何智祥 , 曾永浩, 梁唐杰, 陳安明

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山禪城供電局，廣東 佛山 528000；2.佛山電力設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 佛山 528000)

?

基于負(fù)載電壓偏移的自適應(yīng)零線斷線保護(hù)原理與實(shí)現(xiàn)

何智祥1, 曾永浩1, 梁唐杰2, 陳安明2

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山禪城供電局，廣東 佛山 528000；2.佛山電力設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 佛山 528000)

為解決傳統(tǒng)零線斷線保護(hù)靈敏度較低的問(wèn)題，根據(jù)配電系統(tǒng)零線斷線前后負(fù)載電壓的偏移特征，提出一種基于負(fù)載電壓偏移的自適應(yīng)保護(hù)方案，利用零線電流的大小自適應(yīng)調(diào)整定值，從而提高了零線斷線故障時(shí)保護(hù)的靈敏度。給出了保護(hù)原理的硬件設(shè)計(jì)框圖和軟件流程，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該保護(hù)方案可行、有效。

零線斷線；自適應(yīng)保護(hù)；負(fù)載電壓；零線電流

三相低壓供電系統(tǒng)發(fā)生零線斷線時(shí)，零線的中性點(diǎn)電壓發(fā)生偏移[1-2]，會(huì)導(dǎo)致大面積燒毀用戶設(shè)備的事故，給用戶造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至引起人身安全事故。因此，配置合理的低壓系統(tǒng)零線斷線保護(hù)具有重要的意義。

目前，低壓電網(wǎng)常采用中性點(diǎn)位移電壓或負(fù)載電壓偏移作為零線斷線保護(hù)的判據(jù)。利用中性點(diǎn)位移電壓的零線斷線保護(hù)方案[3-4]原理簡(jiǎn)單，但中性點(diǎn)位移電壓的獲得需在負(fù)載側(cè)增設(shè)接地裝置，電氣量獲取困難，且負(fù)載三相不平衡度較大時(shí)保護(hù)會(huì)誤動(dòng)作?；谪?fù)載電壓偏移的保護(hù)方案電氣量獲取容易[5-6]，但負(fù)載三相不平衡度較大時(shí)保護(hù)也會(huì)誤動(dòng)作。為了保證零線斷線保護(hù)不誤動(dòng)，負(fù)載電壓過(guò)電壓的保護(hù)定值往往較高，當(dāng)輸電線路較長(zhǎng)時(shí)大大降低了零線斷線保護(hù)的靈敏度。

自適應(yīng)保護(hù)是指根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式和故障狀態(tài)的變化實(shí)時(shí)改變保護(hù)特性或定值的保護(hù)[7]，能適應(yīng)系統(tǒng)狀態(tài)的變化，改善保護(hù)性能。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)自適應(yīng)電流保護(hù)進(jìn)行了大量研究[8-10]，提高了電流速斷保護(hù)的靈敏度。

借用自適應(yīng)電流保護(hù)的思想，本文根據(jù)低壓電網(wǎng)零線斷線前后負(fù)載電壓的偏移特征，提出一種自適應(yīng)的零線斷線保護(hù)方案，在零線運(yùn)行時(shí)根據(jù)零線電流的大小自適應(yīng)調(diào)整定值，以提高保護(hù)的靈敏度。

1 負(fù)載電壓偏移特征

0.4 kV配電系統(tǒng)的等值電路如圖1所示，其中EL1、EL2、EL3分別為L(zhǎng)1、L2、L3相電壓，U0為中性點(diǎn)電壓，ZL1、ZL2、ZL3分別為L(zhǎng)1、L2、L3相負(fù)荷阻抗，Z0為零線阻抗。

圖1 0.4 kV配電系統(tǒng)的等值電路

1.1 零線正常情況分析

當(dāng)零線運(yùn)行正常時(shí)，由基爾霍夫定律可得

(1)

(2)

設(shè)三相線路功率分別為SL1、SL2、SL3，負(fù)載功率因數(shù)相等，L3相的輸送功率最大，L1相的負(fù)載不平衡度kL1=(SL3-SL1)/SL3，L2相的負(fù)載不平衡度kL2=(SL3-SL2)/SL3，則負(fù)載阻抗與不平衡度的關(guān)系為ZL3/ZL1=1-kL1，ZL3/ZL2=1-kL2。將其代入式(1)—(2)，可得：

