基于直流信號(hào)注入的低壓配電網(wǎng)中性線斷線檢測方法*

江智彬，鄧劉毅

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 茂名供電局 廣東茂名 525000

1 項(xiàng)目背景

在三相四線制低壓配電系統(tǒng)中，中性線的作用是當(dāng)三相負(fù)載不對(duì)稱時(shí)保證中性線的電位為零，以消除中性點(diǎn)電位變化，使各相電壓保持對(duì)稱，即各相負(fù)載的相電壓恒等于電源相電壓[1]。三相中若有一相斷路，只會(huì)影響本相，其余兩相電壓仍保持不變，接在此兩相上的電器設(shè)備仍能正常工作[2]。中性線的存在，使三相電壓保持穩(wěn)定平衡[3]。

如果中性線接地不良或斷線，將發(fā)生中性點(diǎn)偏移現(xiàn)象，三相電壓不能保持平衡。這時(shí)線電壓仍然對(duì)稱不變，但各相負(fù)載承受的電壓則發(fā)生改變[4-5]。有的相負(fù)載所承受的電壓低于額定電壓，有的相負(fù)載所承受的電壓將會(huì)高于額定電壓，嚴(yán)重時(shí)可能造成用電設(shè)備燒壞或?qū)е仑?fù)載中電壓降低而不能正常工作，影響用戶的使用，甚至?xí)?duì)人身安全構(gòu)成威脅[6-7]。

目前防止中性線斷線的措施包括[8-9]：平衡三相負(fù)荷，使中性線電流盡量減??；加大中性線的導(dǎo)線截面積；消除銅鋁接頭；采用三相五線制系統(tǒng)；配電線路重復(fù)接地等。以上措施都是從預(yù)防中性線斷線角度出發(fā)的。中性線受到熱效應(yīng)、機(jī)械力接頭氧化或外力等因素的影響，都有可能引發(fā)斷線故障[10-12]，因此有效檢測出中性線所發(fā)生的斷線故障，并且迅速給出切除負(fù)載的信號(hào)，對(duì)保護(hù)用戶及用電設(shè)備安全具有重要意義。

筆者提出一種基于直流信號(hào)注入的中性線斷線檢測方法，利用小信號(hào)注入原理，根據(jù)斷線前后采樣電阻電壓的差異實(shí)現(xiàn)斷線檢測。為了確定斷線點(diǎn)所在位置，設(shè)置斷線點(diǎn)定位單元，若干個(gè)定位單元將中性線分成若干區(qū)間，通過比較采樣電阻的電壓差異，可以判斷斷線點(diǎn)所在的區(qū)間。

2 中性線斷線檢測原理

中性線斷線檢測電路原理如圖1所示，斷線檢測裝置在虛線框內(nèi)，虛線框左側(cè)為A、B、C三相電源，右側(cè)為三相負(fù)載，N代表系統(tǒng)中性線，檢測裝置包括電壓互感器PT、電容器Cs、直流電壓源Es及采樣電阻Rz。電壓互感器與被保護(hù)的負(fù)載并聯(lián)運(yùn)行，并由其開口三角形繞組得到零序電壓。電容器與電壓互感器串聯(lián)，電容器兩端與采樣電阻及直流電壓源并聯(lián)。

圖1 中性線斷線檢測電路原理

當(dāng)系統(tǒng)中性線未斷開時(shí)，等效電路如圖2(a)所示，rs為變壓器二次繞組的等效電阻，rL為電壓互感器直流電阻，R為負(fù)載電阻。由于變壓器二次繞組等效電阻和電壓互感器直流電阻阻值很小，可忽略，因此直流電壓源經(jīng)系統(tǒng)線路形成回路，直流電壓基本降落在采樣電阻上，則采樣電阻上的電壓為：

URz=Es

(1)

圖2(b)所示為中性線斷線時(shí)的等效電路圖，采樣電阻與負(fù)載電阻呈分壓關(guān)系，則采樣電阻上的電壓為：

(2)

式(2)中，采樣電阻上的電壓降比式(1)中采樣電阻上的電壓降小很多，由此可根據(jù)采樣電阻上的電壓差異判斷是否發(fā)生中性線斷線故障。

圖2 中性線斷線檢測等效電路圖

由于斷線檢測裝置只給出中性線斷線通知，并不發(fā)出跳閘指令，因此在負(fù)載對(duì)稱運(yùn)行條件下，即使中性線斷線也不影響負(fù)載正常運(yùn)行，此時(shí)可以通過電壓互感器測得零序電壓，若零序電壓也超出閾值，則給出跳閘指令切除電源以保護(hù)負(fù)載安全。

