配变高压侧断线故障监测技术研究与应用

廖诗怡，范瑞祥，安 义，潘建兵

（1.华中科技大学 机械科学与工程学院，湖北 武汉 430074；2.国网江西省电力有限公司电力科学研究院，江西 南昌 330096）

0 引言

近年来，由于气象灾害、设备老化、外力破坏等原因，配电线路断线故障呈多发态势。断线故障会导致负荷侧三相电压、电流不再对称，产生的负序、零序分量将对各类负荷特别是旋转设备造成严重损害。此外，断线故障还会伴随接地形成复杂故障，由于难以及时发现，极易导致火灾和人畜触电危害，甚至发展为相间短路故障，扩大停电范围。国内外曾发生多起由于10 kV 导线断线造成的群体人员伤亡和重大财产损失事故，引起社会的广泛关注。如何快速发现断线故障并采用合理的处置措施成为亟待解决的课题。

目前，配电网相间短路故障检测技术已相对成熟，接地故障研判逐渐成为近年的热点，并且已取得较大进展[1-6]。在此基础上，相关高校与科研院所对断线故障产生的原因、过程、特征分析以及检测方法等方面也逐步开展了研究并取得了一定进展。文献[7-10]分别对不同电压线路发生断线故障的原因及过程进行分析，对工作人员分析判断故障情况具有一定的参考价值。但综合分析现有断线故障研究成果，大多存在研判算法复杂，对监测装置硬件配置与数据采集质量要求高的问题，从而导致相关成果的落地推广存在困难。

为提升配网断线故障感知与处置能力，文中提出以配电台区融合终端为感知单元，以融合终端采集的台区低压侧电压异常状态为判据，通过主动工单自动推送断线故障信息，从而确保故障得到快速及时的处理。

1 配变高压侧断线判据分析

目前常用的配变类型为Dyn11与Yyn0类型，根据两种变压器的低压侧电压异常状态，分析判断配变高压侧可能出现断线故障的情况。

1.1 Dyn11型配变高压侧断线研判

Dyn11型变压器绕组接线和高压侧向量关系分别如图1和图2所示，其中UA，UB，UC表示高压侧三相相电压，UCA，UAB，UBC表示高压侧线电压。

图1 Dyn11配变绕组接线示意图

图2 Dyn11配变高压侧相量关系图

因绕组连接方式，Dyn11型变压器低压侧相电压相位应与高压侧线电压线电压相位一致。当高压侧B相断线时，UB=0，此时UAC不受影响，即低压侧的电压应不发生较大变化。此时变压器因高压侧B相没有电压，断线出口为空载，几乎没有功率产生，则断线后的高压侧B相绕组将与A 相绕组串联，最终形成A、C相间有三个绕组的接线形式，如图3所示。在低压侧则可表现为低压侧c相电压正常，a、b相电压之和与c相相当。

图3 Dyn11型配变高压侧B相断线后绕组接线示意图

结合以上原理，依次类推A 相和C相断线的分析结果，可简化形成具备工程应用价值的判据。为降低计算量和实时处理要求，当配变低压侧检测到任意相电压小于200 V 且不同时小于200 V 后才开始判断，具体如下：

1）高压侧A 相断线时，低压侧B相电压正常（Ub＞200V）且B相为三相电压最大值，且|Ub－Ua－Uc|＜30V。

2）高压侧B相断线时，低压侧C相电压正常（Uc＞200V）且C相为三相电压最大值，且|Uc－Ua－Ub|＜30V。

3）高压侧C相断线时，低压侧A 相电压正常（Ua＞200V）且A相为三相电压最大值，且|Ua－Ub－Uc|＜30V。

1.2 Yyn0型配变高压侧断线研判

Yyn0型变压器绕组接线如图4所示。在此接线方式下，高压侧UA，UB，UC相电压相量应与低压侧Ua，Ub，Uc相量相位一致。

图4 Yyn0配变绕组接线示意图

当高压侧B相断线时，B相绕组一端空载，一端为中性点，理论电压为0，实际电压为A、C相中性点偏移电压。中性点电压此时因B相电压缺失，仅由A、C相电压不相等产生偏移。在高压侧，UA和UC相差不大，UB约等于0。在低压侧，因用户负载存在部分不平衡现象，Ub会有一定的电压产生，暂时定义为U'b。此时U'b应为Ua、Uc中性点电压偏移量的值，即U'b=|Ua－Uc|。

结合以上原理，依次类推A 相和C相断线的分析结果，同样检测到任意相电压小于200 V 且不同时小于200 V 后开始判断，具体如下：

1）高压侧A 相断线时，低压侧Ua最小且Ua≈|Ub－Uc|。

2）高压侧B 相断线时，低压侧Ub最小且Ub≈|Ua－Uc|。

3）高 压 侧C 相 断 线 时，低 压 侧Uc最 小 且Uc≈|Ua－Ub|。

为简化计算便于工程实现，约等式部分可统一修正为式（1）进行判断：

2 基于融合终端的实现架构与应用

台区融合终端是智慧物联体系“云管边端”架构的边缘设备，具备信息采集、物联代理及边缘计算功能。基于前述分析，实施配变高压侧断线故障判断只需采集计算配变低压侧电压，台区融合终端完全能够满足数据采集与计算传输的功能。

如图5所示，在配变低压侧加装智能融合终端，实现配变低压侧电压采集功能。利用融合终端的边缘计算功能，将断线判别策略以特定APP形式部署于融合终端中。为防止误报，APP每2 s进行一次检测，连续三次检测判断结果均为断线故障则生成断线事件。上述生成的事件通过融合终端自带的上行采集APP上送至配电自动化主站。当断线引发明显接地状态时，配置有接地故障监控终端的配电线路将接受配电自动化主站的处置策略，同时系统数据还会推送至供电服务指挥系统中，形成主动工单，督促运抢人员快速处置故障。若断线引发的接地现象不明显，难以被线路监控终端所判别或线路并未配置相应的监控终端，则上述事件依然会通过供电服务指挥系统形成主动工单，督促运抢人员及时进行现场巡查与处置，极大降低运行风险。

图5 基于融合终端的配变高压侧断线故障监测架构

为验证所提方案的正确性，以PMS历史台区数据导入多个台区的配变高压侧断线当日低压侧数据，测试表明该方案实现配变高压侧断线故障0误判、0漏判，部分案例数据如表1所示。

表1 部分验证案例数据表

目前，该方案已在部分配置融合终端的配电台区实现落地应用，如图6所示。融合终端不仅配置了断线监测APP，同时还集成了漏电监测、油温预警等特色APP，极大拓展了融合终端应用功能，以配电变压器为核心节点，实现了配网运行状态的精细化管控。

图6 现场应用图片及融合终端采集数据

3 结语

为快速判断处置配电线路断线故障，文中以电压为主要判断依据，详细分析了配变高压侧不同断线状态下对配变低压侧电压的影响，针对Dyn11和Yyn0两种常用变压器给出了适合工程实现的具体判据，同时充分利用配变智能融合终端的边缘计算功能，将判据编制形成特定APP部署至融合终端中。通过融合终端与配电自动化主站及供电服务指挥系统间的数据交互，形成主动工单指导运抢人员快速合理处置故障，案例校核与现场应用验证了方法的有效性。文中提出的方法符合能源互联网建设与应用的技术趋势，满足配网现有管理模式与设备配置要求，可随融合终端的部署广泛推广，具备较高的工程实用价值。