基于負(fù)載電壓偏移的自適應(yīng)零線斷線保護(hù)原理與實現(xiàn)

何智祥 , 曾永浩, 梁唐杰, 陳安明

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山禪城供電局，廣東 佛山 528000；2.佛山電力設(shè)計院有限公司，廣東 佛山 528000)

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基于負(fù)載電壓偏移的自適應(yīng)零線斷線保護(hù)原理與實現(xiàn)

何智祥1, 曾永浩1, 梁唐杰2, 陳安明2

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山禪城供電局，廣東 佛山 528000；2.佛山電力設(shè)計院有限公司，廣東 佛山 528000)

為解決傳統(tǒng)零線斷線保護(hù)靈敏度較低的問題，根據(jù)配電系統(tǒng)零線斷線前后負(fù)載電壓的偏移特征，提出一種基于負(fù)載電壓偏移的自適應(yīng)保護(hù)方案，利用零線電流的大小自適應(yīng)調(diào)整定值，從而提高了零線斷線故障時保護(hù)的靈敏度。給出了保護(hù)原理的硬件設(shè)計框圖和軟件流程，并通過實驗驗證了該保護(hù)方案可行、有效。

零線斷線；自適應(yīng)保護(hù)；負(fù)載電壓；零線電流

三相低壓供電系統(tǒng)發(fā)生零線斷線時，零線的中性點電壓發(fā)生偏移[1-2]，會導(dǎo)致大面積燒毀用戶設(shè)備的事故，給用戶造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至引起人身安全事故。因此，配置合理的低壓系統(tǒng)零線斷線保護(hù)具有重要的意義。

目前，低壓電網(wǎng)常采用中性點位移電壓或負(fù)載電壓偏移作為零線斷線保護(hù)的判據(jù)。利用中性點位移電壓的零線斷線保護(hù)方案[3-4]原理簡單，但中性點位移電壓的獲得需在負(fù)載側(cè)增設(shè)接地裝置，電氣量獲取困難，且負(fù)載三相不平衡度較大時保護(hù)會誤動作?；谪?fù)載電壓偏移的保護(hù)方案電氣量獲取容易[5-6]，但負(fù)載三相不平衡度較大時保護(hù)也會誤動作。為了保證零線斷線保護(hù)不誤動，負(fù)載電壓過電壓的保護(hù)定值往往較高，當(dāng)輸電線路較長時大大降低了零線斷線保護(hù)的靈敏度。

自適應(yīng)保護(hù)是指根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式和故障狀態(tài)的變化實時改變保護(hù)特性或定值的保護(hù)[7]，能適應(yīng)系統(tǒng)狀態(tài)的變化，改善保護(hù)性能。國內(nèi)外學(xué)者已對自適應(yīng)電流保護(hù)進(jìn)行了大量研究[8-10]，提高了電流速斷保護(hù)的靈敏度。

借用自適應(yīng)電流保護(hù)的思想，本文根據(jù)低壓電網(wǎng)零線斷線前后負(fù)載電壓的偏移特征，提出一種自適應(yīng)的零線斷線保護(hù)方案，在零線運(yùn)行時根據(jù)零線電流的大小自適應(yīng)調(diào)整定值，以提高保護(hù)的靈敏度。

1 負(fù)載電壓偏移特征

0.4 kV配電系統(tǒng)的等值電路如圖1所示，其中EL1、EL2、EL3分別為L1、L2、L3相電壓，U0為中性點電壓，ZL1、ZL2、ZL3分別為L1、L2、L3相負(fù)荷阻抗，Z0為零線阻抗。

圖1 0.4 kV配電系統(tǒng)的等值電路

1.1 零線正常情況分析

當(dāng)零線運(yùn)行正常時，由基爾霍夫定律可得

(1)

(2)

設(shè)三相線路功率分別為SL1、SL2、SL3，負(fù)載功率因數(shù)相等，L3相的輸送功率最大，L1相的負(fù)載不平衡度kL1=(SL3-SL1)/SL3，L2相的負(fù)載不平衡度kL2=(SL3-SL2)/SL3，則負(fù)載阻抗與不平衡度的關(guān)系為ZL3/ZL1=1-kL1，ZL3/ZL2=1-kL2。將其代入式(1)—(2)，可得：

(3)

(4)

