小水電發(fā)電系統(tǒng)的非接地電網(wǎng)單相斷線故障分析及診斷方法

禹紅，鄭瀧康，曾荷清，李付亮

(1.湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙410131；2.長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長沙410114)

隨著我國城市化電網(wǎng)的建設(shè)與改造，人們對電力的需求量越來越大。為了滿足生產(chǎn)與用戶的需求，必須要提高電網(wǎng)的可靠性與穩(wěn)定性。

目前小水電電網(wǎng)一般存在線路分支多、分布廣，不少安裝地條件惡劣，容易出現(xiàn)單相斷線故障，在跳線、聯(lián)絡(luò)線等位置斷線時卻又不會產(chǎn)生接地 (懸線)，導(dǎo)致三相出現(xiàn)不對稱，系統(tǒng)非全相運行，電能質(zhì)量變壞、系統(tǒng)損耗增加，聯(lián)絡(luò)線路斷線環(huán)網(wǎng)不能順利合環(huán)并網(wǎng)供電，不及時處理故障還會導(dǎo)致事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。在這種情況下，小水電電網(wǎng)配置的保護(hù)往往又無法可靠啟動自動斷開故障點，保護(hù)也無法精確顯示故障點位置。出現(xiàn)故障后小水電無法通過本身的聯(lián)絡(luò)開關(guān)或者其他聯(lián)絡(luò)線路繼續(xù)并網(wǎng)運行，只能將斷線線路潮流調(diào)至0后，退出運行，讓小電網(wǎng)孤立運行。而且單相斷線故障通常伴隨著接地故障，引起火災(zāi)和電擊，并容易誘發(fā)相間短路故障，導(dǎo)致開關(guān)跳閘，造成大范圍停電，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和降低了供電的可靠性[1]。

針對小水電發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)的單相斷線故障需要深入研究分析，制定不同故障類型的判斷依據(jù)，保證線路故障可以迅速、準(zhǔn)確地識別，提高線路檢修效率，對提高小水電發(fā)電系統(tǒng)和供電的可靠性具有重要的價值。

目前針對電網(wǎng)線路斷線故障問題，國內(nèi)外許多文獻(xiàn)也進(jìn)行了深入地分析。文獻(xiàn) [2]通過采用對稱分量法對220 kV線路單相斷線故障進(jìn)行研究，推導(dǎo)出故障后各序電流與故障前電流成正比例的關(guān)系，但是序電流容易受到電動勢的影響，導(dǎo)致分析結(jié)果存在較大誤差。文獻(xiàn) [3]通過闡述配電網(wǎng)輸電線路中出現(xiàn)的一例單相斷線故障，研究分析了故障相與其他兩非故障相的電氣量特性，為單相斷線的研究提供了一種研究思路，但是沒有提出具體的故障判斷依據(jù)。文獻(xiàn) [4]針對城市中壓配電網(wǎng)通過較小阻抗接地系統(tǒng)的斷線故障，計算出故障后各序電壓、電流分量，基于零序、負(fù)序分量的研究，提出了對單相斷線故障判據(jù)改進(jìn)的新方法。但該判斷依據(jù)僅針對配電網(wǎng)小電阻接地系統(tǒng)，對于常規(guī)的非接地系統(tǒng)的單相斷線故障判斷缺乏理論分析。文獻(xiàn) [5]針對6～35 kV低壓配電系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究，考慮到負(fù)載側(cè)的接地點和負(fù)載特性，在小電流接地系統(tǒng)的單相斷路與接地故障情況下，對不同位置的電壓和電流進(jìn)行了測量，推導(dǎo)出各點的電壓和電流計算公式。但是，這種方法僅考慮到單相斷線故障后負(fù)載側(cè)的情況，沒有對該故障進(jìn)行全面分析。文獻(xiàn) [6]通過對故障負(fù)載電流、零序饋線電流、總線相電壓、總線電壓和零序電壓五種電量的定性和定量分析研究，提出各種故障電路的識別方法。但是因為有些電量在提取過程中，容易受到干擾，所以識別方法的精確性得不到保障。文獻(xiàn)[7]針對小電流接地配電網(wǎng)系統(tǒng)，分析研究了斷線故障后的電量參數(shù)特性，提出以負(fù)序電流為主要參考值的故障識別方法。但是對于10 kV非接地配電網(wǎng)的單相斷線故障分析不適用。文獻(xiàn) [8]分析了單項斷線故障的各電氣量，基于小波變換的方法提出了一套故障識別的方法，但是小波信號在采集過程中容易衰減，造成信號不穩(wěn)定。文獻(xiàn) [9]針對重載線路斷線故障進(jìn)行了理論分析研究，考慮了該故障下零序電流的變化量，并研究了故障與零序電流變化量的關(guān)系，提出了基于零序電流分析的斷線故障判別方法，但零序電流不穩(wěn)定，影響判斷的準(zhǔn)確性。目前國內(nèi)外對小水電電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線路斷線故障的研究分析與故障診斷欠缺。

