消弧线圈接地系统断线故障电压异常分析

付余民，姜涛，姜禹谦，张蕾蕾

（国网山东省电力公司威海供电公司，山东 威海 264200）

0 引言

10 kV架空配电线路容易发生由耐张杆弓子线断线，绝缘导线遭受雷击等原因造成的断线故障。当配电网为小电流接地系统时，线路断线故障将导致母线电压异常［1-2］。断线时各相电压异常主要原因是中性点电压出现偏移。随着电缆化率提高，接地电流不断增大，我国城区10 kV配电网大多采用消弧线圈接地。在中性点经消弧线圈接地系统中，断线故障时中性点偏移电压相比不接地系统增大数倍，相角也有偏移。文献［3］分析了中性点不接地系统10 kV配电线路断线故障时电压，但未考虑消弧线圈谐振接地对中性点电压偏移的影响。

在分析中性点不接地系统单相断线和两相断线电压异常分析的基础上，结合一起10 kV断线实例计算各电压偏移情况，分析消弧线圈接线系统断线时各相电压偏移原因和规律。

1 中性点不接地系统断线电压分析

1.1 中性点不对称电压

正常运行状态下中性点不接地三相系统等效图如图1所示。

图1 正常运行状态下中性点不接地三相系统等效图

三相电纳对称：YA＝YB=YC=jωC

三相对地电压对称：UA+UB+UC=0

电网中性点处于不接地状态运行，图1中三相对地电容电流只能以大地作为返回通路。根据基尔霍夫电流定律可得

根据节点电压方程，中性点不对称电压为

式中：α=ej120°，α2=e-j120°。

1.2 单相断线电压分析

假设10 kV母线只有一条线路，每相对地电容相等为C。如线路中间处A相断线，相量如图2所示，满足 CA=0.5C，CB=CC=C，那么由式（1）可以得到不对称电压

故 A 相对地电压为：UAO′＝｜UA＋UOO′｜=1.2UA

B 相对地电压为：UBO′＝｜UB＋UOO′｜=0.916UA

C 相对地电压为：UCO′＝｜UC＋UOO′｜=0.916UA

图2 A相中间断线相量

1.3 两相断线故障分析

同样假设母线只有一条线路，线路中间处B和C两相断线，且断线发生在两相对应位置。相量如图3所示，满足 CA=C，CB=CC=0.5C ，那么由式（1）可以得到。

故 A 相对地电位为：UAO′＝｜UA＋UOO′｜=0.75UA

B 相对地电位为：UBO′＝｜UB＋UOO′｜=1.15UA

C 相对地电位为：UCO′＝｜UC＋UOO′｜=1.15UA

图3 B和C相中间处断线相量

1.4 断线故障中性点电压分析

A相断线，A相对地电容减少CA＜CB=CC，定义m=CA／CB，根据式（1）可得

在图4中O′点在DO间移动，A相对地电压升高，B，C两相对地电压降低。

B，C 相断线，B，C 相对地电容减少，CA＞CB=CC，定义 m=CB／CA，根据式（1）可得

在图4中O′点在A与O间移动，A相对地电压降低，B，C两相对地电压升高。

图4 O′点在线电压三角形中位

由以上分析可知，断线后减少电容的比例决定了中性点电压的大小，从而决定了各相电压升高（降低）的大小。实际情况是10 kV母线都有多条馈线，某条线路一相或两相断线减少的电容占整个母线系统总电容比例很小，很难依据电压升高（降低）的幅度确定断线位置。

2 经消弧线圈接地断线电压分析

2.1 位移电压计算

中性点经消弧线圈接地三相系统等效电路如图5所示。图中，rL为阻尼电阻，阻尼电阻应有并联的短路开关，由于与分析关联不大，图中未体现。

图5 中性点经消弧线圈接地三相系统等效图

消弧线圈投运后，消弧线圈的电感与电网对地电容构成电压谐振回路，如图5所示，正常情况线三相对地参数不完全相同，存在不对称电压UOO′，由于线断线导致中性点不对称电压增大，回路中有增大的零序电流I0流过，于是在消弧线圈的两端产生电位差，该电位差通常称为中性点位移电压 UO″。

为了使接地电弧容易熄灭，消弧线圈靠近谐振点运行。由于电压谐振的关系，中性点位移电压UOO″远大于UOO′，所以断线故障时消弧线圈运行时中性点偏移度远大于无消弧线圈运行时中性点偏移度，因此消弧线圈投入运行时发生故障三相对地电压偏移更加严重。

图6 电压谐振等值电路

根据图6，可以计算出中性点位移电压，由中性点位移电压就可计算出各相对地电压。

2.2 计算实例

威海凤林站10 kVⅡ段母线出线如图7所示，消弧线圈容量为315 kVA，电容电流IC为21 A，脱谐度v为35%，阻尼电阻 R为 80 Ω。2018-02-08 T19∶15∶00，220 kV 凤林站城子线（027）8 号杆 B 相断线。20∶00∶00凤林站10 kV II段消弧线圈退出运行。10 kVⅡ母线电压曲线如图8所示。

由图8可知，19∶15—20∶00 消弧线圈投入，A 相电压上升（约 7 kV），B 相电压基本不变（6 kV），C 相电压下降 （5.5 kV）；20∶00—23∶00 消弧线圈退出，A相电压下降（5.7 kV），B 相电压上升（6.5 kV），C 相电压下降（5.8 kV）。

图7 凤林站10 kVⅡ段母线出线

图8 10 kVⅡ母线电压曲线

表1 凤林站10 kVⅡ段母线各出线电缆长度

凤林站10 kVⅡ段母线各出线电缆长度如表1所示。由于单位长度电缆线路对地电容是架空线路对地电容的几十倍，架空线路电容忽略不计。以UB为参考方向计算不对称电压UOO′。

消弧线圈退出后各相对地电压：

消弧线圈运行参数：

消弧线圈投运时中性点电压：

各相对地电压：

以上计算结果和调度自动化系统记录的电压曲线基本一致。

2.3 消弧线圈补偿后各相电压分析

电压谐振等值电路可采用消弧线圈电抗和阻尼电阻并联形式，如图9所示。

图9 电压谐振等值电路图（电抗和电阻并联）

考虑到消弧线圈一般过补偿运行，脱谐度v为负值，可得中性点位移电压［4］

式中：v 为脱谐度，v=（IC-IL）／IC；d 为阻尼率，d=IR／IC，阻尼率为常数，随着脱谐度变化，在复坐标系内位移电压轨迹是直线jd的反演圆即图10中虚线圆。

过补偿情况下UOO′在第四象限时，以B相断线为例，A相电压升高，所以断线相的超前相电压升高，其他两相电压因运行在不同脱谐度而不同，一般变化不大。过补偿情况UOO′在第二象限时，正常相电压升高，其他两相电压降低。

图10 位移电压与脱谐度关系

3 结语

在无消弧线圈补偿时，单相断线故障导致故障相电压升高，正常相电压降低，两相断线时故障相电压升高正常相电压降低。在有消弧线圈过补偿时，单线断线时故障相超前相电压升高，其余两相电压基本不变，两相断线时正常相电压升高，其余两相电压基本不变。在发生断线故障时依据各相电压变化情况并结合消弧线圈运行情况综合判断故障相，为故障查找定位提供可靠依据。