110 kV負荷線路單相斷線故障特性分析及調(diào)度策略

蔡正梓，樊 亮，劉 輝，沙立成，孫鶴林，張印寶

（國網(wǎng)北京市電力公司電力調(diào)度控制中心，北京 西城 100031）

110 kV負荷線路承擔著大電網(wǎng)下送電力的任務，是城市配電網(wǎng)的重要組成部分。其數(shù)量多，覆蓋廣，所處環(huán)境惡劣多變。近年來，由于導線老舊、外力破壞以及雷擊等自然災害的影響，斷線故障常有發(fā)生[1-3]。斷線故障產(chǎn)生的負序、零序分量會導致電能質(zhì)量下降，影響用戶的生產(chǎn)，嚴重情況下會導致繼電保護勿動，擴大停電范圍[4]。此外，斷線導致架空線落地，容易造成火災以及影響人畜的安全[5-6]。因此對架空負荷線路單相斷線故障特性展開研究具有重要的意義。

國內(nèi)外專家學者的研究主要表現(xiàn)在以下幾方面：文獻[7]提出了一種基于智能配電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析的狀態(tài)監(jiān)測與故障處理方法，綜合計算出網(wǎng)絡中各節(jié)點的局部異常因子，實現(xiàn)斷線故障的檢測與定位。文獻[8]利用智能配電網(wǎng)中存在大量異構多源的數(shù)據(jù)，從智能配電網(wǎng)中的應用場景出發(fā)，對多源數(shù)據(jù)融合中的不良數(shù)據(jù)辨識分析，可為電網(wǎng)安全運行提供數(shù)據(jù)支撐。文獻[9]提出基于配用電信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)和改進的隨機森林算法，用純數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法來判斷識別線路斷線故障。文獻[7-9]從大數(shù)據(jù)分析的角度出發(fā)，具有一定的局限性，并且不具備實時監(jiān)測的能力，實際應用效果有待提高。文獻[10]提出了基于計算電流相量的架空線路斷線故障識別方法。文獻[11-12]利用健全線路故障后零序電流和故障前負荷電流的幅值及相位的區(qū)別來識別斷線故障。

上述文獻中從不同的角度提出了鑒別斷線故障的方法，具有一定的準確性，然而在實際斷線情況下須迅速判斷出故障所在位置并采取緊急調(diào)度處置措施，結合實際工作從110 kV負荷線路單相斷線故障特性分析出發(fā)，提出斷線故障判斷方法以及調(diào)度策略。110 kV架空負荷線路斷線故障可分為單相斷線不接地故障、單相斷線電源側接地故障、單相斷線負荷側接地故障、單相斷線兩側均接地故障、兩相斷線、以及兩相斷線且一相或者兩相的一側或兩側接地等多種狀態(tài)[13-14]。鑒于兩相斷線及其各種狀態(tài)發(fā)生的概率較低，本文只針對單相斷線展開研究。

1 110 kV負荷線路單相斷線故障特性分析

以A 相單相斷線為例進行序網(wǎng)分析[15]，如圖1所示。

圖1 以A相斷線為例的電路圖

圖1中線路發(fā)生A相斷線，m、n為斷線處兩側的節(jié)點，m為斷線處電源側的節(jié)點，n為斷線處負荷側的節(jié)點；Ia、Ib、Ic分別為斷線后三相電流；ΔUa、ΔUb、ΔUc分別為三相斷線處的電壓降；ΔUa1為A相斷線處斷口的正序電壓降，ΔUa2為A相斷線處斷口的負序電壓降，ΔUa0為A相斷線處斷口的零序電壓降。A 相斷線的邊界條件：A 相斷線電流為0，故Ia=0；B、C 相沒有斷線，非斷線相斷線處（m、n處）電壓差為0，故ΔUb=ΔUc=0（斷線處的阻抗較小工程上可忽略不計）；將上述條件轉(zhuǎn)換成各序分量得：

由公式（1）可知A相的正序電流等于負序電流與零序電流之和，方向相反；由公式（2）、（3）、（4）可知斷口處電壓降的正負零序電壓都相同，因此可得A相的復合序網(wǎng)如圖2所示。