基于上述分析，本文針對含有小水電系統(tǒng)的10 kV配電網(wǎng)單相斷線故障，分析了線路故障后穩(wěn)態(tài)電氣特性，并提出了以電流為主、電壓為輔的故障診斷方法，能夠精準(zhǔn)地判斷單相斷線故障的發(fā)生，并且能夠識別出具體的故障類型，為配電網(wǎng)輸電線路后續(xù)保護(hù)提供可靠的動作依據(jù)，提高小水電系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

1 單相線路故障電氣分析

圖1是為研究含小水電系統(tǒng)的10 kV配電網(wǎng)單相線路斷線情況特性構(gòu)建的簡易電路模型，設(shè)定L1線路中的A相發(fā)生斷線，非故障線路為L2，故障點設(shè)置在F、F′處。圖中M為輸電線路靠近電源一側(cè)的母線，N為靠近用戶側(cè)的母線。

圖1 含小水電系統(tǒng)的10 kV配電系統(tǒng)簡化結(jié)構(gòu)

1.1 單相線路斷線后電流穩(wěn)態(tài)特性

故障發(fā)生前后相電流的相量如圖2所示，經(jīng)分析可得單相線路斷開時相電流的特性:故障線路L1的A相電流IA會減小為0，未發(fā)生斷線的兩相電流也會下降，電流值變?yōu)檎Ｏ嚯娏鞯?3/2倍；未發(fā)生故障的線路相電流保持不變[10-13]。

圖2 故障前后相電流的相量圖

1.2 單相線路斷線后電壓穩(wěn)態(tài)特性

對于小電流接網(wǎng)，負(fù)載阻抗ZL相對系統(tǒng)阻抗ZS大得多，忽略ZS，當(dāng)三相負(fù)載不平衡時，不會影響虛擬中性點N與大地O之間的電勢差UNO。將電路圖簡化，簡化系統(tǒng)等效電路如圖3所示。

圖3 簡化系統(tǒng)等效電路圖

假設(shè)系統(tǒng)電壓是理想的三相對稱，有:

由KCL有:

結(jié)合 (1)、(2)式可得:

當(dāng)A相斷線時，A相對地電容減小，YA將小于YB和YC，此時中性點偏移。在極限情況下，YA＝j(luò)ωCA＝0，假設(shè)YB和YC相同，UNO將含有與B相和C相電壓反方向的電壓成分。此時有:

在實際運行中，各相對地電容不完全對稱，且對于M母線下有多條線路在運行，斷線相對地電容電流變化不大，所以略為減小。故A相對地電壓升高，B相、C相對地電壓降低且幅值相等。通過計算可知UNO最大為0.5倍UAN，最小為0。故斷線相電壓最大不超過1.5倍相電壓，非故障相電壓不低于0.866倍相電壓。對于斷口后端，非斷線相對地電壓與電源側(cè)一樣，當(dāng)不考慮斷線相中分布電容在負(fù)載變壓器繞組產(chǎn)生的壓降時，線電壓不變，A相與B相及C相與A相共同承受反向線電壓，斷口后端A相電壓偏移至B相、C相中分點，單相斷線兩點懸空向量如圖4所示。