三相負(fù)載電壓為：

式中UL1,N、UL2,N、UL3,N分別為L1、L2、L3相負(fù)載電壓。

取L1相電勢|EL1|=1，Z0=0.1ZL3。當(dāng)L2相和L3相負(fù)載相等，kL1=0～0.9時，中性點電壓、三相負(fù)載電壓、兩相負(fù)載電壓模值差的最大值Upp.max和負(fù)載不平衡度的關(guān)系見表1。

表1 零線正常時中性點電壓、負(fù)載電壓和負(fù)載不平衡度的關(guān)系

kL1U0/EL1UL1,N/EL1UL2,N/EL1UL3,N/EL1Upp.max/EL100.0001.0001.0001.00000.10.0081.0080.9960.9960.0120.20.0161.0160.9920.9920.0230.30.0241.0240.9880.9880.0350.40.0321.0320.9850.9850.0470.50.0401.0400.9810.9810.0590.60.0481.0480.9770.9770.0720.70.0571.0570.9730.9730.0840.80.0661.0660.9690.9690.0970.90.0741.0740.9650.9650.109

注：UL1,N、UL2,N、UL3,N、U0、EL1分別為UL1,N、UL2,N、UL2,N、U0、EL1的有效值。

由式(1)—(4)和表1分析可知：零線正常時，若負(fù)載三相不平衡，中性點電壓和負(fù)載電壓會偏移，位移電壓的大小與負(fù)載不平衡度、零線阻抗和負(fù)載阻抗的比值有關(guān)，且隨負(fù)載不平衡度增大而增大。由于零線阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于負(fù)載阻抗，一般ZL3/Z0>10，在式(3)中ZL3/Z0起主要作用，因此，即使有較大的負(fù)載不平衡度，中性點位移電壓也不大。雖然三相負(fù)載電壓的偏移與負(fù)載不平衡度有關(guān)，但零線正常時其偏移量一般在允許范圍內(nèi)。

當(dāng)kL1、kL2較大時，因Z0較小，由式(4)可知，零線上出現(xiàn)較大的零線電流。

1.2 零線斷線情況分析

當(dāng)k點零線斷線時，中性點電壓

計算可得三相負(fù)載電壓：

取相電勢標(biāo)幺值為1，定量分析零線斷線時三相負(fù)載電壓、Upp.max與負(fù)載不平衡度的關(guān)系，結(jié)果見表2。

表2 零線斷線時三相負(fù)載電壓值與負(fù)載不平衡度的關(guān)系

kL2kL1UL1,N/EL1UL2,N/EL1UL3,N/EL1Upp.max/EL1001.0001.0001.0000.0000.11.0350.9830.9830.0510.21.0710.9660.9660.1050.31.1110.9490.9490.1620.41.1540.9330.9330.2210.51.2000.9170.9170.2830.61.2500.9010.9010.3490.71.3040.8880.8880.4170.81.3640.8770.8770.4870.91.4290.8690.8690.5600.500.9171.2000.9170.2830.10.9551.1880.8870.3010.20.9961.1760.8550.3210.31.0421.1650.8220.3430.41.0911.1550.7870.3680.51.1461.1460.7500.3960.61.2061.1390.7120.4940.71.2731.1350.6740.5990.81.3481.1350.6360.7120.91.4321.1410.6030.829

1.3 綜合分析

對比零線正常和斷線時中性點位移電壓和負(fù)載電壓的表達(dá)式可知：零線斷線時，中性點位移電壓大小僅受三相負(fù)載不平衡度的影響；在負(fù)載不平衡度相同的情況下，零線斷線時的負(fù)載電壓和中性點位移電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常情況。

2 基于負(fù)載電壓偏移的自適應(yīng)零線斷線保護(hù)

2.1 傳統(tǒng)的基于負(fù)載電壓的零線斷線保護(hù)方案存在問題

基于負(fù)載電壓Uφ,N(下標(biāo)φ代表L1、L2、L3相)構(gòu)成的零線斷線過電壓保護(hù)判據(jù)為

式中Uset1為零線斷線保護(hù)的負(fù)載電壓定值。

Uset1是按躲過系統(tǒng)正常運(yùn)行時出現(xiàn)的最大相負(fù)載電壓來整定的，一般取1.2～1.3倍額定電壓。而正常運(yùn)行時最大相負(fù)載電壓與負(fù)載不平衡度有關(guān)，當(dāng)輸電線路較長，即零線阻抗較大時，為了躲過三相負(fù)載極不平衡造成的保護(hù)誤動作，Uset1往往選取較高，這樣就降低了零線斷線故障時保護(hù)的靈敏度。

