安徽一天電氣技術(shù)股份有限公司的研究人員余銀鋼、洪新春、李嶺、康瑞新、吳喜生，在2020年第7期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出，基于現(xiàn)有技術(shù)，各種采樣設(shè)備的數(shù)據(jù)基本為本地存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)孤立，導(dǎo)致配電網(wǎng)的故障斷線識(shí)別非常困難。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷應(yīng)用，數(shù)據(jù)交互的軟硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)越來越簡單，同一系統(tǒng)的數(shù)據(jù)很容易形成大數(shù)據(jù)平臺(tái)，基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)分析功能可以輕松實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的故障斷線識(shí)別，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)共享，可完成高阻抗接地的識(shí)別，從而提高系統(tǒng)的安全性與可靠性。

目前，我國的供配電網(wǎng)大都采用中性點(diǎn)非有效接地方式，即主變中性點(diǎn)懸空或者通過消弧線圈接地。這種配電網(wǎng)雖有著成本低廉、配電可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，卻也存在著三相線為架空線路時(shí)，若發(fā)生斷線難以實(shí)時(shí)判定的問題。

為解決這一問題，人們做出了不懈的努力，如正在使用的一種架空線路雷擊斷線報(bào)警裝置。它由一次電連接的電流檢測(cè)單元、控制單元、觸發(fā)電路和報(bào)警單元組成；監(jiān)測(cè)時(shí)，控制單元對(duì)由電流檢測(cè)單元檢測(cè)到的架空線路上的輸送電流值進(jìn)行判斷，當(dāng)判定其大于或等于預(yù)設(shè)接地故障電流時(shí)，生成觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)報(bào)警單元發(fā)出報(bào)警信息。

這種斷線報(bào)警裝置雖可用作對(duì)斷線的監(jiān)測(cè)，卻也存在著不足之處：①架空線路上輸送電流的變化受多種因素的干擾和影響，短時(shí)的過電流時(shí)常發(fā)生，致使其識(shí)別的準(zhǔn)確度不高，極易發(fā)生誤判；②不能識(shí)別是三相線的斷線，還是三相不平衡，或是高阻抗接地。

本文為克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)合理、實(shí)用，能對(duì)斷線進(jìn)行實(shí)時(shí)定性監(jiān)測(cè)的基于無線網(wǎng)絡(luò)的配電網(wǎng)斷線故障識(shí)別裝置。

1 配電網(wǎng)斷線故障簡介

1.1 配電網(wǎng)架空線架構(gòu)

配電網(wǎng)是由架空線路、電纜、配電變壓器、開關(guān)、無功補(bǔ)償電容和一些其他設(shè)施所組成，在電力網(wǎng)中起著重要的分配電能的作用。

配電網(wǎng)按照電壓的等級(jí)來分類，可以分為高壓配電網(wǎng)、中壓配電網(wǎng)和低壓配電網(wǎng)。按供電區(qū)的功能來分，又可將配電網(wǎng)分為城市配電網(wǎng)、農(nóng)村配電網(wǎng)和工廠配電網(wǎng)等。按配電線路類型來分，又可將配電網(wǎng)分為架空線配電網(wǎng)、電纜配電網(wǎng)和架空線電纜混合型配電網(wǎng)。配電網(wǎng)一般都采用閉環(huán)設(shè)計(jì)和開環(huán)運(yùn)行的方式，它的結(jié)構(gòu)呈輻射狀。

圖1 10kV配電網(wǎng)系統(tǒng)圖

配電網(wǎng)架空線路是指用絕緣子將輸電導(dǎo)線固定在直立于地面的桿塔上以傳輸電能的輸電線路。架空線有造價(jià)低、便于分支和方便檢修等優(yōu)勢(shì)。

配電網(wǎng)架空線路主要構(gòu)成部分有導(dǎo)線、避雷線、桿塔、絕緣子、拉線、接地裝置和金屬具等。

圖2所示為一個(gè)簡單的配電網(wǎng)架構(gòu)圖舉例，變電所出線負(fù)荷有工廠、小區(qū)、村莊、寫字樓、廠房等，且分支較多，所以我國配電網(wǎng)存在負(fù)荷多樣化，配電線路復(fù)雜等特點(diǎn)。

