基于综合判别方法的单相接地/PT断线故障自动判别及报警装置研发

孟宪影，狄藤藤，杜 飞

（国网四川省电力公司技能培训中心，四川成都610071）

0 引言

在大型厂矿自备电厂的中性点不接地电力系统中，单相接地故障[1]和PT（电压互感器）断线故障时有发生，现有装置的判据较单一，经常出现判断不及时、误判[2]或漏判，不能明确判别出PT断线发生的具体位置：是高压侧还是低压侧或是哪一相、哪两相还是三相，造成事故处理时间延长，影响电网的安全稳定运行[3]，严重是会造成用电设备损坏。因此，单相接地故障和PT（电压互感器）断线故障的故障原因判别和处理问题必须引起足够重视。

1 目前常用PT断线判据及存在问题

1.1 PT对称断线的判据及存在问题

PT对称断线，也即三相全部断线。

判据：三相电压都小于8 V，且任一相电流大于0.04倍的额定电流[4]。

存在问题：需采集相/线电压及相电流，采集量多，硬件成本较高。此外，高压侧两相断线，也满足上述判据，易出现误判。

1.2 PT不对称断线判据及存在问题

1.2.1 判据[5,6]

（1）负序电压大于8 V；

（2）三相电压的向量和大于18 V，并且至少有一线电压的模值之差大于20 V；

（3）存在一线电压模值之差大于18 V.

1.2.2 存在问题

（1）上述三个判据，仅利用单一的负序电压或相电压一个值进行判别，判据不充分，易出现误判和漏判；

（2）上述几个判据都没有判断出故障位置：是PT高压侧断线还是低压侧断线，是哪一相还是哪两相断线；

（3）上述判据没有对断线过程进行监测，不利于故障的进一步检测及处理。

为解决上述问题，本文通过理论分析、试验及现场故障实例分析，考虑一定裕度，采用三相相电压幅值、电压差值及零序电压的综合判别方法来判别故障的类型、相别及具体位置，具体如下。

2 综合法判别法原理及方法

采集得到中性点不接地系统母线/线路的A、B、C各相及零序电压幅值Ua、Ub、Uc、U0，计算得出前后两个扫描周期A、B、C各相电压幅值的差值ΔUa、ΔUb、ΔUc，Ue表示额定电压对应的电压互感器二次侧电压。以A相为例，介绍单相接地、PT断线的判别方法，B、C两相的实现方法与此大同小异。

2.1 单相接地判别方法

中性点不接地系统发生单相接地故障时，会出现故障相电压降低、非故障相电压升高，零序电压升高的现象[7]。以此为判断依据，考虑一定裕度，其综合判别方法为：零序电压U0＞50 V或A相电压差值ΔUa＞0.2Ue，B、C两相电压幅值都大于1.2倍的额定电压（Ub＞1.2Ue，Uc＞1.2Ue），且A相电压幅值小于0.8倍额定电压（Ua＜0.8Ue）时，判定为A相发生单相接地故障，如图1所示。

图1 A相单相接地综合判别方法

B、C相单相接地判别方法与之大同小异。

2.2 PT一相断线判别方法

2.2.1 PT低压侧A相断线判别

PT低压侧一相断线时，断线相电压降低（接近为0），其余两相电压基本不变，不产生零序电压。考虑一定裕度，其综合判别法为：零序电压U0≤5V或A相电压差值ΔUa＞0.2Ue，A相电压幅值Ua＜0.1Ue，B、C两相电压幅值分别介于0.9～1.05Ue之间,且U0≤5V，如图2所示。

图2 PT低压侧A相断线综合判别方法

PT低压侧B、C一相断线判别方法与之大同小异。

2.2.2 PT高压侧A相断线判别

PT高压侧一相断线时，断线相电压降得很低（约为0.33Ue），其余两相电压也有所降低，一般介于～1.0Ue之间，不产生零序电压。考虑一定裕度，其综合判别法为：零序电压U0≥5 V或A相电压差值ΔUa＞0.2Ue，A相电压幅值Ua＜0.9Ue，且B、C两相电压幅值分别介于0.8～1.0Ue之间，如图3所示。

图3 PT高压侧A相断线综合判别方法

PT高压侧B、C一相断线判别方法与之大同小异。

2.3 PT多相断线判别方法

2.3.1 PT低压侧A、B两相断线判别

PT低压侧两相断线时，断线相电压降低（接近为0），其余两相电压基本不变，不产生零序电压。考虑一定裕度，其综合判别法为：A、B两相电压差值ΔUa、ΔUb都大于0.2Ue，A、B两相电压幅值都小于0.1Ue，且C相电压幅值介于0.9～1.05Ue之间，如图4所示。

图4 PT低压侧A、B两相断线综合判别方法

PT低压侧A、C两相或B、C两相断线判别方法与之大同小异。

2.3.2 PT高压侧两相或PT高、低压侧三相断线判别

PT高压侧两相或PT高、低压侧三相断线时，A、B、C三相电压都降低（接近为0），不产生零序电压。考虑一定裕度，其综合判别法为：A、B、C三相电压差值 ΔUa、ΔUb 都大于 0.2Ue，A、B、C 三相电压幅值都小于0.1Ue，如图5所示。

图5 PT高压侧两相/高、低压侧三相断线综合判别方法

3 装置软硬件组成及连接

3.1 硬件组成及连接

中性点不接地系统单相接地/PT断线故障自动判别及报警装置由电压互感器、电压变送器、可编程控制器及触摸屏组成，其硬件接线如图6所示，本装置通过三相五柱式电压互感器（PT）将母线/线路的电压由高的线/相电压转变为额定电压为100/57.7 V的较低的交流电压，再通过单相及三相交流电压变送器将交流电压转变为0～10 V/4～20 mA的直流电压/电流信号，送到可编程控制器（PLC）的模拟量输入模块中，成比例地转换为数字后，再送到PLC的控制器中，实现母线/线路的相电压Ua、Ub、Uc及零序电压U0的信号采集。

图6 装置硬件接线

采集后的相电压、零序电压送入PLC的CPU模块进行比较分析后获得故障类型/相别等信息，发出报警信号并在触摸屏上显示出来，以备后续的故障处理使用。

3.2 软件流程

装置的软件流程如图7所示，装置在通电后，先进行初始化（对各种定值赋初始值），之后不间断地采集系统中的三相相电压Ua、Ub、Uc及其零序电压U0，判断系统是否处于运行状态，若系统处于停运状态则返回，若处于运行状态，则计算相电压的差值ΔUa、ΔUb、ΔUc.依据三相相电压幅值、电压差值及零序电压的大小，按照2.所列判据综合判断是否发生了故障，若发生了故障，进一步判断故障的性质、相别及故障发生的具体置。根据判别的结果进行故障报警，并以光字牌的形式在触摸屏上显示出来，此外，一并显示的还有故障断线的次数，持续的时间等，为进一步的故障处理提供依据。

图7 软件流程图

4 结束语

采用综合判别法判别中性点不接地系统单相接地/PT断线故障具有判据直接充分、采集装置少，硬件接线简单等特点，可判别单相接地和PT断线的故障类型、相别及故障发生的具体位置，通过PLC内部的定时器和计数器，还可对单相接地/PT断线的持续时间和断续接地/断线的次数进行统计及监测，为故障分析处理或状态检修提供依据。“报警装置”的研发应用，解决了以往大型厂矿生产设备因自备电厂中单相接地故障和PT（电压互感器）断线故障判断不及时、不准确导致的供电中断等问题，极大地缩短了事故处理的时间，稳定了各生产设备的电能供应，为安全生产提供了有力保障。