(3)

(4)

三相負(fù)載電壓為：

式中UL1,N、UL2,N、UL3,N分別為L(zhǎng)1、L2、L3相負(fù)載電壓。

取L1相電勢(shì)|EL1|=1，Z0=0.1ZL3。當(dāng)L2相和L3相負(fù)載相等，kL1=0～0.9時(shí)，中性點(diǎn)電壓、三相負(fù)載電壓、兩相負(fù)載電壓模值差的最大值Upp.max和負(fù)載不平衡度的關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 零線正常時(shí)中性點(diǎn)電壓、負(fù)載電壓和負(fù)載不平衡度的關(guān)系

kL1U0/EL1UL1,N/EL1UL2,N/EL1UL3,N/EL1Upp.max/EL100.0001.0001.0001.00000.10.0081.0080.9960.9960.0120.20.0161.0160.9920.9920.0230.30.0241.0240.9880.9880.0350.40.0321.0320.9850.9850.0470.50.0401.0400.9810.9810.0590.60.0481.0480.9770.9770.0720.70.0571.0570.9730.9730.0840.80.0661.0660.9690.9690.0970.90.0741.0740.9650.9650.109

注：UL1,N、UL2,N、UL3,N、U0、EL1分別為UL1,N、UL2,N、UL2,N、U0、EL1的有效值。

由式(1)—(4)和表1分析可知：零線正常時(shí)，若負(fù)載三相不平衡，中性點(diǎn)電壓和負(fù)載電壓會(huì)偏移，位移電壓的大小與負(fù)載不平衡度、零線阻抗和負(fù)載阻抗的比值有關(guān)，且隨負(fù)載不平衡度增大而增大。由于零線阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于負(fù)載阻抗，一般ZL3/Z0>10，在式(3)中ZL3/Z0起主要作用，因此，即使有較大的負(fù)載不平衡度，中性點(diǎn)位移電壓也不大。雖然三相負(fù)載電壓的偏移與負(fù)載不平衡度有關(guān)，但零線正常時(shí)其偏移量一般在允許范圍內(nèi)。

當(dāng)kL1、kL2較大時(shí)，因Z0較小，由式(4)可知，零線上出現(xiàn)較大的零線電流。

1.2 零線斷線情況分析

當(dāng)k點(diǎn)零線斷線時(shí)，中性點(diǎn)電壓

計(jì)算可得三相負(fù)載電壓：

取相電勢(shì)標(biāo)幺值為1，定量分析零線斷線時(shí)三相負(fù)載電壓、Upp.max與負(fù)載不平衡度的關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 零線斷線時(shí)三相負(fù)載電壓值與負(fù)載不平衡度的關(guān)系

kL2kL1UL1,N/EL1UL2,N/EL1UL3,N/EL1Upp.max/EL1001.0001.0001.0000.0000.11.0350.9830.9830.0510.21.0710.9660.9660.1050.31.1110.9490.9490.1620.41.1540.9330.9330.2210.51.2000.9170.9170.2830.61.2500.9010.9010.3490.71.3040.8880.8880.4170.81.3640.8770.8770.4870.91.4290.8690.8690.5600.500.9171.2000.9170.2830.10.9551.1880.8870.3010.20.9961.1760.8550.3210.31.0421.1650.8220.3430.41.0911.1550.7870.3680.51.1461.1460.7500.3960.61.2061.1390.7120.4940.71.2731.1350.6740.5990.81.3481.1350.6360.7120.91.4321.1410.6030.829

1.3 綜合分析

對(duì)比零線正常和斷線時(shí)中性點(diǎn)位移電壓和負(fù)載電壓的表達(dá)式可知：零線斷線時(shí)，中性點(diǎn)位移電壓大小僅受三相負(fù)載不平衡度的影響；在負(fù)載不平衡度相同的情況下，零線斷線時(shí)的負(fù)載電壓和中性點(diǎn)位移電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常情況。

2 基于負(fù)載電壓偏移的自適應(yīng)零線斷線保護(hù)