3 斷線故障點(diǎn)定位

3．1 結(jié)構(gòu)及原理

為了較精確地定位斷線點(diǎn)，在圖1的基礎(chǔ)上增加若干斷線點(diǎn)定位單元，結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中包括基于直流信號(hào)注入的斷線檢測裝置和2個(gè)斷線定位單元，斷線定位單元由三組電阻電感電容(RLC)諧振電路組成，電感電容(LC)并聯(lián)部分對(duì)50Hz的交流電形成諧振，等效電阻無窮大，阻斷交流電流入斷線定位單元。因此每個(gè)斷線定位單元對(duì)直流電壓源的阻抗為R，諧振電路為直流電壓源提供通路同時(shí)不影響電網(wǎng)本身供電。

圖3 斷線點(diǎn)定位單元電路圖

根據(jù)線路實(shí)際需要設(shè)置斷線點(diǎn)定位單元個(gè)數(shù)。當(dāng)中性線出現(xiàn)斷線故障時(shí)，采樣電阻上的電壓會(huì)隨著斷線點(diǎn)的不同而有規(guī)律的變化，即斷線點(diǎn)越接近小信號(hào)注入單元，采樣電阻上分得的電壓就越小。

3．2 等效電路模型分析

以三個(gè)斷線點(diǎn)定位單元為例，在直流檢測信號(hào)下的等效阻抗分別用R1、R2、R3表示，三者阻值相同。如圖4所示，三個(gè)定位單元將中性線劃分成a、b、c三個(gè)區(qū)間，當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，由于變壓器二次繞組等效電阻和電壓互感器直流電阻阻值很小，可忽略，因此R1、R2被短路，采樣電阻上的電壓為：

圖4 斷線故障點(diǎn)定位等效電路圖

(3)

當(dāng)a區(qū)間出現(xiàn)斷線故障時(shí)，變壓器二次繞組等效電阻所在支路斷路，則與采樣電阻串聯(lián)的等效電阻Re1為：

(4)

相應(yīng)得采樣電阻上的電壓為：

(5)

當(dāng)b區(qū)間出現(xiàn)斷線故障時(shí)，變壓器二次繞組等效電阻與R1所在支路斷路，則與采樣電阻串聯(lián)的等效電阻Re2為：

(6)

相應(yīng)得采樣電阻上的電壓為：

(7)

當(dāng)c區(qū)間出現(xiàn)斷線故障時(shí)，變壓器二次繞組等效電阻、R1、R2所在支路斷路，則與采樣電阻串聯(lián)的等效電阻Re3為R3+R，采樣電阻上的電壓為：

(8)

由此可知，Re1URz1>URz2>URz3，可得如下規(guī)律：中性線斷線點(diǎn)離負(fù)載越近，采樣電阻上的電壓值就越小。

4 仿真驗(yàn)證

圖5 斷線檢測電路仿真圖

圖6為三相負(fù)載對(duì)稱和不對(duì)稱時(shí)采樣電阻電壓的波形。當(dāng)t=0.3s時(shí)，中性線斷開，可以看出負(fù)載對(duì)稱時(shí)，采樣電阻電壓在0.3s后大幅度下降，斷線前電壓為4.973V，斷線后為1.366V。當(dāng)負(fù)載不對(duì)稱時(shí)，斷線前后采樣電阻上電壓也發(fā)生顯著變化，斷線前電壓最大值為4.945V，斷線后電壓穩(wěn)定值為1.371V，因此可通過比較相應(yīng)閾值判斷中性線狀態(tài)。

圖6 斷線檢測仿真中采樣電阻電壓波形

按圖3所示在圖5的基礎(chǔ)上加入斷線點(diǎn)定位單元，定位單元中的等效電阻R1=R2=R3=3Ω。當(dāng)t=0.3s 時(shí)，中性線分別在a、b、c區(qū)間出現(xiàn)斷線，采樣電阻電壓的變化波形如圖7所示，圖中分別標(biāo)出斷線前后采樣電阻電壓值。按照仿真參數(shù)計(jì)算出其理論值，見表1，由此可以看出采樣電阻電壓在不同斷線情況下有明顯差異，且實(shí)際值符合理論推導(dǎo)結(jié)果，因此可以作為判據(jù)，判斷中性線斷點(diǎn)所在的區(qū)間。

圖7 斷線故障點(diǎn)定位仿真中采樣電阻電壓

表1 中性線斷線情況下采樣電阻電壓值

5 結(jié)束語

提出了一種三相四線制低壓配電系統(tǒng)的中性線斷線檢測方法及斷線點(diǎn)定位方法，基于直流信號(hào)注入原理，通過比較采樣電阻電壓在斷線前后的差異，判斷中性線是否斷線，并利用斷線點(diǎn)定位單元判斷斷線點(diǎn)所在區(qū)間。這一方法不受電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)影響，可以根據(jù)實(shí)際情況靈活布置斷線點(diǎn)定位單元位置，對(duì)工程中中性線檢測與維護(hù)具有一定的參考價(jià)值。

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