圖4 單相斷線兩點懸空向量圖

單相線路斷開后，不接地時M、N側(cè)的電壓相量圖如圖5所示。分析可得該故障后的M、N兩端電壓變化特性 (其中M處于斷口前端，N處于斷口后端):M側(cè)的故障相電壓升高，非故障相電壓減小，零序電壓出現(xiàn)且升高，N側(cè)故障相電壓減小，相位反轉(zhuǎn)180°；零序電壓升高[14-17]。

圖5 單相斷線后不接地時M、N側(cè)電壓相量圖

單相線路斷開后，電源端接地故障后M、N側(cè)的電壓相量圖如圖6所示。分析可得該故障后的M、N兩端電壓變化特性:M側(cè)故障相電壓減小為0；非故障相電壓升高且相等；N側(cè)發(fā)生斷線的相電壓增大，相位反轉(zhuǎn)180°；非故障相電壓也升高且相等；零序電壓出現(xiàn)，相位反轉(zhuǎn)180°。

圖6 單相斷線后電源端接地時M、N側(cè)電壓相量圖

單相線路斷開后，負(fù)荷端接地時M、N側(cè)的電壓相量圖如圖7所示。分析可得該故障后的M、N兩端電壓變化特性:M側(cè)故障相電壓升高；未發(fā)生斷線的兩相電壓減小，且數(shù)值等于0.86倍的正常相電壓；零序電壓減小。N側(cè)發(fā)生斷線的相電壓減小為0，未發(fā)生斷線的相電壓也減小，數(shù)值等于0.86倍的正常相電壓；零序電壓減小為0[18-20]。

圖7 單相斷線后負(fù)荷端接地時M、N側(cè)電壓相量圖

2 單相斷線故障的診斷方法

基于以上分析，本文提出以故障電流為主要準(zhǔn)則和故障電壓作為輔助準(zhǔn)則的單相線路斷線故障診斷方法。以故障電流為主的標(biāo)準(zhǔn)來判斷是否存在單相斷線故障，以故障電壓為輔的標(biāo)準(zhǔn)來判斷具體的故障類型。

2.1 基于電流特性的診斷方法

單相斷線故障中普遍存在電流幅值與相角的變化現(xiàn)象，所以對電流特性的研究，有利于得出該故障的通用診斷方法。

以A相線路出現(xiàn)斷開情況為例，斷線故障發(fā)生的判據(jù)是:

Ifa、Ifb、Ifc是故障后相電流的有效值，考慮10 kV負(fù)載的不平衡性，判據(jù)中I(1)(0)是故障前正序有效值[14]，dI是接近于0的正數(shù)，是由系統(tǒng)中允許的誤差決定的，在不同負(fù)載阻抗大小情況下，判斷依據(jù)同樣適用。當(dāng)故障電流的幅值與相角處于上述區(qū)間時，可以確定線路發(fā)生了單相斷線故障。

2.2 基于電壓特性的輔助診斷方法

通過電流特性為主的診斷方法可以將單相斷線故障準(zhǔn)確的判斷出來，但是在實際的工程檢測中，為了更好地檢測維修故障線路，需要精確地識別出單相斷線故障的具體種類，實行有針對性的檢測方案。采用基于電壓特性的輔助診斷方法，對單相故障線路進(jìn)行詳細(xì)的判斷分類。

1)單相斷線不接地故障的判斷依據(jù)。

式中，E(0)是正常情況相電壓的有效值，UAM、UBM、UCM是單相線路斷開后電源端故障相電壓的有效值。

2)單相線路斷開后電源端接地故障的判據(jù)。

式中，ΔE是接近于零的正數(shù)，是由允許的誤差決定的；UK是電壓設(shè)定的閾值，其大小等于故障電路的最大相電壓。

3)單相線路斷線后負(fù)荷端接地故障的判據(jù)。

式中，UAN、UBN、UCN是A相線路出現(xiàn)斷線情況后負(fù)荷端相電壓的有效值。

3 MATLAB的仿真與故障分析

3.1 仿真驗證

運行線路長度設(shè)置成20 km，假設(shè)L1線路出現(xiàn)A相斷開的故障，故障點設(shè)置在距離M端10 km的地方，仿真時間為3 s，故障發(fā)生在1.5 s時。搭建MATLAB仿真模型如圖8所示。

