断线信号安排巡视，加快断线故障的处理。 负序电流整定值 Idz，2可以按照躲开其他线路发生断线故障产生的负序电流 I2′确定，即其中 k 为可靠系数。

4 结语

小电阻接地系统在现代城市的中压配电网中越来越普及，变压器最常见的接线方式是三角形—星型接线。针对这类典型系统，分析了单相断线对用户产生的影响，单相断线产生的故障分量包括负序、零序电压和电流，分析说明了目前配置的继电保护装置难以反应单相断线故障的原因，可根据断线后出现的零序和负序分量，快速反应单相断线故障。

[1]王薇，叶远波．一起断线加单相接地故障的保护动作分析[J]．上 海 电 力 ，2008，21（4）∶392－394．

[2]杨 洪 波 ， 任 小 炯 ．变 压 器 断 线 对 用 电 设 备 的 影 响[J]．电力学报,2001，16（4）∶301－302．

[3]屈 刚 ， 李 长 凯 ．配 电 网 架 空 线 路 断 线 故 障 定 位[J]．电 力自动化设备，2005，25（12）∶35－38．

[4]阳 家 书 ， 李 国 友 ，孙 建 华．一 次 110 kV 线 路 单 相 断 线 故障 的 继 电 保 护 动 作 分 析 [J]．继 电 器 ，2007，35（22）∶58－60．

[5]林志超．中压电网系统中性点接地方式的选择与应用[J]．高电压技术，2004，30（4）∶60－61．

[6]李 光 琦 ．电 力 系 统 暂 态 分 析[M]．北 京 ： 中 国 电 力 出 版社， 1995．

（本文编辑：杨 勇）

Analysis and Countermeasures of Single-phase Disconnection Fault in Low Resistance Grounding System

SHENG Fang-zheng， CHEN Fu-liang，FAN Bing-han，WANGWen-cheng
（Pudong Power Supply Company of SMEPC， Shanghai200122， China）

Low resistance grounding system is very common in urban medium voltage distribution networks, and there is usually no relay protection against disconnection fault in these systems.When such faults occur, these are always found by the users first.And there is delay for power supply companies to dealwith this type of fault.Through the analysis of the impactof single-phase disconnection on high-voltage and low-voltage sides of transformers on the users，this paper calculates the zero sequence and negative sequence components after the fault and proves the relay protection of overcurrent and zero sequence current in the existing distribution networks is difficult to respond to this kind of fault.In addition， it proposes the ways of improvement in detecting faults bymeans of zero sequence and negative sequence components.

low resistance grounding； single-phase； disconnection； relay protection

TM726

： A

： 1007-1881（2011）07-0006-04

2011-01-14

盛方正（1979-）， 男， 山东威海人， 博士研究生，工程师，从事变电运行工作。