2.1 傳統(tǒng)的基于負(fù)載電壓的零線斷線保護(hù)方案存在問(wèn)題

基于負(fù)載電壓Uφ,N(下標(biāo)φ代表L1、L2、L3相)構(gòu)成的零線斷線過(guò)電壓保護(hù)判據(jù)為

式中Uset1為零線斷線保護(hù)的負(fù)載電壓定值。

Uset1是按躲過(guò)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的最大相負(fù)載電壓來(lái)整定的，一般取1.2～1.3倍額定電壓。而正常運(yùn)行時(shí)最大相負(fù)載電壓與負(fù)載不平衡度有關(guān)，當(dāng)輸電線路較長(zhǎng)，即零線阻抗較大時(shí)，為了躲過(guò)三相負(fù)載極不平衡造成的保護(hù)誤動(dòng)作，Uset1往往選取較高，這樣就降低了零線斷線故障時(shí)保護(hù)的靈敏度。

2.2 自適應(yīng)的零線斷線保護(hù)方案

由前述理論分析可知：零線正常時(shí)出現(xiàn)的最大相電壓與負(fù)載不平衡度有關(guān)，且負(fù)載不平衡度的增大會(huì)產(chǎn)生較大的零線電流；而零線斷線時(shí)，零線電流為零。利用該特征，提出了一種基于負(fù)載電壓偏移的自適應(yīng)零線斷線保護(hù)方案。

定義模糊函數(shù)y，該函數(shù)能夠表征零線電流和三相負(fù)載電壓幅值的大小。設(shè)x=I0/max{UL1，UL2，UL3}，零線斷線時(shí)，x值恒為零；零線正常時(shí)，x值越大說(shuō)明三相負(fù)載不平衡度越大。定義

自適應(yīng)零線斷線保護(hù)的判據(jù)為：

(5)

式中：U′set1為固定定值，Ur為額定電壓。

與負(fù)載電壓過(guò)電壓保護(hù)判據(jù)相比，該自適應(yīng)保護(hù)判據(jù)有如下優(yōu)點(diǎn)：

a)利用了負(fù)載輕的相電壓升高和負(fù)載重的相電壓降低的特征，且不受電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的影響。

b)零線正常時(shí)，y值隨負(fù)載三相不平衡度的增大而增大，具有很好的制動(dòng)作用。

c)零線斷線時(shí)，y=0，由式(5)可知，可通過(guò)降低固定定值U′set1來(lái)提高保護(hù)的靈敏度。

考慮保護(hù)的可靠性，U′set1+yUr應(yīng)大于Upp.max。當(dāng)x≥0.1時(shí)，yUr起制動(dòng)作用，保證保護(hù)可靠不誤動(dòng)，因此定值整定僅需考慮x<0.1時(shí)的情況。理論分析表明：零線正常運(yùn)行時(shí)，當(dāng)x<0.1時(shí)，Upp.max<0.1Ur。固定定值U′set1選取(0.10～0.15)Ur，與傳統(tǒng)的基于負(fù)載電壓的過(guò)電壓保護(hù)判據(jù)相比，降低了固定定值，提高了保護(hù)的靈敏度。

3 零線斷線保護(hù)的實(shí)現(xiàn)和測(cè)試

3.1 保護(hù)原理實(shí)現(xiàn)

基于負(fù)載電壓偏移的自適應(yīng)零線斷線保護(hù)硬件示意圖如圖2所示。在圖2中， U、V、W、N為斷路器的電壓端子，三相電壓通過(guò)二極管D1—D3和電容器C1—C3進(jìn)行檢波，將高頻分量濾除。通過(guò)電阻器R1—R6進(jìn)行降壓，數(shù)據(jù)處理單元U1讀取零線電流和各相負(fù)載電壓。當(dāng)零線斷開(kāi)時(shí)，零線電位漂移，當(dāng)滿足式(5)的保護(hù)動(dòng)作條件時(shí)，處理單元U1輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)給光耦合器，觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)脫扣器動(dòng)作，斷開(kāi)斷路器。

圖2 零線斷線保護(hù)原理硬件示意圖

零線斷線保護(hù)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 零線斷線保護(hù)的軟件流程

3.2 保護(hù)測(cè)試

對(duì)保護(hù)的性能進(jìn)行測(cè)試，1臺(tái)容量2 kVA的電力變壓器作為電源，負(fù)載為100 W單相風(fēng)機(jī)和不同功率的日光燈。