2.2 自適應(yīng)的零線斷線保護(hù)方案

由前述理論分析可知：零線正常時出現(xiàn)的最大相電壓與負(fù)載不平衡度有關(guān)，且負(fù)載不平衡度的增大會產(chǎn)生較大的零線電流；而零線斷線時，零線電流為零。利用該特征，提出了一種基于負(fù)載電壓偏移的自適應(yīng)零線斷線保護(hù)方案。

定義模糊函數(shù)y，該函數(shù)能夠表征零線電流和三相負(fù)載電壓幅值的大小。設(shè)x=I0/max{UL1，UL2，UL3}，零線斷線時，x值恒為零；零線正常時，x值越大說明三相負(fù)載不平衡度越大。定義

自適應(yīng)零線斷線保護(hù)的判據(jù)為：

(5)

式中：U′set1為固定定值，Ur為額定電壓。

與負(fù)載電壓過電壓保護(hù)判據(jù)相比，該自適應(yīng)保護(hù)判據(jù)有如下優(yōu)點：

a)利用了負(fù)載輕的相電壓升高和負(fù)載重的相電壓降低的特征，且不受電動機(jī)啟動的影響。

b)零線正常時，y值隨負(fù)載三相不平衡度的增大而增大，具有很好的制動作用。

c)零線斷線時，y=0，由式(5)可知，可通過降低固定定值U′set1來提高保護(hù)的靈敏度。

考慮保護(hù)的可靠性，U′set1+yUr應(yīng)大于Upp.max。當(dāng)x≥0.1時，yUr起制動作用，保證保護(hù)可靠不誤動，因此定值整定僅需考慮x<0.1時的情況。理論分析表明：零線正常運(yùn)行時，當(dāng)x<0.1時，Upp.max<0.1Ur。固定定值U′set1選取(0.10～0.15)Ur，與傳統(tǒng)的基于負(fù)載電壓的過電壓保護(hù)判據(jù)相比，降低了固定定值，提高了保護(hù)的靈敏度。

3 零線斷線保護(hù)的實現(xiàn)和測試

3.1 保護(hù)原理實現(xiàn)

基于負(fù)載電壓偏移的自適應(yīng)零線斷線保護(hù)硬件示意圖如圖2所示。在圖2中， U、V、W、N為斷路器的電壓端子，三相電壓通過二極管D1—D3和電容器C1—C3進(jìn)行檢波，將高頻分量濾除。通過電阻器R1—R6進(jìn)行降壓，數(shù)據(jù)處理單元U1讀取零線電流和各相負(fù)載電壓。當(dāng)零線斷開時，零線電位漂移，當(dāng)滿足式(5)的保護(hù)動作條件時，處理單元U1輸出驅(qū)動信號給光耦合器，觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，驅(qū)動脫扣器動作，斷開斷路器。

圖2 零線斷線保護(hù)原理硬件示意圖

零線斷線保護(hù)的軟件設(shè)計流程如圖3所示。

圖3 零線斷線保護(hù)的軟件流程

3.2 保護(hù)測試

對保護(hù)的性能進(jìn)行測試，1臺容量2 kVA的電力變壓器作為電源，負(fù)載為100 W單相風(fēng)機(jī)和不同功率的日光燈。

取L2、L3相負(fù)載相同，功率均為200 W，L1相負(fù)載功率取20～200 W，以此模擬負(fù)載的不平衡度。

零線阻抗的選取：輸電線路采用PVC-3×150+120型銅電纜，線路長度500 m。

取基于負(fù)載電壓的過電壓保護(hù)判據(jù)為Uφ,N>1.2Ur=264 V。自適應(yīng)保護(hù)判據(jù)為：

對保護(hù)的可靠性和靈敏性進(jìn)行測試，測試內(nèi)容包括零線正常運(yùn)行時保護(hù)是否誤動、零線斷線時保護(hù)的靈敏度。

3.2.1 零線正常情況

為了驗證零線正常運(yùn)行時保護(hù)不誤動，考慮零線未斷線且三相負(fù)載不平衡的情況，取L2相和L3相負(fù)載相等，kL1在0～1間變化。測算所得的三相負(fù)載電壓幅值、Upp.max、零線電流和自適應(yīng)保護(hù)定值見表3。

