基于零序电压相关系数的配电网单相断线故障保护方法_周斌.pdf

配电209供用电DISTRIBUTION&UTILIZATION第 40 卷 第 2 期2023 年 2 月基于零序电压相关系数的配电网单相断线故障保护方法周斌1，李赫2，郑海涯1，张海台2，杨程1，何承涛1（1贵州电网有限责任公司凯里供电局，贵州 凯里 556000；2山东科汇电力自动化股份有限公司，山东 淄博 255087）摘 要：伴随着配电线路绝缘化率的提高，断线故障成为配电网常见故障之一，故障长期存在易引发火灾，甚至导致人身触电。针对此问题，以不接地系统为例，根据单相断线故障模型，分析了配电线路发生断线故障时断口前后零序电压的变化特征，分析发现：单相断线故障时，断口两侧至少有一侧会出现较大的零序电压，并且两侧零序电压存在较大差异，然而之前利用断口前后零序电压幅值差的故障识别方法存在死区。为提高检测可靠性，综合利用断口两侧零序电压的幅值和相位信息，提出一种基于零序电压相关系数的配电网单相断线故障保护方法，并通过数字仿真验证了该方法的有效性。理论分析和仿真表明，所述方法不受断线相别、故障位置和负荷大小的影响，能够在各种断线形态下可靠识别故障。关键词：配电网；不接地系统；单相断线故障；零序电压；相关系数中图分类号：TM77 文献标志码：A DOI：10.19421/ki.1006-6357.2023.02.002引文信息周斌，李赫，郑海涯，等基于零序电压相关系数的配电网单相断线故障保护方法J 供用电，2023，40（2）：9-16ZHOU Bin,LI He,ZHENG Haiya，et alSingle-phase line break fault protection method for distribution network based on zero-sequence voltage correlation coefficientJ Distribution&Utilization，2023，40（2）：9-16.基金项目：贵州电网有限责任公司科技项目（060800KK52190010）。Supported by Guizhou Power Grid Co.,Ltd.（060800KK52190010）0 引言10 kV配电网中的断线故障发生频率较高，其主要原因有外力破坏、连接松动、熔丝熔断、断路器接触不良和气象灾害（雷暴、降雪、强风）1-3。而近些年来，配电线路绝缘化率的提高使现场断线故障更为频发，由于雷击等原因形成闪络后，绝缘导线上的电弧不能像裸导线上的电弧一样在 电动力和风的作用下自由移动，持续燃弧易造成断线4。断线下垂至地面会形成断线接地复合故障，故障长期存在易引发火灾，甚至导致人身触电等事故，严重威胁电网的安全稳定运行5。因此，有必要对不同类型的单相断线故障进行详细研究，并考虑能够快速检测断线故障的方法。文献6指出配电网中的单相断线故障有单相断线不接地、单相断线并电源侧接地、单相断线并负荷侧接地、单相断线两侧均接地等多种形态。电力系统继电保护传统上主要使用故障电流信息，断线不接地故障主要体现在部分负荷电流的缺失，故障特征不明显。而对于断线并坠地故障，由于大地阻抗以及绝缘层的作用易形成高阻接地故障7-8，故障电流微弱，已有的小电流接地故障诊断方法适用性尚待确认9-12。文献13通过分析配电网单相断线故障时负序电流的变化规律，提出基于能量测度的故障选线方法。文献14分析了单相断线故障稳态负序电压、电流的相位关系，并基于此提出故障区段定位与隔离方法，但是利用负序电流特征在线路轻载或者空载时可能失效，并且会受系统正常运行时不平衡电流的影响。文献15提出了基于零序电压幅值差的断线识别方法，该方法利用断口前后零序电压幅值存在较大差别的特点，适用于多种断线形态且算法简单，但是其在原理上存在检测死区，本文将着重对此方法进行分析并提出改进策略。文献16分析了配电网断线故障时中压侧以及配电变压器低压侧的电压特征，提出了一种基于馈线终端单元和配电变压器终端单元上报的电压稳态信息的断线故障定位方法。