淺析基于諧波的低壓配電干線中性線斷線的檢測方法

王龍水

摘 要：現階段，我國低壓配電系統負荷普遍的特征就是三次諧波電流含量較大。受到這一特點的影響，配電干線首端設置了監測裝置，能實現中性線斷線故障的準確檢測和有效保護，其主要原理在于利用線路首端三次諧波變化的檢測結果，對其有無中性線斷線故障問題進行判斷。基于諧波的低壓配電干線中性線斷線的檢測方法和結果進行了分析。

關鍵詞：諧波；低壓配電干線；中性線；低壓配電系統

中圖分類號：TM75 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.20.134

文章編號：2095-6835（2016）20-0134-02

現階段，我國民用和工業低壓配電系統中，三相四線制系統是應用率最高的一種類型，其中，性線能為維持整個配電系統的中性點零電位，這也是確保三相電壓基本平衡的主要方法。在三相不平衡負荷供電的回路中，中性線斷線將會造成程度不同的斷線點后系統過電壓問題，甚至造成電氣火災以及電氣損壞問題。隨著近年來低壓配電系統中各種電力電子設備和電器應用的逐步完善，電力系統諧波注入問題也逐漸引起了人們的關注。

1 中性線斷線故障特征分析

1.1 三相負荷平衡狀態

在正常連接中性線的情況下，由于系統阻抗明顯低于負載阻抗，因此，非線性設備中將會形成三次諧波電流，并通過中性線流向系統側。但在中性線斷線的情況下，故障位置將會導致非線性負載產生的諧波電流不能正常流回饋線首端，而轉向負載阻抗。在此情況下，線路首端的3次諧波電流指的僅僅是故障部位的3次諧波電流，所以，從回路的首端看，在三相上能對3次諧波突變情況進行同時檢測。此時，回路系統內的基波電流會因流通路徑不變而在首端被檢測到，并隨著實際的負荷情況而發生變動。

本文將3次諧波電流的突變量ΔI3表示為：

ΔI3=I3，k-I3，k-1……. （1）

式（1）中：ΔI3為前后兩次采集數據之間差值；k為第k次采集的數據。

因此，3次諧波電流突變率也可以表示為：

ΔI3%=（I3，k-I3，k-1）/I3，k×100%. （2）

1.2 三相負荷不平衡狀態

如果故障部位存在負載不平衡表現，則故障后同樣能在三相線路首端對3次諧波電流突變情況檢測，但該階段中性點電位將會逐漸移動。電壓偏移量主要取決于三相負載的不平衡程度。若中性點電位偏移現象達到最嚴重的程度，則會導致輕載相電壓快速提高，并與線電壓相近。這一接入相的設備需要程度配電系統整體的過電壓。然而，如果重載相電壓逐步降低為0，則這一接入相的設備無法正常運行。所以，在負荷不平衡的情況下，低壓配電干線將會出現中性線斷線故障問題，其不僅表現為三相的3次諧波電流變化，還表現為線路首端各相上基波電流的變化。

從中性點電位偏移導致的基波電流突變ΔI1可知，恒功率負載可以表示為ΔI1=（Vr-Vab）/Vab×I1，恒阻抗負載可以表示為：

ΔI1=（Vab-Vr）/Vr×I1. （3）

式（3）中：Vr為負載的額定相電壓；Vab為不平衡相的相線-中性線電壓；I1為故障位置后負載的基波電流。

2 中性線斷線故障檢測判據及其靈敏度

2.1 故障檢測流程及判據

故障檢測程序如圖1所示，其中，故障設定值分別為μ，α，σ.根據圖1可以將故障的檢測判斷方法分為如下2點：①如果線首端三相上能對3次諧波的減小量|ΔI3%|>15%進行同時檢測，則代表中性線斷線故障，且隨著|ΔI3%|的加大，故障位置與首端之間距離越小；②如果線首端三相上存在典型的3次諧波電流減小表現，但|ΔI3%|在10%～15%之間，且三相上分別存在K<-0.3和K>0.3，則說明存在中性線斷線現象。

如果根據上述方法對故障情況加以判斷，則能夠對設備的設定值進行檢測，且由仿真實驗結果可知，誤判的發生率相對較低。由此可見，這一判斷方法較為符合故障判別的選擇性要求。

2.2 故障檢測的靈敏性分析

故障動作設定值需要避免正常條件下的系統運行狀態各項參數。如果斷線位置與線路末端較為接近，則會導致線路首端存在較小的3次諧波突變情況。這一現象無法得到準確的識別和檢測，而這也是該方法無法實現整個線路保護的主要原因。

檢測設備的動作設定值σ=15%時，則失去中性線的負載比例ΔI1？fault%在35%以上時，必然會出現3次諧波電流15%以上的改變。這一階段檢測設備能夠對中性線斷線故障發生情況進行準確判斷。如果ΔI1？fault%小于21%，則這一方法可能無效；如果ΔI1？fault%在21%～35%之間，則也存在一定的3次諧波電流15%以上改變的概率，且該比例相對較高，這一過程中可能會出現中性線斷線警報信號。

設定動作值α和σ分別設定為10%和0.3時，則需要對故障判斷的靈敏度加以判斷，故障發生過程中ΔI1？fault%通常超過15%. 同時，故障導致的K值變化，如果無法在三相上同時存在K<-0.3和K>0.3的變化，則無法進行準確的故障檢測，但由實際的分析研究結果可知，這一情況的發生率相對較低。

3 結束語

本文對以諧波的中性線斷線故障為基礎的檢測方法進行了論述分析，其檢測設備位于線路的首端，能最大限度地降低設備維護和建設成本。其主要原則在于通過斷線前后的諧波特性對故障的具體情況加以判斷。本文對負荷不平衡與平衡條件下的系統分別進行了檢測和判斷，并得到了一種適用于全部負載條件的故障檢測方案，但其在計算電流較小的線路檢測中也存在一定的缺陷，主要在于末端故障可能得不到全面保護。

參考文獻

[1]紅桂香.農網低壓配電線路加強保護消除隱患轉危為安[J].供電企業管理，2015，1（06）：53-55.