10 kV配電線路單相故障分析與處理

牛慶達，王強，王文剛，齊仁磊

（國網(wǎng)山東省電力公司青島供電公司，山東青島266002）

10 kV配電線路單相故障分析與處理

牛慶達，王強，王文剛，齊仁磊

（國網(wǎng)山東省電力公司青島供電公司，山東青島266002）

10kV配電線路發(fā)生單相接地或單相斷線都會造成母線電壓不平衡，由于未專門設(shè)置零序保護，只能依靠調(diào)度員的判斷去處理，若判斷不準將造成不應(yīng)有的損失。基于電路理論分析10 kV配電線路發(fā)生單相接地、單相斷線后系統(tǒng)電氣量的變化規(guī)律，從中找出兩者區(qū)別，并針對調(diào)度運行工作提出相應(yīng)的處理措施，對準確地判斷和處理這兩類故障具有指導(dǎo)意義。

配電線路；單相接地；單相斷線

0 引言

電力系統(tǒng)中性點的運行方式主要有直接接地和不接地（包括經(jīng)消弧線圈接地）兩種［1］。10 kV配電系統(tǒng)位于電力系統(tǒng)末端，擔負著為用戶直接供電的重任，為提高供電可靠性常采用中性點不接地的運行方式。但在實際運行中，電網(wǎng)監(jiān)控人員經(jīng)常監(jiān)視到10 kV母線電壓不平衡現(xiàn)象。

10 kV配電線路分布面廣、總長度長、運行環(huán)境復(fù)雜惡劣，單相接地和斷線故障時有發(fā)生是造成10 kV母線電壓不平衡的主要原因［2］，并導(dǎo)致母線側(cè)PT（電壓互感器）三角開口電壓升高［3］，嚴重威脅供電的安全性和可靠性。當PT開口電壓值達到電壓繼電器整定值（一般為20～30V），繼電器動作，發(fā)出接地信號。由于10 kV線路未專門設(shè)置零序保護，在繼電器發(fā)出接地報警信號后只能依靠調(diào)度值班員的判斷來處理故障。若接地和斷線分辨不清、判斷不準，將會造成不應(yīng)有的損失，甚至擴大事故影響范圍。因此，正確區(qū)分10kV配電線路單相接地與單相斷線有重要的現(xiàn)實意義。

摒棄復(fù)雜的對稱分量法及復(fù)合序網(wǎng)，采用基本電路理論來分析10 kV配電線路發(fā)生單相接地、單相斷線后系統(tǒng)電氣量（電壓、電流）的變化規(guī)律，從中找出兩者的區(qū)別。

1 10kV配電線路單相接地時電氣量分析

為簡化分析，假設(shè)10 kV配網(wǎng)僅有一條出線，忽略線路壓降及對地導(dǎo)納支路的影響；電源為三相對稱理想電壓源，幅值U=E，星形接線，并裝有帶開口三角的PT用作絕緣監(jiān)視，中性點N不接地；負荷側(cè)為對稱的三角形負載，阻抗大小為Z，未裝設(shè)PT。

系統(tǒng)正常運行時各相對地電壓相等，中性點電壓UN為0，系統(tǒng)額定線電壓為UL，假設(shè)A相發(fā)生金屬性接地，等值電路如圖1所示。

圖1 配電線路單相接地時等值電路圖

1.1 電壓分析

10 kV配電線路A相金屬性接地時［4］，故障點處三相電壓相量如圖2所示。

圖2 配電線路單相接地時電壓相量圖

接地相A的相電壓

中性點N的電壓

非接地相B、C電壓

PT三角開口電壓

故10 kV配電線路發(fā)生單相金屬性接地時，接地相的對地電壓降到0；非接地相的對地壓升高為線電壓，PT三角開口電壓U0達到電壓繼電器動作條件，發(fā)出接地信號。

1.2 電流分析

10 kV配電線路正常運行時，三相電壓對稱，對于三角形負載，線電流是相電流的倍，且相位落后30°。三相線電流為

A相接地后，系統(tǒng)三相電壓仍然對稱，10 kV配電線路三相線電流為

顯然，系統(tǒng)接地前后因三相電壓保持對稱，所以三相電流值基本保持不變，不會影響對用戶供電。

1.3 非金屬性接地電氣量分析

當線路經(jīng)過高電阻或弧光接地時，中性點電位偏移，此時電壓現(xiàn)象表現(xiàn)為一相降低，但不為0，另外兩相升高，大于相電壓但達不到線電壓，PT三角開口電壓大于整定值，繼電器動作，發(fā)接地信號。