文献17-20针对中性点不接地系统和经小电阻接地系统，综合考虑线路断线故障类型、断线位置、故障线路对地电容占比、故障线路负荷阻抗大小和坠地点过渡电阻大小等影响因素，分析了电源侧中性点电压偏移规律以及断口前后相/线电压变化特征。文献21分析了断线供用电2023年第02期第一部分.indd 9供用电2023年第02期第一部分.indd 92023/2/8 下午4:102023/2/8 下午4:10配电210供用电DISTRIBUTION&UTILIZATION第 40 卷 第 2 期2023 年 2 月瞬间、接地瞬间暂态零序电压/电流特征，并表明已有暂态选线方法依然能够适用于断线故障，但是利用断线瞬间产生的暂态电气量进行选线灵敏度较低。文献22提出利用智能算法的断线故障检测方法，但是此类方法现场应用较少，实用性尚待进一步完善。单相断线（含断线坠地）故障后，断口前后零序电压差异巨大，综合利用断口前后零序电压的幅值和相位信息能够准确反映断线特征，可作为新的断线故障检测思路。本文以不接地系统为例，根据单相断线故障模型，分析了配电线路发生断线故障时断口前后零序电压的变化特征，进而提出了一种基于零序电压相关系数的配电网单相断线故障保护方法，并利用数字仿真进行了验证。1 不接地系统单相断线故障模型不接地系统单相断线故障接线如图1所示（本文以分析A相断线为例，B相、C相断线的分析方式与A相类似）。系统三相负荷平衡，星形连接。为三相电源电动势；为母线三相对地电压，系统正常运行时可认为；L1表示所有非故障线路的等效电路；L2表示故障线路的等效电路；N、M分别为断线位置电源侧中性点、负荷侧中性点；分别为电源侧中性点N、负荷侧中性点M的对地电压；A、A为断口两侧节点；C1为等效健全线路各相对地电容；C2为等效故障线路各相对地电容；x为断口下游故障线路长度占故障线路总长度的比例，可以反映故障位置；Rd、Rd分别为断口两侧接地电阻；Z1、Z2分别为非故障线路L1、故障线路L2的等效负荷阻抗，由于线路阻抗与线路对地容抗相比小得多，故本文予以忽略23。2 零序电压解析表达式中性点不接地系统，以A相发生断线故障为例，忽略线路压降，根据图1，对节点A应用基尔霍夫电流定律，可得：（1）发生断线故障后，忽略线路压降，无论地电位如何偏移，断口后非故障相电压与断口前非故障相电压一致，利用公式（X分别代表A、B、C相）计算断口前三相电压以及断口后健全相电压，可得：（2）将式（2）代入式（1）可得：（3）式中：为角频率；C为系统总对地电容，C=C1+C2；为断口后故障相对地电容占系统总对地电容的比例，。对系统整体应用基尔霍夫电流定律可得：（4）将式（3）中代入式（4），电源侧中性点N对地电压可表示为：（5）根据式（2）和式（5），负荷侧中性点M对地电压可表示为：（6）中压配电线路总长度长、分支多、单条出线长度较短，在考虑网损和供电可靠性的条件下，单条出线长度应控制在10 km以内；系统中存在电缆出线时，考虑到接地故障电容电流较大，电缆总长度一般NUNUNUO?EC?EBEBE?EAEAE?UAUAU?UBUBU?UCUCU?AARdxC2xC2xC(1xx)C2C2CC1Z1MUMUMUO?C1Z1C2C2CZ2Z2ZZ2Z2ZC1Z1C2C2CZ2Z2ZL1L2Rd图1不接地系统单相断线故障接线Fig.1 Diagram of single-phase linebreak faults in ungrounded distribution system供用电2023年第02期第一部分.indd 10供用电2023年第02期第一部分.indd 102023/2/8 下午4:102023/2/8 下午4:10配电211供用电DISTRIBUTION&UTILIZATION第 40 卷 第 2 期2023 年 2 月限制在15 km以下24。