取L2、L3相負(fù)載相同，功率均為200 W，L1相負(fù)載功率取20～200 W，以此模擬負(fù)載的不平衡度。

零線阻抗的選?。狠旊娋€路采用PVC-3×150+120型銅電纜，線路長(zhǎng)度500 m。

取基于負(fù)載電壓的過(guò)電壓保護(hù)判據(jù)為Uφ,N>1.2Ur=264 V。自適應(yīng)保護(hù)判據(jù)為：

對(duì)保護(hù)的可靠性和靈敏性進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容包括零線正常運(yùn)行時(shí)保護(hù)是否誤動(dòng)、零線斷線時(shí)保護(hù)的靈敏度。

3.2.1 零線正常情況

為了驗(yàn)證零線正常運(yùn)行時(shí)保護(hù)不誤動(dòng)，考慮零線未斷線且三相負(fù)載不平衡的情況，取L2相和L3相負(fù)載相等，kL1在0～1間變化。測(cè)算所得的三相負(fù)載電壓幅值、Upp.max、零線電流和自適應(yīng)保護(hù)定值見(jiàn)表3。

表3 零線正常時(shí)的三相負(fù)載電壓和零線電流

kL1UL1,N/VUL2,N/VUL3,N/VUpp.max/VI0/A自適應(yīng)保護(hù)定值/V0.1221.1219.0217.33.83668.80.3227.0218.4213.014.0112141.50.5232.4217.9208.623.8190212.80.7237.9217.8203.930.0273252.10.9243.8217.9198.944.9360357.01.0246.8218.1196.350.5405394.0

由表3可知：Upp.max小于保護(hù)定值，零線正常時(shí)保護(hù)不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作，且隨著負(fù)載不平衡度的增大，零線電流也增大，保護(hù)定值自適應(yīng)增大，具有很好的制動(dòng)作用。

3.2.2 零線斷線情況

為了驗(yàn)證零線斷線時(shí)保護(hù)的靈敏性，取L2、L3相負(fù)載相等，kL1在0.1～0.6范圍變化，測(cè)得三相負(fù)載電壓幅值、Upp.max數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 零線斷線后的三相負(fù)載電壓

kL1UL1,N/VUL2,N/VUL3,N/VUpp.max/V0.1227.0215.7215.711.30.2235.1212.0212.023.10.3243.8208.3208.335.50.4253.1204.6204.648.50.5263.3201.1201.162.20.6274.2197.8197.876.4

由表4可得：當(dāng)負(fù)載不平衡度超過(guò)50%時(shí)，L1相負(fù)載電壓才大于264 V，保護(hù)動(dòng)作。而對(duì)于自適應(yīng)保護(hù)判據(jù)，零線斷線時(shí)，斷零點(diǎn)前零線電流為零，自適應(yīng)保護(hù)判據(jù)定值為固定定值33 V，當(dāng)負(fù)載不平衡度超過(guò)30%時(shí)，保護(hù)動(dòng)作。因此，自適應(yīng)的零線斷線保護(hù)很大程度地提高了保護(hù)的靈敏度。

4 結(jié)論

本文分析了供電網(wǎng)絡(luò)零線斷線前后的電壓、電流特征，提出了一種綜合利用負(fù)載電壓偏移和零線電流的自適應(yīng)零線斷線保護(hù)方案。與傳統(tǒng)的基于負(fù)載電壓的過(guò)電壓保護(hù)方案相比，該保護(hù)定值包括固定定值和可變定值，在零線正常時(shí)可變定值隨負(fù)載不平衡度增大而自適應(yīng)調(diào)整，具有較好的制動(dòng)作用，提高了零線斷線故障時(shí)保護(hù)的靈敏度。對(duì)該保護(hù)方案進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明保護(hù)方案有效。

[1] 陳玉鳳. 三相四線制供電系統(tǒng)中性點(diǎn)電位偏移的分析與監(jiān)控[J]. 電工技術(shù)雜志, 2002(6): 44-46.

CHEN Yufeng. Analysis and Control of Drift of Electric Potential of Neutral Point in Power Supply System of Three-phase Four-wire[J]. Journal of Electrotechnology, 2002(6): 44-46.

[2] 羅明. 對(duì)三相四線制供電系統(tǒng)中性點(diǎn)電位偏移的研究[J]. 電氣開(kāi)關(guān)，2003, 41(3):36-37.

LUO Ming. Study on Potential Deviation of Nentral Point in Power-supply System of Three-phase Four-wire System[J]. Electric Switchgear, 2003, 41(3):36-37.