圖2 10kV配電網(wǎng)架構(gòu)圖

1.2 配電網(wǎng)架空線斷線故障類型

配電網(wǎng)架空線斷線故障按斷線數(shù)量劃分，可分為一相斷線、兩相斷線及三相斷線；按斷線位置劃分，可分為首端斷線、中端斷線和尾端斷線。

1.3 配電網(wǎng)架空線斷線故障識(shí)別困難

配電網(wǎng)架空線斷線故障復(fù)雜多變，有可能是一相斷線或者兩相斷線，甚至是三相斷線；有可能是架空線首端、中端或尾端斷線；還有可能斷線后懸空或者接地，從斷線到接地的時(shí)間是隨機(jī)的，接地阻抗也會(huì)受不同類型的地面以及潮濕程度影響。

配電網(wǎng)架空線斷線故障大部分情況會(huì)引起母線電壓的變化，例如首端或者中端的一相或者兩相斷線，斷線相電壓會(huì)升高，未斷線相電壓不變，零序電壓升高。但也有部分情況不會(huì)引起母線電壓的變化，例如三相同時(shí)斷線或者無負(fù)載的尾端斷線。由于配電網(wǎng)架空線斷線故障復(fù)雜多變，且斷線后系統(tǒng)母線上的電壓變化和單相接地故障或者系統(tǒng)不平衡沒有區(qū)別，所以配電網(wǎng)架空線斷線故障識(shí)別困難。

2 配電網(wǎng)架空線路斷線解決方案

2.1 基于無線網(wǎng)絡(luò)配電網(wǎng)斷線故障識(shí)別系統(tǒng)架構(gòu)

基于無線網(wǎng)絡(luò)的配電網(wǎng)斷線故障識(shí)別系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 配電網(wǎng)斷線故障識(shí)別系統(tǒng)架構(gòu)圖

基于無線網(wǎng)絡(luò)的配電網(wǎng)斷線故障識(shí)別系統(tǒng)架構(gòu)是在原配電網(wǎng)架構(gòu)基礎(chǔ)上增加了電壓傳感器和無線通信模塊；將各級(jí)電壓傳感器采集的信號(hào)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送給變電站主站，與站內(nèi)母線電壓信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，來識(shí)別配電網(wǎng)架空線斷線故障。

2.2 斷線故障的識(shí)別原理

在配電網(wǎng)架空線的負(fù)荷開關(guān)和分支線路上增加了電壓傳感器和無線通信模塊，無線模塊將電壓傳感器采集的電壓信號(hào)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到變電站主站系統(tǒng)，在發(fā)生零序電壓突變時(shí)，將同一個(gè)系統(tǒng)中的所有電壓傳感器采集的電壓信號(hào)傳到主站和母線電壓信號(hào)進(jìn)行對(duì)比。

若線路上電壓傳感器采集的零序電壓信號(hào)和母線電壓信號(hào)基本一致，則為單相接地故障，且系統(tǒng)無斷線故障。

若線路上電壓傳感器采集的三相電壓及零序電壓信號(hào)和母線電壓信號(hào)不一致，且線路上的零序電壓大于20V，且其中一相電壓或兩相電壓或三相電壓差別很大，則系統(tǒng)發(fā)生了斷線故障。

若線路上的零序電壓大于20V，且線路上電壓傳感器采集的一相電壓遠(yuǎn)小于額定電壓，而母線上相同相電壓卻大于額定電壓，則為單相斷線。

若線路上的零序電壓大于20V，且線路上電壓傳感器采集的兩相電壓遠(yuǎn)小于額定電壓，而母線上相同相電壓卻大于額定電壓，則為兩相斷線。

若線路上電壓傳感器采集的三相電壓都小于10V，而母線上三相電壓基本不變，則為上游開關(guān)斷開或三相斷線。

2.3 試驗(yàn)室模擬配電網(wǎng)斷線故障的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

該高壓試驗(yàn)采用圖4所示的試驗(yàn)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D，模擬10kV電容電流50A平衡系統(tǒng)，有3條模擬架空線，C1—C4模擬架空線對(duì)地電容，C1—C4電流為23A、15A、7A和5A，在2#出線模擬架空線斷線故障，PT1為母線電壓互感器，PT2為斷線點(diǎn)后端電壓互感器，R為臺(tái)變后端的三相阻性負(fù)載；通過開關(guān)Q1和Q2的閉合和斷開，模擬斷線故障點(diǎn)后端空載或帶載工況。

圖4 試驗(yàn)室斷線試驗(yàn)系統(tǒng)圖

1）模擬中端單相斷線，斷線后端空載

圖4中出線P1、P2、P3開關(guān)合閘，Q1、Q2分閘，在出線2上模擬A相斷線，通過PT1和PT2檢測(cè)到斷線前后母線電壓和斷線位置后端電壓的變化特征故障錄波儀記錄如圖5所示。