在上述条件的限制下，故障线路断口下游容抗远大于负荷阻抗，易得到|CZ2|1，故jCZ2可忽略，则式（5）和式（6）可以分别简化为：（7）（8）在配电系统中发生断线故障后，大地的电位保持恒定，系统各处电压相对于地电位发生改变。为了方便分析，本文以电源侧中性点N为基准，绘制不同故障情况下地电位O和故障线路负荷侧中性点M的相对位置和变化轨迹，进而得到系统中各处电压的变化情况。后续电压幅值和相位的分析均以作为基准单位，设的相位为0。3 单相断线故障零序电压特征分析3.1 断线不接地故障零序电压特征断线不接地故障时，断口后故障线路对地电容通过负荷阻抗转移到健全线路，增大了三相对地导纳的不平衡度，使中性点电压偏移。，代入式（7）和式（8），电源侧中性点电压可表示为：（9）故障线路负荷侧中性点电压可表示为：（10）据式（9）和式（10），得到断线不接地故障零序电压相量如图2所示，此时断口前后零序电压取决于故障线路断口后故障相对地电容占系统总对地电容的比例。以N为基准，M位于顶点连线的中点处。随着从0（线路末端断线）变化到1（系统仅有一条出线且出线口断线），地电位O沿着的反方向从N移动到M。的幅值相应地从0增大到，相位始终为0，的幅值从减小到0，相位始终为180。上述变化过程中，始终满足至少有一侧零序电压大于等于0.25。断线不接地故障断口前后零序电压相量差的幅值为。NMOEC?EBEBE?EAEAE?=0=0.3=0.6=1UNOUNOU?UMOUMOU?UNMUNMU?图2断线不接地故障零序电压相量Fig.2 Zero-sequence voltage phasor diagram for single-phase line break fault without earthing3.2 断线并电源侧接地故障零序电压特征断线并电源侧接地故障时，代入式（7）和式（8），电源侧中性点电 压可表示为：（11）故障线路负荷侧中性点电压可表示为：（12）据式（11）和式（12），断线并电源侧接地故障零序电压相量如图3所示。NMAGOEC?EBEBE?=0=0.3=0.6=1UNOUNOU?UMOUMOU?UNMUNMU?EAEAE?图3断线并电源侧接地故障零序电压相量Fig.3 Zero-sequence voltage phasor diagram for single-phase line break fault with earthing at system side以N为基准，M仍位于顶点连线的中点处。定义图3中对应接地电阻时地电位所在位置为G，接地电阻变化时地电位所在位置为O，的顶点为A。随着从0变化到1，G沿着的反方向由N移动供用电2023年第02期第一部分.indd 11供用电2023年第02期第一部分.indd 112023/2/8 下午4:102023/2/8 下午4:10配电212供用电DISTRIBUTION&UTILIZATION第 40 卷 第 2 期2023 年 2 月至M。综合考虑各种系统结构，随接地点过渡电阻从0增大至，O沿由A向G移动，的幅值减小，变化范围为0，相位变化范围为0180；的幅值减小，变化范围为01.5，相位变化范围为90180。断线并电源侧接地故障断口前后零序电压相量差的幅值为。3.3 断线并负荷侧接地故障零序电压特征断线并负荷侧接地故障时，Rd=，代入式（7）和式（8），电源侧中性点电压可表示为：（13）故障线路负荷侧中性点电压可表示为：（14）据式（13）和式（14），断线并负荷侧接地故障零序电压相量如图4所示。0180；的幅值增大，变化范围为0，相位变化范围为180 90。根据式（7）和式（8），断线并负荷侧接地故障断口前后零序电压相量差的幅值为：（15）由图4以及式（15）可知，单相断线并负荷侧接地故障断口前后零序电压相量差的幅值小于。极端情况下，故障线路负荷阻抗为，断口负荷侧金属性接地，此时式（15）可化简为：（16）根据式（16），所述极端情况下零序电压相量如图5所示。NMPG GDQO O