不接地系統(tǒng)單相斷線故障分析與診斷

國網(wǎng)蘇州供電供公司 于云娟 謝瀟磊 胡書通

1 引言

電力系統(tǒng)運行時，線路、變壓器和斷路器等元件可能會非全相運行[1]。中低壓系統(tǒng)中非全相故障主要是單相斷線，缺相運行本身對于變壓器的危害并不大，但由于電壓不對稱，對三相動力負載和照明負載極為不利，嚴重影響用電質(zhì)量和用戶經(jīng)濟利益[2]，因此，快速、準(zhǔn)確地判斷單相斷線故障對保障用戶電能質(zhì)量尤為重要。

中低壓系統(tǒng)單相斷線時的系統(tǒng)電壓與單相接地、壓變高壓熔絲熔斷等故障時有一定相似性，容易造成監(jiān)控及運維人員的誤判。目前，單相斷線的研究大多側(cè)重給出結(jié)論，未進行細致全面的分析[3]。本文通過對一起35kV 系統(tǒng)單相斷線故障案例進行理論計算和分析，得出Yd11接線變壓器單相斷線時的電壓實用判據(jù)，并針對不接地系統(tǒng)的各類電壓異常總結(jié)歸納特點，有助于變電運維人員迅速判斷故障類型、排除故障。

2 故障概況

2.1 故障經(jīng)過

2022年3月24日19:08分，蘇州供電公司110kV漁涇變35kV Ⅱ段母線接地，315列電線保護裝置報過流Ⅰ段保護動作，重合閘動作，重合成功（如圖1所示）；35kV 跨鎮(zhèn)變10kV 母線電壓不平衡，A 相2.81kV，B 相3.16kV，C 相5.98kV。事故前一次運方（見圖2、圖3）。

圖1 110kV 漁涇變SOE 信息

圖2 35kV 跨鎮(zhèn)變一次接線圖

圖3 110kV 漁涇變一次接線圖

2.2 現(xiàn)場檢查

運維人員至35kV 跨鎮(zhèn)變現(xiàn)場檢查，母線電壓A、B 相降低，約為正常時的一半，C 相電壓正常。初步懷疑是壓變高壓熔絲兩相熔斷，但由于擔(dān)心站內(nèi)有接地，未采取停壓變更換高壓熔絲的措施。再次對全站設(shè)備進行仔細檢查，發(fā)現(xiàn)315列電線進線B斷線（如圖4所示）。

圖4 315列電線進線B 相斷線

考慮10kV Ⅰ、Ⅱ段母線電壓存在電壓差，如果采取合解環(huán)方式將會產(chǎn)生較大的不平衡電流，匯報調(diào)度后，決定直接拉停斷線主變低壓側(cè)斷路器。處理方式：將低壓側(cè)備自投停用，拉開101#1主變開關(guān)，10kV Ⅰ段母線所帶負荷短時失電，再合上100母聯(lián)開關(guān)，10kV Ⅰ段母線所帶負荷恢復(fù)供電，再將#1主變高壓側(cè)改冷備用，漁涇變315列電線改檢修，跨鎮(zhèn)變、漁涇變電壓恢復(fù)正常。

3 理論分析

我國35kV 變壓器大多采用Yd11接線組別，下文將針對Yd11接線組別的變壓器高壓側(cè)缺相時，高、低壓側(cè)母線電壓變化情況進行理論計算分析，得出變壓器各側(cè)母線電壓變化規(guī)律。

3.1 電源側(cè)電壓分析

假設(shè)315列電線線路各相對的電容為CA、CB、CC（如圖5所示），則#1主變中性點位移電壓。

圖5 一次系統(tǒng)圖

由于漁涇變35kV Ⅱ段母線上僅315列電線一條線路運行，則

斷線前后35kV 母線電壓向量圖如圖6所示。

圖6 B 相斷線前、后35kV 母線電壓向量圖

漁涇變35kV Ⅱ段母線電壓遙測曲線如圖7所示，可見B 相電壓略升高，A、C 相電壓略降低。

圖7 漁涇變35kV Ⅱ段母線相電壓曲線

3.2 負荷側(cè)電壓分析

對于負荷側(cè)跨鎮(zhèn)變，正常運行時，10kV 母線三相電壓平衡（相電壓約為6kV 左右）。設(shè)正常時35kV 進線三相電壓和電流分別為，B 相斷線后，35kV 進線三相電壓和電流分別為，下面利用對稱分量法來分析斷線前后35kV 側(cè)的電壓標(biāo)幺值關(guān)系。圖8為系統(tǒng)B 相斷線時的非全相運行示意圖。