2 10kV配電線路單相斷線時電氣量分析

假設(shè)A相斷線，系統(tǒng)三相不再平衡，中性點N電壓發(fā)生偏移，等值電路圖如圖3所示。

圖3 線路單相斷線時等值電路圖

2.1 電壓分析

忽略線路對地電容時，PT激磁電感比線路對地電容的容抗大的多，此時可認為系統(tǒng)接地點N′落在線電壓UBC的中點n上［5］，即n是電勢為0的參考點。10 kV配電線路A相斷線后故障點處三相電壓相量如圖4。由圖3可知

負荷側(cè)a相的電勢恰好和Un相等，故負荷側(cè)a相電壓Ua=0。

圖4 線路單相斷線時電壓相量圖

由圖4中可知配電線路各相電壓為

顯然，非斷線相B、C的電壓幅值降為相電壓的0.866倍，斷線相A的電壓幅值升為相電壓的1.5倍。PT三角開口U0電壓值同樣達到繼電器動作條件，繼電器發(fā)出接地信號。

由于10 kV配網(wǎng)不止一條出線，線路對地電容的容抗一般不為0，接地點N′會在N與n之間漂移。配電線路單相斷線時，斷線相相電壓會有所升高，最大升高為相電壓的1.5倍，非斷線相的相電壓會有所降低，最低下降為相電壓的0.866倍。

特別指出當斷線位置在PT安裝位置之前，則電網(wǎng)遙測數(shù)據(jù)中斷線相的相電壓數(shù)值為負荷側(cè)的電壓值Ua，由圖4中相量圖知其范圍為相電壓的0～0.5倍。對于一般架空線路而言，對地電容很小，斷線相電壓值接近于0，這種斷線故障最易被誤認為是單相接地。

2.2 電流分析

設(shè)IN為斷線前線電流，由圖3計算可求出斷線相的線電流IA=0，非斷線相的線電流

電流降為故障前的0.866倍。對出線多、電纜線路長的變電站，當架空線路斷線對10 kV母線電壓影響不大時，電流值的變化可以作為輔助手段用于判斷系統(tǒng)是否發(fā)生單相斷線。

3 單相接地與單相斷線的區(qū)別及處理方案

10 kV配電線路單相接地與單相斷線最主要的區(qū)別在于相電壓的變化。單相接地時系統(tǒng)相電壓一相降低，兩相升高，但三相線電壓仍然保持對稱，對用戶供電基本沒有影響，一般情況下可繼續(xù)運行1～2 h；單相斷線時系統(tǒng)相電壓一相升高，兩相降低，破壞了系統(tǒng)的對稱性，缺相運行極易燒毀電動機、降低電能質(zhì)量及供電可靠性，直接影響對用戶的供電，繼續(xù)維持線路運行己沒有意義，需立即拉路。故當監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出接地信號時，調(diào)度員首先要根據(jù)系統(tǒng)相電壓的變化判斷系統(tǒng)是發(fā)生單相接地還是單相斷線故障，然后再按相應(yīng)對策處理。

3.1 單相接地處理方案

造成配電線路單相接地原因大致有［6］：配電變壓器臺上的熔斷器絕緣擊穿；導(dǎo)線斷線落地或搭在橫擔上；導(dǎo)線在絕緣子中綁扎或固定不牢，脫落到橫擔或地上；因風力過大，導(dǎo)線與樹木刮擦；配電變壓器高壓引下線斷線搭落在橫擔上；配電變壓器高壓繞組單相絕緣擊穿或接地；絕緣子、避雷器等絕緣擊穿；同桿架設(shè)導(dǎo)線上層橫擔的拉線一端脫落，搭在下排導(dǎo)線上；鳥害；飄浮物（如錫箔紙、鐵絲等）及其它偶然或不明原因。

當10 kV配電線路發(fā)生單相接地時，監(jiān)控人員應(yīng)及時匯報調(diào)度員并做好記錄。調(diào)度員一般可以通過逐條試拉找出接地線路。試拉時要遵循以下原則：先拉架空線路后拉電纜線路；先拉分支多線路后拉分支少線路；先拉較長線路后拉較短線路；先拉負荷輕的線路后拉負荷重的線路。當拉開某條線路時，系統(tǒng)接地信號消失，則該線路就是發(fā)生單相接地的線路。找出接地線路后調(diào)度員應(yīng)立即通知變電站運行人員去站內(nèi)檢查設(shè)備、通知配電線路運行維護人員巡線、通知高壓檢查員檢查用戶設(shè)備。在系統(tǒng)未發(fā)生諧振前，接地線路一般仍可以繼續(xù)保持運行1～2 h。

雖然10 kV配電線路單相接地時允許繼續(xù)向用戶供電，但這時非故障相電壓會升高，很可能擊穿絕緣薄弱點，從而引起兩相接地短路故障，對電網(wǎng)設(shè)備造成損壞。因此需要在較短的時間內(nèi)消除接地故障。對于較長線路，為了能及時隔離故障點，可以采取分段試拉判斷法［7］將后段線路分段開關(guān)斷開，如果得知接地故障消除就可以斷定接地點在線路后段，縮小巡視范圍。