[3] 陳雅芳, 王星華, 聶一雄. 低壓配電網(wǎng)缺相與斷零故障判據(jù)研究[J]. 陜西電力, 2015, 43(11):85-89.

CHEN Yafang, WANG Xinghua, NIE Yixiong. Probe into Criterion for Open-phase and Open-neutral Fault in Low-voltage Distribution Network[J]. Shaanxi Electric Power, 2015, 43(11):85-89.

[4] 柳春芳, 何智祥, 陳增勝, 等. 帶零線電流判據(jù)的零線斷線檢測(cè)新方法[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào), 2015,42(4) :40-45.

LIU Chunfang, HE Zhixiang, CHEN Zengsheng, et al. A New Method for Zero Line Disconnection Detection with Zero Sequence Current Criterion[J]. Journal of North China Electric Power University, 2015,42(4) :40-45.

[5] 鄭楚韜, 陳永杰. 三相四線制系統(tǒng)零線斷線檢測(cè)及保護(hù)研究[J], 電氣技術(shù), 2008(8):83-85.

ZHENG Chutao, CHEN Yongjie. Study on the Protection of Zero Line Break in Three Phase Four Wire System[J]. Electrical Engineering, 2008(8):83-85.

[6] 王勇, 李志勇, 王永忠. 實(shí)現(xiàn)三相四線制供電系統(tǒng)中性線斷線保護(hù)智能裝置的研究[J].低壓電器,2011(5):18-22.

WANG Yong, LI Zhiyong, WANG Yongzhong. Research of Intelligent Protection Device Realizing the Negative Wire Broken Protection in Three-phase Four-wire Power Supplying System[J]. Low Voltage Apparatus, 2011(5):18-22.

[7] BRAHMA S M, GIRGIS A A. Development of Adaptive Protection Scheme for Distribution Systems with High Penetration of Distribution Generation[J]. IEEE Transactions on Power Delivery,2004,19(1):56-63.

[8] 唐金鳳, 聶一雄, 武小梅,等. 含分布式電源的配電網(wǎng)自適應(yīng)電流保護(hù)[J]. 廣東電力, 2014, 27(6):26-30.

TANG Jinfeng, NIE Yixiong, WU Xiaomei, et al. Self-adaptive Current Protection of Distribution Network Containing Distributed Generation[J]. Guangdong Electric Power, 2014, 27(6):26-30.

[9] EL-KHATTAM W, SIDHU T S. Resolving the Impact of Distributed Renewable Generation on Directional Overcurrent Relay Coordination: a Case Study[J]. IET Renewable Power Generation, 2009, 3(4):415-425.

[10] COFFELE F, BOOTH C, DYKO A, et al. An Adaptive Overcurrent Protection Scheme for Distribution Networks[J]. IEEE Transaction on Power Delivery, 2015, 30(2):561-568.

(編輯 李麗娟)

Protection Principle for Self-adaptive Zero Line Disconnection Based on Load Voltage Excursion and Its Implementation

HE Zhixiang1, ZENG Yonghao1, LIANG Tangjie2, CHEN Anming2

(1.Foshan Chancheng District Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Foshan, Guangdong 528000, China; 2. Foshan Electric Power Design Institute Co., Ltd., Foshan, Guangdong 528000, China)

In order to solve the problem of low protection sensitivity of traditional zero line disconnection, this paper presents a kind of self-adaptive protection scheme based on load voltage excursion according to excursion features of load voltage before and after zero line disconnection. By using self-adaptive adjusting setting value of zero line current, it is able to improve protection sensitivity at the time of disconnection fault. It also presents hardware design diagram and software flow and proves feasibility and validity of this protection scheme by experiments.

zero line disconnection; self-adaptive protection; load voltage; zero line current

2016-02-02

2016-07-05

中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目(K-GD2014-0844)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.10.020

TM773

B

1007-290X(2016)10-0116-05

何智祥(1984)，男，廣東佛山人。工程師，工程碩士，從事配電網(wǎng)運(yùn)行與管理工作。

曾永浩(1969)，男，廣東茂名人。高級(jí)工程師，工程碩士，從事配電網(wǎng)運(yùn)行與管理工作。

梁唐杰(1986)，男，廣東茂名人。工程師，工學(xué)學(xué)士，從事配電網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)與智能電網(wǎng)研究等工作。