一种基于直流注入法的低压电网零性线断线检测方法

2021-11-24李佳粤姬魁前李建纲陈治廷周浩然

科技创新与应用 2021年32期

杞姝，李佳粤，姬魁前，李建纲，陈治廷，周浩然

（云南电网有限责任公司昆明供电局，云南昆明 661100）

低压电网与用户连接并提供供电服务，要求其持续、可靠、稳定运行[1-4]。然而受系统扰动、电力设备运行工况及性能等影响，低压电网出现多类故障，其中零性线（中性线）断线较为常见，引起漏电保护失效，特别是家庭用电人员触电后，漏电保护拒动的现象时有发生，可能导致人身伤亡事故。由于低压电网覆盖范围广、运行环境复杂，导致准确检测中性线断线较为困难。

当前，工程界和学术界已开展了与零性线断线相关应用和研究。文献[5]介绍了一种采用SVM 的低压配电中性线断线检测方法，该方法能较及时和准确检测中性线断线情况，但运算复杂；文献[6]结合常见的几种零性线断线保护装置方案并考虑三相不对称负载工况研发了一种新型零性线断线保护装置。文献[7]对低压配电系统中中性线断线故障后可能产生的危害进行分析，提出了防止中性线断线故障的有效措施，但没有给出具体的实现方案。

为此，本文首先介绍了已有的几种低压电网零性线断线检测技术并分析各技术的不足和缺陷，然后介绍直流注入法的实现原理及优点；最后，以实际运行数据验证了本文所提方法的有效性。

1 电网零性线断线机理及主要危害

在三相四线制星型配网供电系统中，配变三相电压与中性线可灵活为单相负荷用户和三相负荷用户供电。在合理分布三相负荷的情况下，基于矢量叠加运算可知，中性点电压为零，同时当某相发生故障时，其他两相依然有效运行，用户负荷不中断，从而能提高供电可靠性，减少用户损失。然而系统中性点异常，如接地不良好，甚至出现断线时，通过三相电压矢量叠加计算分析可知，此时中性点发生位移，即原有中性点电位不再为0，此时相电压显著升高，并远远超出电压偏差要求的235.4V 的电压上限，最终可能导致用电设备无法承受过高电压而产生故障甚至烧坏。如果采用保护接零的设备发生外壳漏电时，保护装置不能正确动作，对人身安全构成威胁。中性线断线后，即使三相负载平衡，但当三相负载使用不同步时，也会使三相负载电压发生变化，影响用户使用。

另一方面，当三相负载接近平衡或者完全达到平衡度，利用三相电流矢量叠加分析可知中性线电流较小甚至为0。而实际工况中，三相负载通常是不平衡的，特别是城市老旧台区、偏远农村地区，三相不平衡问题超标情况严重，此时中性线电流较大，并最终通过中性线（零性线）返回变压器。一旦零性线断开，将加剧中性点电位偏移程度，此时对配变维护影响极大，甚至威胁运维人员安全。因此，低压系统中使用三相四线供电方式时是不允许中性线断路时间较长这种问题存在的。

2 几种常见低压电网零性线断线检测技术

2.1 引入星型电容器检测法

通过引入星形电容器过电压保护电路实现对中性线断线故障检测。其原理在于三相电源前端分别引入三个等值电容器形成新的参考中性点，通过检测原有中性点和新的参考中性点电压幅值判断是否出现零性线断线问题。

具体实现原理如图1 所示，图中UA、UB、UC 分别表示配电变压器低压侧三相电压，rA、rB、rC 则为三相负载，rO 是零序阻抗，N N′为零性线；引入的三个电容器接入新的参考点N″处，同时在N′与N″加载过电压继电器，通常UN′N″电压较低，电压继电保护器导通，当因中性点断线等原因引发N′点电压偏移时UN′N″电压升高，一旦超过阈值将触发电压继电器动作。考虑到设备上的电压变化不超过20%，否则会引起设备绝缘击穿甚至烧坏，按此估算，相应的偏移值为220V*20%，即44V，因此中性点电位升高不超过44V，据此选择的电压继电器的动作值应小于改值才能达到保护用户设备的目的。

图1 引入星形电容器过电压保护电路的原理电路

该方案的另外一个作用在于可以利用电容器补偿无功从而调整配变首端电压，以提高功率因数，在兼顾零性线断线保护及无功补偿要求下，还要综合考虑环境等因素，以确定电容器型号和容量。