圖2 以A相斷線為例的復合序網(wǎng)

圖中Zm1為A 相斷口處到電源側的正序阻抗，Zn1為A 相斷口處到負荷側的正序阻抗，Z1=Zm1+Zn1；Zm2為A 相斷口處到電源側的負序阻抗，Zn2為A相斷口處到負荷側的負序阻抗，Z2=Zm2+Zn2，如電網(wǎng)中無旋轉(zhuǎn)設備則Z1=Z2；Zm0為A相斷口處到電源側的零序阻抗，Zn0為A相斷口處到負荷側的零序阻抗，Z0=Zm0+Zn0。為電源側電動勢，Ena為負荷側電動勢，ΔEa=Ema-Ena為斷相處m、n 兩側看進去的等效電動勢。Ia1為A 相斷線后的正序電流；Ia2為A 相斷線后的負序電流；Ia0為A 相斷線后的零序電流。由復合序網(wǎng)可求得各序電流為：

當負荷電流不變時，斷線前A、B、C相的負荷電流，分別記為Iaf、Ibf、Icf；其中A相負荷電流為：

將公式（5）、（10）代入公式（8）可得到B相電流：

同理可得到C相電流：

2 負荷側不接地系統(tǒng)，斷線相兩側不接地的特性分析

因為系統(tǒng)內(nèi)沒有零序阻抗，因此Z0=∞（無窮大）。非斷線相電流為：B相電流：

其三相相電流相量圖如圖3所示。

圖3 三相相電流相量圖

忽略了線路的對地電容后，110 kV 變電站站內(nèi)110 kV側主變中性點未接地，當發(fā)生單相斷線，電源側的中性點將偏移到BC 線電壓的中點，則可得到負荷側三相相電壓相量圖如圖4所示。

圖4 三相相電壓相量圖

由圖3 可知，當負荷站不接地系統(tǒng)，A 相斷線且斷線相兩側均不接地時，負荷站觀察到的B、C相電流為大小相同，方向相反的電流，系統(tǒng)中沒有零序分量，電源側的零序保護不會動作。

由圖4 可知，當負荷站不接地系統(tǒng)，A 相斷線且斷線相兩側均不接地時，負荷站觀察到的A 相電壓為正常電壓的1/2，方向與正常時相反；B、C 相電壓與正常電壓一致。

當A 相斷線時，合上負荷側站端母聯(lián)145 開關時，系統(tǒng)變成了雙回線經(jīng)過母聯(lián)145 連接，系統(tǒng)兩側帶電源，兩側電源均接地的運行方式，兩側電源均接地構成零序通道，系統(tǒng)內(nèi)正序阻抗Z1、零序阻抗Z0值不同。當斷線相原負荷電流Iaf較大時，則由公式（11）、（12）可知：Ib≠Ic，系統(tǒng)內(nèi)必然產(chǎn)生零序電流。零序電流大小與負荷電流有關，負荷電流越大，零序電流越大。當負荷電流大到一定程度時，會造成電源側雙回線零序保護動作，跳開雙回線路，擴大停電范圍。

3 負荷側不接地系統(tǒng)，斷線點負荷站側接地的特性分析

以A相單相斷線為例進行分析，如圖5所示。

圖5 A相斷線點負荷側接地的電路圖

圖5中ZxA為A相斷口處到電源側的阻抗。ZIA為A相斷口處到負荷側主變連接處的阻抗。ZtA為主變A相帶負載后等效的阻抗。BC相同理。

圖6 為變壓器T 型等效電路圖，其中Zm為勵磁阻抗，一般情況下Zm很大。對主變來說，負荷阻抗決定了主變帶負載后等效的阻抗ZtA。在圖1 中，若主變空載、輕載或正常運行，ZtA很大；若主變重載，則ZtA較小。

圖6 變壓器T型等效電路圖

當主變空載、輕載或正常運行，ZtA很大時，圖5 的狀態(tài)和第二部分負荷站不接地系統(tǒng)，負荷側沒有電源，A 相單相斷線一致，不同點是負荷側有接地點。