圖8 MATLAB仿真模型

相關(guān)圖形數(shù)據(jù)分析如下，其中UM表示M端電壓、UN表示N端電壓、I(0)表示相電流、I(1)表示序電流、I(11)表示正序電流、I(12)表示序電流、I(13)表示零序電流。正常情況下的運行參數(shù)見表1—2。

表1 正常情況下電壓值kV

表2 正常情況下電流值 kA

單相線路斷線后不接地時的運行參數(shù)見表3—4。

表3 單相斷線后不接地時電壓值 kV

表4 單相斷線后不接地時電流值 kA

單相線路斷線后不接地時電壓波形如圖9所示。

圖9 單相斷線后不接地時三相電壓波形

單相線路斷線后電源端接地時運行參數(shù)見表5—6。

表5 單相斷線后電源端接地時電壓值 kV

表6 單相斷線后電源端接地時電流值 kA

單相斷線后，電源端接地時電壓波形如圖10所示。

圖10 單相斷線后電源端接地時三相電壓波形

單相線路斷線后負(fù)荷端接地故障運行參數(shù)見表7—8。

表7 單相斷線后負(fù)荷端接地時電壓值 kV

表8 單相斷線后負(fù)荷端接地時電流值 kA

單相線路斷線后，負(fù)荷端接地時的電壓波形如圖11所示。

圖11 單相斷線后負(fù)荷端接地時三相電壓波形

根據(jù)表6所示，可以看出單相線路斷線以后的不同序電流的大小是一樣的，故障相的電流會驟降為0，沒有發(fā)生斷線狀況的相電流變?yōu)檎Ｏ嚯娏鞯?.86倍，相位相差約180°。與此同時，基于上述的電氣運行參數(shù)及波形變化，可知三種不同種類的單相斷線故障的故障特征主要體現(xiàn)在兩側(cè)電壓變化上。再分析單相線路斷線后電源端接地故障，發(fā)生斷線情況的M端相電壓降低接近于0，其他未發(fā)生斷線的相電壓變化相同，接近于15.01 kV，且兩相角差約為60°；故障后N側(cè)相電壓約為12 kV，相當(dāng)于正常相電壓的1.4倍，相位反轉(zhuǎn)180°，其他未發(fā)生故障的相電壓變化相等接近于14 kV，且兩相角差約為60°。該例的仿真結(jié)果與理論分析結(jié)論相符，利用其他兩種故障類型分析，也可得出仿真結(jié)果與理論分析相符的結(jié)論。所以，通過仿真驗證了分析結(jié)果的正確性。

3.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗證

采用某電力公司提供的10 kV非接地配電網(wǎng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗證所提單相斷線故障診斷方法，在某次故障發(fā)生后，測得現(xiàn)場各故障運行參數(shù)見表9—10。

表9 某次現(xiàn)場故障電壓值 kV

表10 某次現(xiàn)場故障電流值 kA

4 結(jié)語

本文分析了含小水電系統(tǒng)的10 kV中性點非接地配電網(wǎng)單相斷線故障的特性，提出了以故障電流為主、以故障電壓為輔的單相斷線故障診斷方法。通過MATLAB搭建故障線路仿真模型，驗證了小水電系統(tǒng)線路故障診斷方法的正確性。通過實驗數(shù)據(jù)分析可知，該方法可以精準(zhǔn)地判斷單相斷線故障的發(fā)生，并且能夠有效識別具體的斷線故障類型，提高了故障檢測的效率，并且也得到了現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的驗證，為配電網(wǎng)輸電線路后續(xù)保護(hù)提供了可靠的動作依據(jù)，提高了小水電系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。