此方法的优点是原理简单，且可以实现线路无功补偿，提高功率。缺点在于无法识别缺相运行或因负荷引起的三相不平衡导致的中性点电压偏高问题。

2.2 负荷过电压法

负荷过电压法的核心思想在于考虑利用多组负荷形成新的中性点电压参考点，在正常工况下，各组负荷间中性点电位相等，因此电压近似为0，一旦其中一组负荷中性点电位偏移时，组间中性点电压升高，利用电压继电器及交流接触器配合完成相关检测和动作；以图2 为例，展示了最简单的两组负荷的情况，图中ZA1，ZB1，ZC1为第一组A、B、C 的三相负荷，可以认为是构建了一个三相供电系统，另一组也是类似（ZA2，ZB2，ZC2分别表示第二组三相用户）的。在每组三相负荷零性线汇合处接一只电压继电器KU，该电压继电器的另一端则接入电源的中性点；同时，每一组负荷与火线之间接交流接触器KM，用于保护对应单位；正常工况下，根据基尔霍电压定律分析，可以认为N′1和N′2电位相同，可等效为同一点，则UNN′=UNN′2=0，此时因电压继电器KU1，KU2 感知电压较低，几乎接近0，因此电压继电器接通，电网正常运行；一旦系统中某组负荷异常时（如零序断线或（和）三相不平衡严重），N′1和N′2近似为同一点，以N′代替，UNN′≠0；如果UNN′的值大于电压继电器的整定值时，电压继电器KU1，KU2 动作，接于两相火线之间的常闭触头断开，交流接触器KM1，KM2的线圈断电，KM1，KM2 的主触头断开，这样就切断了全部用电单元的电源，保护了负荷；同理，如果零性线在2 点断开且第二单元用户负荷不平衡时，则N′2和N点之间的电压不等于零，若此值大于电压继电器的整定值时，电压继电器KU2 动作的结果即切断该用电单元的供电。

图2 负荷过电压保护电路原理图

负荷过电压法原理简单，且加装设备成本较低，同时可提高系统稳定性。然而，合理评估并选择分组负荷较为关键，若选择不合理时该方案相关设备可能误动。同时，其也存在引入星形电容器法的问题，即不能分辨缺相运行或因负荷引起的三相不平衡导致的中性点电压偏高问题，导致勿动可能增加，直接导致供电可靠性降低。

2.3 低压PT 检测法

该方法是在被保护负荷与电源间增加一只低压PT（电压互感器），利用电压互感器的开口三角形绕组直接测得零序电压。正常情况下（零性线未断开），开口三角绕组输出电压近似为零。当零性线断开后，开口三角绕组输出电压迅速上升。原理接线如图3 所示。当然也存在负荷对称时发生断线不能正确动作的问题，此时不动作也不会对负荷造成危害。

图3 低压PT 检测保护方案

3 直流注入法

本文所采用的直流注入法如图4 所示，在图3 方案的PT 中性点上串入一只电容器，同时，电容器两端并联一个低压直流电源Es，即为直流注入法的源，rs是直流电源串联的输出电阻。

图4 中性点直流注入法

当系统正常运行时，根据基尔霍电压定律，直流电源与零性线形成回路，在忽略线路阻抗的情况下，rs上的电压几乎为Es。一旦系统零性线断线发生，此时Es与负载构成新的电压回路，而负载阻抗是很大的，不能忽略，rs中电压与负载阻抗串联，根据欧姆定律可知，电压下降至（rs/R）*Es，因此rs电压的变化可实现检测。

为了克服第二部分所提出的几种方法的不足，需要结合PT 开口三角电压情况开展相应措施。因开口三角形电压的原理在于将三相绕组首尾相连，即完成三相电压矢量和计算，因此等效于检测三相电压平衡状态。当PT 开口三角较低时，说明三相负载可以均衡运行，而PT 开口三角升高并超出阈值时，结合直流源阻抗电压变化为（rs/R）*Es时，需要采取相应保护措施。该方案优点在于利用直流注入法能有效检测到断线故障，通过PT 开口三角形电压判断系统当前平衡情况，若系统依然运行于对称平衡状态则不采取停电等保护措施，极大提高系统运行可靠性。