基于直流信号注入的低压配电网中性线断线检测方法*
2018-01-22江智彬邓刘毅
江智彬，邓刘毅
广东电网有限责任公司 茂名供电局 广东茂名 525000
1 项目背景
在三相四线制低压配电系统中，中性线的作用是当三相负载不对称时保证中性线的电位为零，以消除中性点电位变化，使各相电压保持对称，即各相负载的相电压恒等于电源相电压[1]。三相中若有一相断路，只会影响本相，其余两相电压仍保持不变，接在此两相上的电器设备仍能正常工作[2]。中性线的存在，使三相电压保持稳定平衡[3]。
如果中性线接地不良或断线，将发生中性点偏移现象，三相电压不能保持平衡。这时线电压仍然对称不变，但各相负载承受的电压则发生改变[4-5]。有的相负载所承受的电压低于额定电压，有的相负载所承受的电压将会高于额定电压，严重时可能造成用电设备烧坏或导致负载中电压降低而不能正常工作，影响用户的使用，甚至会对人身安全构成威胁[6-7]。
目前防止中性线断线的措施包括[8-9]：平衡三相负荷，使中性线电流尽量减小；加大中性线的导线截面积；消除铜铝接头；采用三相五线制系统；配电线路重复接地等。以上措施都是从预防中性线断线角度出发的。中性线受到热效应、机械力接头氧化或外力等因素的影响，都有可能引发断线故障[10-12]，因此有效检测出中性线所发生的断线故障，并且迅速给出切除负载的信号，对保护用户及用电设备安全具有重要意义。
笔者提出一种基于直流信号注入的中性线断线检测方法，利用小信号注入原理，根据断线前后采样电阻电压的差异实现断线检测。为了确定断线点所在位置，设置断线点定位单元，若干个定位单元将中性线分成若干区间，通过比较采样电阻的电压差异，可以判断断线点所在的区间。
2 中性线断线检测原理
中性线断线检测电路原理如图1所示，断线检测装置在虚线框内，虚线框左侧为A、B、C三相电源，右侧为三相负载，N代表系统中性线，检测装置包括电压互感器PT、电容器Cs、直流电压源Es及采样电阻Rz。电压互感器与被保护的负载并联运行，并由其开口三角形绕组得到零序电压。电容器与电压互感器串联，电容器两端与采样电阻及直流电压源并联。
图1 中性线断线检测电路原理
当系统中性线未断开时，等效电路如图2(a)所示，rs为变压器二次绕组的等效电阻，rL为电压互感器直流电阻，R为负载电阻。由于变压器二次绕组等效电阻和电压互感器直流电阻阻值很小，可忽略，因此直流电压源经系统线路形成回路，直流电压基本降落在采样电阻上，则采样电阻上的电压为：
URz=Es
(1)
图2(b)所示为中性线断线时的等效电路图，采样电阻与负载电阻呈分压关系，则采样电阻上的电压为：
(2)
式(2)中，采样电阻上的电压降比式(1)中采样电阻上的电压降小很多，由此可根据采样电阻上的电压差异判断是否发生中性线断线故障。
图2 中性线断线检测等效电路图
由于断线检测装置只给出中性线断线通知，并不发出跳闸指令，因此在负载对称运行条件下，即使中性线断线也不影响负载正常运行，此时可以通过电压互感器测得零序电压，若零序电压也超出阈值，则给出跳闸指令切除电源以保护负载安全。
3 断线故障点定位
3．1 结构及原理
为了较精确地定位断线点，在图1的基础上增加若干断线点定位单元，结构如图3所示。图中包括基于直流信号注入的断线检测装置和2个断线定位单元，断线定位单元由三组电阻电感电容(RLC)谐振电路组成，电感电容(LC)并联部分对50Hz的交流电形成谐振，等效电阻无穷大，阻断交流电流入断线定位单元。因此每个断线定位单元对直流电压源的阻抗为R，谐振电路为直流电压源提供通路同时不影响电网本身供电。
图3 断线点定位单元电路图
根据线路实际需要设置断线点定位单元个数。当中性线出现断线故障时，采样电阻上的电压会随着断线点的不同而有规律的变化，即断线点越接近小信号注入单元，采样电阻上分得的电压就越小。
3．2 等效电路模型分析
