不接地系统单相断线故障分析与诊断

国网苏州供电供公司 于云娟 谢潇磊 胡书通

1 引言

电力系统运行时，线路、变压器和断路器等元件可能会非全相运行[1]。中低压系统中非全相故障主要是单相断线，缺相运行本身对于变压器的危害并不大，但由于电压不对称，对三相动力负载和照明负载极为不利，严重影响用电质量和用户经济利益[2]，因此，快速、准确地判断单相断线故障对保障用户电能质量尤为重要。

中低压系统单相断线时的系统电压与单相接地、压变高压熔丝熔断等故障时有一定相似性，容易造成监控及运维人员的误判。目前，单相断线的研究大多侧重给出结论，未进行细致全面的分析[3]。本文通过对一起35kV 系统单相断线故障案例进行理论计算和分析，得出Yd11接线变压器单相断线时的电压实用判据，并针对不接地系统的各类电压异常总结归纳特点，有助于变电运维人员迅速判断故障类型、排除故障。

2 故障概况

2.1 故障经过

2022年3月24日19:08分，苏州供电公司110kV渔泾变35kV Ⅱ段母线接地，315列电线保护装置报过流Ⅰ段保护动作，重合闸动作，重合成功（如图1所示）；35kV 跨镇变10kV 母线电压不平衡，A 相2.81kV，B 相3.16kV，C 相5.98kV。事故前一次运方（见图2、图3）。

图1 110kV 渔泾变SOE 信息

图2 35kV 跨镇变一次接线图

图3 110kV 渔泾变一次接线图

2.2 现场检查

运维人员至35kV 跨镇变现场检查，母线电压A、B 相降低，约为正常时的一半，C 相电压正常。初步怀疑是压变高压熔丝两相熔断，但由于担心站内有接地，未采取停压变更换高压熔丝的措施。再次对全站设备进行仔细检查，发现315列电线进线B断线（如图4所示）。

图4 315列电线进线B 相断线

考虑10kV Ⅰ、Ⅱ段母线电压存在电压差，如果采取合解环方式将会产生较大的不平衡电流，汇报调度后，决定直接拉停断线主变低压侧断路器。处理方式：将低压侧备自投停用，拉开101#1主变开关，10kV Ⅰ段母线所带负荷短时失电，再合上100母联开关，10kV Ⅰ段母线所带负荷恢复供电，再将#1主变高压侧改冷备用，渔泾变315列电线改检修，跨镇变、渔泾变电压恢复正常。

3 理论分析

我国35kV 变压器大多采用Yd11接线组别，下文将针对Yd11接线组别的变压器高压侧缺相时，高、低压侧母线电压变化情况进行理论计算分析，得出变压器各侧母线电压变化规律。

3.1 电源侧电压分析

假设315列电线线路各相对的电容为CA、CB、CC（如图5所示），则#1主变中性点位移电压。

图5 一次系统图

由于渔泾变35kV Ⅱ段母线上仅315列电线一条线路运行，则

断线前后35kV 母线电压向量图如图6所示。

图6 B 相断线前、后35kV 母线电压向量图

渔泾变35kV Ⅱ段母线电压遥测曲线如图7所示，可见B 相电压略升高，A、C 相电压略降低。

图7 渔泾变35kV Ⅱ段母线相电压曲线

3.2 负荷侧电压分析

对于负荷侧跨镇变，正常运行时，10kV 母线三相电压平衡（相电压约为6kV 左右）。设正常时35kV 进线三相电压和电流分别为，B 相断线后，35kV 进线三相电压和电流分别为，下面利用对称分量法来分析断线前后35kV 侧的电压标幺值关系。图8为系统B 相断线时的非全相运行示意图。

图8 非全相（B 相断线）运行示意图

B 相断线时，故障处的边界条件为：

即：

可得：

则复合序网连接如图9所示，计算可得：

图9 B 相断线复合序网连接图

由于35kV 系统为中性点不接地系统，x0∑→∞；假设系统三相基本对称，可认为x1∑=x2∑，为正常时的系统B 相电压，则可计算出断线相的各序电流为：

则非断线相的电流为：

其中，a=ej120°，a2=ej240°。

即B 相断线后，受电侧35kV 进线A 相电流与B 相正常电压同相位，假设变压器阻抗为纯电感性，阻抗为j·1，则断线后的各相电压为：

图10 跨镇变1号主变高压侧电压电流向量图

下文分析跨镇变10kV 母线电压情况。35kV 跨镇变#1主变为Yd11接线组别（如图11所示），根据Yd11接线变压器高、低压侧电压关系。

图11 Yd11变压器一、二次绕组连接方式

正常运行时，主变低压侧线电压与高压侧相电压的幅值关系：

所以，高压侧B 相断线后，10kV 母线线电压幅值情况为：ab 线电压为0，ac、bc 线电压为正常时的/2（即0.866）倍。跨镇变10kV Ⅰ段母线线电压遥测曲线如图12所示。

图12 跨镇变10kV Ⅰ段母线线电压曲线

10kV 母线相电压的测量是在压变二次侧人为引入的中性点，且压变均采用单相压变，10kV 母线相电压与Yd11接线主变低压绕组感应电势的关系为：

正常运行时主变高、低压侧相电压幅值关系：

因此，高压侧B 相断线后，10kV 母线相电压幅值情况为：a、b 两相相电压为正常时的1/2，c 相电压幅值与正常时保持不变。跨镇变10kV Ⅰ段母线相电压遥测曲线如图13所示。实际的母线电压与主变所带负载阻抗、系统对称性、10kV 母线压变的型式等均有关系，本文中做了适当简化。

图13 跨镇变10kV Ⅰ段母线相电压曲线

4 Yd11接线变压器高压侧不同相别断线分析

利用对称分量法结合复合序网图，可得Yd11接线变压器高压侧不同相别单相断线时的低压侧电压规律如表1所示。

表1 Yd11接线变压器高压侧不同相别单相断线时低压侧电压规律

综上，中性点不接地系统线路单相断线时，电源侧断线相电压升高，非断线相电压略降低；负荷侧通过Yd11变压器，低压母线三相对地电压不平衡，一相正常，其他两相电压降为正常时的1/2，线电压一个接近0，两个为正常时的/2（即0.866）倍。因此，在中性点不接地系统中应将负荷侧的电压变化情况作为断线判断依据。

5 各类故障母线电压特点

实际中，10kV 母线电压异常可能多种因素引起，如单相接地、压变高压熔丝熔断（因现在大多数压变二次侧均为空气开关，故本文不讨论压变二次熔丝熔断情况）、铁磁谐振、线路断线等，针对Yd11接线的变压器，各类故障时低压侧母线的电压特征如表2所示。

表2 中性点不接地系统各类故障的电压特征对比

6 结语

在中性点不接地系统线路发生单相断线时，严重影响三相动力负载的正常运行，甚至使负载电机等设备损坏。而单相断线的故障特点较压变熔丝熔断较为相似，其主要判断依据为负荷侧电压，不在电源侧。变电运维人员和调度人员应根据低压母线特征综合判断，注意区分单相断线、单相接地、PT 高压熔丝熔断等现象之间的区别，准确判断故障。