淺析基于諧波的低壓配電干線中性線斷線的檢測(cè)方法

王龍水

摘 要：現(xiàn)階段，我國(guó)低壓配電系統(tǒng)負(fù)荷普遍的特征就是三次諧波電流含量較大。受到這一特點(diǎn)的影響，配電干線首端設(shè)置了監(jiān)測(cè)裝置，能實(shí)現(xiàn)中性線斷線故障的準(zhǔn)確檢測(cè)和有效保護(hù)，其主要原理在于利用線路首端三次諧波變化的檢測(cè)結(jié)果，對(duì)其有無(wú)中性線斷線故障問題進(jìn)行判斷?；谥C波的低壓配電干線中性線斷線的檢測(cè)方法和結(jié)果進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：諧波；低壓配電干線；中性線；低壓配電系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM75 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.20.134

文章編號(hào)：2095-6835（2016）20-0134-02

現(xiàn)階段，我國(guó)民用和工業(yè)低壓配電系統(tǒng)中，三相四線制系統(tǒng)是應(yīng)用率最高的一種類型，其中，性線能為維持整個(gè)配電系統(tǒng)的中性點(diǎn)零電位，這也是確保三相電壓基本平衡的主要方法。在三相不平衡負(fù)荷供電的回路中，中性線斷線將會(huì)造成程度不同的斷線點(diǎn)后系統(tǒng)過電壓?jiǎn)栴}，甚至造成電氣火災(zāi)以及電氣損壞問題。隨著近年來(lái)低壓配電系統(tǒng)中各種電力電子設(shè)備和電器應(yīng)用的逐步完善，電力系統(tǒng)諧波注入問題也逐漸引起了人們的關(guān)注。

1 中性線斷線故障特征分析

1.1 三相負(fù)荷平衡狀態(tài)

在正常連接中性線的情況下，由于系統(tǒng)阻抗明顯低于負(fù)載阻抗，因此，非線性設(shè)備中將會(huì)形成三次諧波電流，并通過中性線流向系統(tǒng)側(cè)。但在中性線斷線的情況下，故障位置將會(huì)導(dǎo)致非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流不能正常流回饋線首端，而轉(zhuǎn)向負(fù)載阻抗。在此情況下，線路首端的3次諧波電流指的僅僅是故障部位的3次諧波電流，所以，從回路的首端看，在三相上能對(duì)3次諧波突變情況進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)。此時(shí)，回路系統(tǒng)內(nèi)的基波電流會(huì)因流通路徑不變而在首端被檢測(cè)到，并隨著實(shí)際的負(fù)荷情況而發(fā)生變動(dòng)。

本文將3次諧波電流的突變量ΔI3表示為：

ΔI3=I3，k-I3，k-1……. （1）

式（1）中：ΔI3為前后兩次采集數(shù)據(jù)之間差值；k為第k次采集的數(shù)據(jù)。

因此，3次諧波電流突變率也可以表示為：

ΔI3%=（I3，k-I3，k-1）/I3，k×100%. （2）

1.2 三相負(fù)荷不平衡狀態(tài)

如果故障部位存在負(fù)載不平衡表現(xiàn)，則故障后同樣能在三相線路首端對(duì)3次諧波電流突變情況檢測(cè)，但該階段中性點(diǎn)電位將會(huì)逐漸移動(dòng)。電壓偏移量主要取決于三相負(fù)載的不平衡程度。若中性點(diǎn)電位偏移現(xiàn)象達(dá)到最嚴(yán)重的程度，則會(huì)導(dǎo)致輕載相電壓快速提高，并與線電壓相近。這一接入相的設(shè)備需要程度配電系統(tǒng)整體的過電壓。然而，如果重載相電壓逐步降低為0，則這一接入相的設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行。所以，在負(fù)荷不平衡的情況下，低壓配電干線將會(huì)出現(xiàn)中性線斷線故障問題，其不僅表現(xiàn)為三相的3次諧波電流變化，還表現(xiàn)為線路首端各相上基波電流的變化。