表3 零線正常時的三相負(fù)載電壓和零線電流

kL1UL1,N/VUL2,N/VUL3,N/VUpp.max/VI0/A自適應(yīng)保護(hù)定值/V0.1221.1219.0217.33.83668.80.3227.0218.4213.014.0112141.50.5232.4217.9208.623.8190212.80.7237.9217.8203.930.0273252.10.9243.8217.9198.944.9360357.01.0246.8218.1196.350.5405394.0

由表3可知：Upp.max小于保護(hù)定值，零線正常時保護(hù)不會發(fā)生誤動作，且隨著負(fù)載不平衡度的增大，零線電流也增大，保護(hù)定值自適應(yīng)增大，具有很好的制動作用。

3.2.2 零線斷線情況

為了驗證零線斷線時保護(hù)的靈敏性，取L2、L3相負(fù)載相等，kL1在0.1～0.6范圍變化，測得三相負(fù)載電壓幅值、Upp.max數(shù)據(jù)見表4。

表4 零線斷線后的三相負(fù)載電壓

kL1UL1,N/VUL2,N/VUL3,N/VUpp.max/V0.1227.0215.7215.711.30.2235.1212.0212.023.10.3243.8208.3208.335.50.4253.1204.6204.648.50.5263.3201.1201.162.20.6274.2197.8197.876.4

由表4可得：當(dāng)負(fù)載不平衡度超過50%時，L1相負(fù)載電壓才大于264 V，保護(hù)動作。而對于自適應(yīng)保護(hù)判據(jù)，零線斷線時，斷零點前零線電流為零，自適應(yīng)保護(hù)判據(jù)定值為固定定值33 V，當(dāng)負(fù)載不平衡度超過30%時，保護(hù)動作。因此，自適應(yīng)的零線斷線保護(hù)很大程度地提高了保護(hù)的靈敏度。

4 結(jié)論

本文分析了供電網(wǎng)絡(luò)零線斷線前后的電壓、電流特征，提出了一種綜合利用負(fù)載電壓偏移和零線電流的自適應(yīng)零線斷線保護(hù)方案。與傳統(tǒng)的基于負(fù)載電壓的過電壓保護(hù)方案相比，該保護(hù)定值包括固定定值和可變定值，在零線正常時可變定值隨負(fù)載不平衡度增大而自適應(yīng)調(diào)整，具有較好的制動作用，提高了零線斷線故障時保護(hù)的靈敏度。對該保護(hù)方案進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明保護(hù)方案有效。

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(編輯 李麗娟)

Protection Principle for Self-adaptive Zero Line Disconnection Based on Load Voltage Excursion and Its Implementation

HE Zhixiang1, ZENG Yonghao1, LIANG Tangjie2, CHEN Anming2

(1.Foshan Chancheng District Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Foshan, Guangdong 528000, China; 2. Foshan Electric Power Design Institute Co., Ltd., Foshan, Guangdong 528000, China)

In order to solve the problem of low protection sensitivity of traditional zero line disconnection, this paper presents a kind of self-adaptive protection scheme based on load voltage excursion according to excursion features of load voltage before and after zero line disconnection. By using self-adaptive adjusting setting value of zero line current, it is able to improve protection sensitivity at the time of disconnection fault. It also presents hardware design diagram and software flow and proves feasibility and validity of this protection scheme by experiments.

zero line disconnection; self-adaptive protection; load voltage; zero line current

2016-02-02

2016-07-05

中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項目(K-GD2014-0844)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.10.020

TM773

B

1007-290X(2016)10-0116-05

何智祥(1984)，男，廣東佛山人。工程師，工程碩士，從事配電網(wǎng)運(yùn)行與管理工作。

曾永浩(1969)，男，廣東茂名人。高級工程師，工程碩士，從事配電網(wǎng)運(yùn)行與管理工作。

梁唐杰(1986)，男，廣東茂名人。工程師，工學(xué)學(xué)士，從事配電網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計與智能電網(wǎng)研究等工作。