3.2 單相斷線處理方案

配電線路發(fā)生斷線的原因主要有：雷擊、惡劣天氣導(dǎo)致斷線，導(dǎo)線著雷后，往往會從絕緣子處與橫擔部位閃爍放電，形成電弧燒傷導(dǎo)線；施工質(zhì)量不過關(guān)、導(dǎo)線磨損、運行管理過程中的隱患和缺陷導(dǎo)致斷線；機械外力導(dǎo)致斷線，例如樹枝壓斷導(dǎo)線、施工挖斷導(dǎo)線、車輛穿梭刮斷導(dǎo)線、金具和導(dǎo)線盜竊以及溫度較低時的導(dǎo)線荷載力會導(dǎo)致線路斷線；線路陳舊、瓷橫擔斷裂導(dǎo)致斷線；電氣作用導(dǎo)致斷線，如各種短路故障燒斷導(dǎo)線，絕緣導(dǎo)線由于電場不均勻會導(dǎo)致斷線［8］。

在線路發(fā)生斷線故障后，改變了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，故障位置負荷側(cè)的電壓質(zhì)量將會受到明顯影響，配電網(wǎng)出現(xiàn)大量負序電流，電壓將會出現(xiàn)嚴重不平衡現(xiàn)象，系統(tǒng)的三相對稱性遭到破壞，致使三相電路不再平衡，此時維持線路繼續(xù)運行的狀態(tài)己經(jīng)沒有意義。同時電動機會因缺相運行而燒毀，降低設(shè)備使用壽命，電能質(zhì)量變壞，供電可靠性降低，影響對用戶的直接供電。

當10 kV配電線路發(fā)生單相斷線時，同樣可以逐條試拉找出斷線線路。一旦拉開某條線路，系統(tǒng)電壓恢復(fù)正常時，即可確定此線路為斷線線路并應(yīng)立即拉路［9］。很多時候，對出線多、電纜線路長的變電站，架空線路斷線對10 kV母線電壓影響不大，電網(wǎng)要帶故障運行很長一段時間，此時要結(jié)合用戶反映情況去判斷是否有斷線故障。

4 結(jié)語

10 kV配電線路發(fā)生單相接地與單相斷線后系統(tǒng)電氣量的變化既有相似點也有不同處，調(diào)度員只有熟練掌握兩者的區(qū)別后才能在系統(tǒng)發(fā)出接地信號時做出準確判斷并及時排除故障，保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。

［1］李光琦.電力系統(tǒng)暫態(tài)分析［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［2］王新建，孫德強.對10 kV母線系統(tǒng)電壓不平衡狀態(tài)的分析［J］.山東電力技術(shù)，1998（1）：75-77.

［3］熊信銀，朱永利.發(fā)電廠電氣部分（第三版）［M］.北京：中國電力出版社，2004.

［4］李建剛.10 kV配電線路單相接地故障淺析［J］.科技資訊，2007（8）：18-19.

［5］王慶華.配電線路斷線故障的分析［J］.廣西水利水電，2011（6）：57-60.

［6］朱亮.10 kV配電網(wǎng)小電阻接地系統(tǒng)單相短路故障及其保護研究［D］.長沙：湖南大學，2011.

［7］周封，王亞丹.10 kV配電線路單相接地故障分析與故障查找［J］.科技信息，2010（6）：89-90.

［8］馬騰.10 kV配電線路斷線故障檢測與定位研究［D］.濟南：山東大學，2013.

［9］徐洪喜，封波.一起10 kV線路單相斷線故障分析［J］.江蘇電機工程，2012，31（6）：15-18.

Analysis and Treatment of Single-phase Fault on 10 kV Distribution Lines

NIU Qingda，WANG Qiang，WANG Wengang，QI Renlei
（State Grid Qingdao Power Supply Company，Qingdao 266002，China）

Either single-phase grounding fault or single-phase disconnection fault on 10 kV lines can cause 10kV bus voltage imbalance.Without zero sequence protection，failure handling depends solely on the judgment of dispatchers，hence wrong judgment would cause more losses.Using basic circuits and the change law of electric power system disturbance，discussed the difference when single-phase grounding fault occurs or single phase disconnection fault for 10 kV lines happens.Corresponding countermeasures are put forth.It has some guiding significance for dispatchers to make accurate judgment.

distribution lines；single-phase grounding fault；single phase disconnection fault

TM726

B

1007－9904（2015）03－0049－04

2014-09-01

牛慶達（1987），男，工程師，從事電力系統(tǒng)運行與控制工作；

王強（1981），男，工程師，從事電力系統(tǒng)運行與控制工作；

王文剛（1973），男，工程師，從事電力系統(tǒng)運行與控制工作；

齊仁磊（1988），男，工程師，從事電氣工程相關(guān)工作。