以三个断线点定位单元为例，在直流检测信号下的等效阻抗分别用R1、R2、R3表示，三者阻值相同。如图4所示，三个定位单元将中性线划分成a、b、c三个区间，当系统正常运行时，由于变压器二次绕组等效电阻和电压互感器直流电阻阻值很小，可忽略，因此R1、R2被短路，采样电阻上的电压为：
图4 断线故障点定位等效电路图
(3)
当a区间出现断线故障时，变压器二次绕组等效电阻所在支路断路，则与采样电阻串联的等效电阻Re1为：
(4)
相应得采样电阻上的电压为：
(5)
当b区间出现断线故障时，变压器二次绕组等效电阻与R1所在支路断路，则与采样电阻串联的等效电阻Re2为：
(6)
相应得采样电阻上的电压为：
(7)
当c区间出现断线故障时，变压器二次绕组等效电阻、R1、R2所在支路断路，则与采样电阻串联的等效电阻Re3为R3+R，采样电阻上的电压为：
(8)
由此可知，Re1
4 仿真验证
图5 断线检测电路仿真图
图6为三相负载对称和不对称时采样电阻电压的波形。当t=0.3s时，中性线断开，可以看出负载对称时，采样电阻电压在0.3s后大幅度下降，断线前电压为4.973V，断线后为1.366V。当负载不对称时，断线前后采样电阻上电压也发生显著变化，断线前电压最大值为4.945V，断线后电压稳定值为1.371V，因此可通过比较相应阈值判断中性线状态。
图6 断线检测仿真中采样电阻电压波形
按图3所示在图5的基础上加入断线点定位单元，定位单元中的等效电阻R1=R2=R3=3Ω。当t=0.3s 时，中性线分别在a、b、c区间出现断线，采样电阻电压的变化波形如图7所示，图中分别标出断线前后采样电阻电压值。按照仿真参数计算出其理论值，见表1，由此可以看出采样电阻电压在不同断线情况下有明显差异，且实际值符合理论推导结果，因此可以作为判据，判断中性线断点所在的区间。
图7 断线故障点定位仿真中采样电阻电压
表1 中性线断线情况下采样电阻电压值
5 结束语
提出了一种三相四线制低压配电系统的中性线断线检测方法及断线点定位方法，基于直流信号注入原理，通过比较采样电阻电压在断线前后的差异，判断中性线是否断线，并利用断线点定位单元判断断线点所在区间。这一方法不受电力系统运行状态影响，可以根据实际情况灵活布置断线点定位单元位置，对工程中中性线检测与维护具有一定的参考价值。
[1] 唐志军，邹贵彬，高厚磊，等．含分布式电源的智能配电网保护控制方案[J].电力系统保护与控制，2014，42(8)：9-14．
[2] 郭云鹏，刘伟佳，文福拴．智能配电系统的发展现状与展望[J].华北电力大学学报(自然科学版)，2014，41(5)：74-81．
[3] 郭建勇，李瑞生，李献伟，等．微电网继电保护的研究与应用[J].电力系统保护与控制，2014，42(10)：135- 140．
[4] 王勇，李志勇，王永忠，等．实现三相四线制供电系统中性线断线保护智能装置的研究[J].低压电器，2011(5)：18-22，31.
[5] 郑楚韬，陈永杰．三相四线制系统零线断线检测及保护研究[J].电气技术，2008(8)：83-85．
[6] 朱雪凌，王云年，周国安．三相四线制低压配电系统中零线断线过电压保护[J].华北水利水电学院学报，2004，25(1)：33-35．
[7] 金良勇．电力局零线断线智能监测保护系统的实施及运用[J].企业技术开发，2013，32(34)：69-70，82．
[8] 雍静，周浩．基于谐波的低压配电干线中性线断线检测方法[J].电力系统保护与控制，2014，42(19)：49- 57.
[9] 逯霞．再议断N线与中性点偏移的关系[J].电气应用，2010，29(15)：32-33，52．
[10] 王鹏冲，刘伯颖，张渭澎，等．三相四线制低压供电系统中性线断线检测方法[J].电气应用，2015,34(16)：48- 50.
[11] 王龙水.浅析基于谐波的低压配电干线中性线断线的检测方法[J].科技与创新，2016(20)：134，136.
[12] 卢会东，张洋洋，杨梅.一种中性线断线保护方法及中性线断线保护器[J].山东工业技术，2016(19)：270.