從中性點(diǎn)電位偏移導(dǎo)致的基波電流突變?chǔ)1可知，恒功率負(fù)載可以表示為ΔI1=（Vr-Vab）/Vab×I1，恒阻抗負(fù)載可以表示為：

ΔI1=（Vab-Vr）/Vr×I1. （3）

式（3）中：Vr為負(fù)載的額定相電壓；Vab為不平衡相的相線-中性線電壓；I1為故障位置后負(fù)載的基波電流。

2 中性線斷線故障檢測(cè)判據(jù)及其靈敏度

2.1 故障檢測(cè)流程及判據(jù)

故障檢測(cè)程序如圖1所示，其中，故障設(shè)定值分別為μ，α，σ.根據(jù)圖1可以將故障的檢測(cè)判斷方法分為如下2點(diǎn)：①如果線首端三相上能對(duì)3次諧波的減小量|ΔI3%|>15%進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)，則代表中性線斷線故障，且隨著|ΔI3%|的加大，故障位置與首端之間距離越?。虎谌绻€首端三相上存在典型的3次諧波電流減小表現(xiàn)，但|ΔI3%|在10%～15%之間，且三相上分別存在K<-0.3和K>0.3，則說(shuō)明存在中性線斷線現(xiàn)象。

如果根據(jù)上述方法對(duì)故障情況加以判斷，則能夠?qū)υO(shè)備的設(shè)定值進(jìn)行檢測(cè)，且由仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，誤判的發(fā)生率相對(duì)較低。由此可見，這一判斷方法較為符合故障判別的選擇性要求。

2.2 故障檢測(cè)的靈敏性分析

故障動(dòng)作設(shè)定值需要避免正常條件下的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)各項(xiàng)參數(shù)。如果斷線位置與線路末端較為接近，則會(huì)導(dǎo)致線路首端存在較小的3次諧波突變情況。這一現(xiàn)象無(wú)法得到準(zhǔn)確的識(shí)別和檢測(cè)，而這也是該方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)整個(gè)線路保護(hù)的主要原因。

檢測(cè)設(shè)備的動(dòng)作設(shè)定值σ=15%時(shí)，則失去中性線的負(fù)載比例ΔI1？fault%在35%以上時(shí)，必然會(huì)出現(xiàn)3次諧波電流15%以上的改變。這一階段檢測(cè)設(shè)備能夠?qū)χ行跃€斷線故障發(fā)生情況進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。如果ΔI1？fault%小于21%，則這一方法可能無(wú)效；如果ΔI1？fault%在21%～35%之間，則也存在一定的3次諧波電流15%以上改變的概率，且該比例相對(duì)較高，這一過程中可能會(huì)出現(xiàn)中性線斷線警報(bào)信號(hào)。

設(shè)定動(dòng)作值α和σ分別設(shè)定為10%和0.3時(shí)，則需要對(duì)故障判斷的靈敏度加以判斷，故障發(fā)生過程中ΔI1？fault%通常超過15%. 同時(shí)，故障導(dǎo)致的K值變化，如果無(wú)法在三相上同時(shí)存在K<-0.3和K>0.3的變化，則無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確的故障檢測(cè)，但由實(shí)際的分析研究結(jié)果可知，這一情況的發(fā)生率相對(duì)較低。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)以諧波的中性線斷線故障為基礎(chǔ)的檢測(cè)方法進(jìn)行了論述分析，其檢測(cè)設(shè)備位于線路的首端，能最大限度地降低設(shè)備維護(hù)和建設(shè)成本。其主要原則在于通過斷線前后的諧波特性對(duì)故障的具體情況加以判斷。本文對(duì)負(fù)荷不平衡與平衡條件下的系統(tǒng)分別進(jìn)行了檢測(cè)和判斷，并得到了一種適用于全部負(fù)載條件的故障檢測(cè)方案，但其在計(jì)算電流較小的線路檢測(cè)中也存在一定的缺陷，主要在于末端故障可能得不到全面保護(hù)。

參考文獻(xiàn)

[1]紅桂香.農(nóng)網(wǎng)低壓配電線路加強(qiáng)保護(hù)消除隱患轉(zhuǎn)危為安[J].供電企業(yè)管理，2015，1（06）：53-55.