當ZIA很大時，假設為無窮大時，則與第二部分完全一樣：負荷站A相電壓為正常電壓的1/2，方向與正常時相反。B、C相電壓與正常電壓一致，A相無電流，B、C相電流大小相同，方向相反，基本無零序電流。

當斷口接地點距離負荷站很近時，負荷站A 相電壓為0，A 相電流與B、C 相電流的合電流大小相同，方向相反。

因此，當主變空載、輕載或正常運行時，負荷站中性點不接地，發(fā)生A 相斷線，且斷線處負荷站側接地時，負荷站的A 相電壓最低為0，最高為正常A相電壓的1/2，方向與正常時A相電壓相反，B、C相電壓與正常時電壓基本一致。如果A相有電流，A相電流與B、C相電流的合電流大小相同、方向相反。這種情況短路電流較小（負荷電流水平）。

當主變重載運行，ZtA較小時，圖5 的狀態(tài)可看做BC相間短路經(jīng)過渡阻抗接地與A相接地兩種狀態(tài)的疊加。這種短路狀態(tài)，零序保護和距離保護后備段可能會動作。此時狀態(tài)為：負荷站的A 相電壓較低，接近為0；B、C相電壓角度小于120°，電壓小于正常電壓；A相電流與B、C相電流的合電流大小相同，方向相反，且數(shù)值較大（故障電流水平）。對電源側來說，零序保護后備段應該能動作。

4 110 kV 負荷線路單相斷線故障的現(xiàn)象及調(diào)度策略

110 kV 負荷線路單相斷線后，有時不會造成線路保護動作跳閘，而是引起線路不對稱運行，產(chǎn)生零序和負序分量，對繼電保護、自動裝置的正確動作產(chǎn)生嚴重影響。同時，因缺相運行和電壓的不平衡，將導致工業(yè)用電、高鐵、地鐵等三相旋轉(zhuǎn)用電設備停運，單相供電的普通居民停電。因此，在發(fā)生110 kV及以上負荷線路單相斷線時，即使線路未跳閘但實際已經(jīng)造成了部分停電，須調(diào)控值班人員高度重視，盡快分析判斷，快速有效處置。

經(jīng)上述分析，110 kV 及以上負荷線路發(fā)生單相斷線后，一般會發(fā)生以下現(xiàn)象：線路電源開關斷線相電流下降明顯，斷線點負荷側線路所帶變電站斷線相電流降至0；斷線點負荷側線路所帶變電站斷線相電壓降至0（斷線點負荷側導線接地），或正常值的50%左右（斷線點負荷側導線懸空，未接地）；斷線點電源側線路所帶變電站電壓、電流均正常。以下以北京電網(wǎng)某次斷線故障為例進行現(xiàn)象分析，圖7 為負荷站C 相單相斷線（斷線相兩側不接地）的電壓錄波圖（負荷站的錄波）；圖8為負荷站C相進線單相斷線（斷線相兩側不接地）的電流錄波圖（負荷站的錄波）。從圖7 中可看出C 相的相電壓約為正常值的50%左右；從圖8 中可看出C 相的相電流約為0，進而可得出上述的分析準確可靠。

圖8 負荷站C相進線單相斷線的電流錄波圖

發(fā)生以上現(xiàn)象時，值班調(diào)控員應立即檢查線路各側變電站的電壓、電流變化，了解供電是否受到影響，排除TV 故障后，原則上可認為線路發(fā)生單相斷線缺陷，可按以下調(diào)度策略進行處置：應盡快將線路所帶負荷倒出，將線路停運；斷線點電源側線路所帶變電站（電壓、電流均正常），應采取合環(huán)倒路的方式將負荷倒出；對于斷線點負荷側線路所帶的變電站（電壓、電流異常），采取拉停線路、站內(nèi)母聯(lián)自投的方式將負荷倒出，嚴禁合環(huán)操作，避免造成非故障線路跳閘，從而擴大事故范圍；對于拉停后自投未動作的情況，檢查進線開關斷開后，立即合入母聯(lián)開關。