圖8 非全相（B 相斷線）運行示意圖

B 相斷線時，故障處的邊界條件為：

即：

可得：

則復(fù)合序網(wǎng)連接如圖9所示，計算可得：

圖9 B 相斷線復(fù)合序網(wǎng)連接圖

由于35kV 系統(tǒng)為中性點不接地系統(tǒng)，x0∑→∞；假設(shè)系統(tǒng)三相基本對稱，可認為x1∑=x2∑，為正常時的系統(tǒng)B 相電壓，則可計算出斷線相的各序電流為：

則非斷線相的電流為：

其中，a=ej120°，a2=ej240°。

即B 相斷線后，受電側(cè)35kV 進線A 相電流與B 相正常電壓同相位，假設(shè)變壓器阻抗為純電感性，阻抗為j·1，則斷線后的各相電壓為：

圖10 跨鎮(zhèn)變1號主變高壓側(cè)電壓電流向量圖

下文分析跨鎮(zhèn)變10kV 母線電壓情況。35kV 跨鎮(zhèn)變#1主變?yōu)閅d11接線組別（如圖11所示），根據(jù)Yd11接線變壓器高、低壓側(cè)電壓關(guān)系。

圖11 Yd11變壓器一、二次繞組連接方式

正常運行時，主變低壓側(cè)線電壓與高壓側(cè)相電壓的幅值關(guān)系：

所以，高壓側(cè)B 相斷線后，10kV 母線線電壓幅值情況為：ab 線電壓為0，ac、bc 線電壓為正常時的/2（即0.866）倍。跨鎮(zhèn)變10kV Ⅰ段母線線電壓遙測曲線如圖12所示。

圖12 跨鎮(zhèn)變10kV Ⅰ段母線線電壓曲線

10kV 母線相電壓的測量是在壓變二次側(cè)人為引入的中性點，且壓變均采用單相壓變，10kV 母線相電壓與Yd11接線主變低壓繞組感應(yīng)電勢的關(guān)系為：

正常運行時主變高、低壓側(cè)相電壓幅值關(guān)系：

因此，高壓側(cè)B 相斷線后，10kV 母線相電壓幅值情況為：a、b 兩相相電壓為正常時的1/2，c 相電壓幅值與正常時保持不變。跨鎮(zhèn)變10kV Ⅰ段母線相電壓遙測曲線如圖13所示。實際的母線電壓與主變所帶負載阻抗、系統(tǒng)對稱性、10kV 母線壓變的型式等均有關(guān)系，本文中做了適當(dāng)簡化。

圖13 跨鎮(zhèn)變10kV Ⅰ段母線相電壓曲線

4 Yd11接線變壓器高壓側(cè)不同相別斷線分析

利用對稱分量法結(jié)合復(fù)合序網(wǎng)圖，可得Yd11接線變壓器高壓側(cè)不同相別單相斷線時的低壓側(cè)電壓規(guī)律如表1所示。

表1 Yd11接線變壓器高壓側(cè)不同相別單相斷線時低壓側(cè)電壓規(guī)律

綜上，中性點不接地系統(tǒng)線路單相斷線時，電源側(cè)斷線相電壓升高，非斷線相電壓略降低；負荷側(cè)通過Yd11變壓器，低壓母線三相對地電壓不平衡，一相正常，其他兩相電壓降為正常時的1/2，線電壓一個接近0，兩個為正常時的/2（即0.866）倍。因此，在中性點不接地系統(tǒng)中應(yīng)將負荷側(cè)的電壓變化情況作為斷線判斷依據(jù)。

5 各類故障母線電壓特點

實際中，10kV 母線電壓異常可能多種因素引起，如單相接地、壓變高壓熔絲熔斷（因現(xiàn)在大多數(shù)壓變二次側(cè)均為空氣開關(guān)，故本文不討論壓變二次熔絲熔斷情況）、鐵磁諧振、線路斷線等，針對Yd11接線的變壓器，各類故障時低壓側(cè)母線的電壓特征如表2所示。

表2 中性點不接地系統(tǒng)各類故障的電壓特征對比

6 結(jié)語

在中性點不接地系統(tǒng)線路發(fā)生單相斷線時，嚴重影響三相動力負載的正常運行，甚至使負載電機等設(shè)備損壞。而單相斷線的故障特點較壓變?nèi)劢z熔斷較為相似，其主要判斷依據(jù)為負荷側(cè)電壓，不在電源側(cè)。變電運維人員和調(diào)度人員應(yīng)根據(jù)低壓母線特征綜合判斷，注意區(qū)分單相斷線、單相接地、PT 高壓熔絲熔斷等現(xiàn)象之間的區(qū)別，準(zhǔn)確判斷故障。