電壓1為PT1測(cè)量的電壓信號(hào)，即為母線電壓信號(hào)，電壓2為PT2測(cè)量的電壓信號(hào)，即為斷線后端電壓信號(hào)。虛線位置為斷線時(shí)刻。

圖5 空載A相斷線波形圖

斷線前電壓1和電壓2基本一致；斷線后斷線后端零序電壓（30V）大于20V，斷線后端A相電壓（2V）遠(yuǎn)小于額定電壓，而母線側(cè)A相電壓（61V）大于額定電壓。

2）模擬中端單相斷線，斷線后端帶空載臺(tái)變

圖4中出線P1、P2、P3開關(guān)合閘，Q1合閘，Q2分閘，在出線2上模擬A相斷線，通過PT1和PT2檢測(cè)到斷線前后母線電壓和斷線位置后端電壓的變化特征故障錄波儀記錄如圖6所示。

圖6 帶空載臺(tái)變A相斷線波形圖

電壓1為PT1測(cè)量的電壓信號(hào)，即為母線電壓信號(hào)，電壓2為PT2測(cè)量的電壓信號(hào)，即為斷線后端電壓信號(hào)。虛線位置為斷線時(shí)刻。

斷線前電壓1和電壓2基本一致；斷線后斷線后端零序電壓（31V）大于20V，斷線后端A相電壓（2V）遠(yuǎn)小于額定電壓，而母線側(cè)A相電壓（62V）大于額定電壓。

3）模擬中端單相斷線，斷線后端帶帶載臺(tái)變

圖4中出線P1、P2、P3開關(guān)合閘，Q1、Q2合閘，在出線2上模擬A相斷線，通過PT1和PT2檢測(cè)到斷線前后母線電壓和斷線位置后端電壓的變化特征故障錄波儀記錄如圖7所示。

電壓1為PT1測(cè)量的電壓信號(hào)，即為母線電壓信號(hào)，電壓2為PT2測(cè)量的電壓信號(hào)，即為斷線后端電壓信號(hào)。虛線位置為斷線時(shí)刻。

圖7 帶帶載臺(tái)變A相斷線波形圖

斷線前電壓1和電壓2基本一致；斷線后斷線后端零序電壓（39V）大于20V，斷線后端A相電壓（18V）遠(yuǎn)小于額定電壓，而母線側(cè)A相電壓（63V）大于額定電壓。

4）模擬中端兩相斷線，斷線后端空載

圖4中出線P1、P2、P3開關(guān)合閘，Q1、Q2分閘，在出線2上模擬A相和B相同時(shí)斷線，通過PT1和PT2檢測(cè)到斷線前后，母線電壓和斷線位置后端電壓的變化特征故障錄波儀記錄如圖8所示。

圖8 空載AB兩相斷線波形圖

電壓1為PT1測(cè)量的電壓信號(hào)，即為母線電壓信號(hào)，電壓2為PT2測(cè)量的電壓信號(hào)，即為斷線后端電壓信號(hào)。虛線位置為斷線時(shí)刻。

斷線前電壓1和電壓2基本一致；斷線后斷線后端零序電壓（33V）大于20V，斷線后端A相電壓（0）和B相電壓（2V）均遠(yuǎn)小于額定電壓，而母線側(cè)A相電壓（61V）和B相電壓（61V）均大于額定電壓。

5）模擬中端兩相斷線，斷線后端帶帶載臺(tái)變

圖4中出線P1、P2、P3開關(guān)合閘，Q1、Q2合閘，在出線2上模擬A相和B相同時(shí)斷線，通過PT1和PT2檢測(cè)到斷線前后，母線電壓和斷線位置后端電壓的變化特征故障錄波儀記錄如圖9所示。

圖9 帶帶載臺(tái)變AB兩相斷線波形圖

電壓1為PT1測(cè)量的電壓信號(hào)，即為母線電壓信號(hào)，電壓2為PT2測(cè)量的電壓信號(hào)，即為斷線后端電壓信號(hào)。虛線位置為斷線時(shí)刻。

斷線前電壓1和電壓2基本一致；斷線后斷線后端零序電壓（48V）大于20V，斷線后端A相電壓（22V）和B相電壓（22V）均遠(yuǎn)小于額定電壓，而母線側(cè)A相電壓（61V）和B相電壓（63V）均大于額定電壓。

3 結(jié)論

1）在配電網(wǎng)架空線線路端加裝電壓傳感器和無線通信模塊可以有效識(shí)別斷線故障。

2）基于無線網(wǎng)絡(luò)的配電網(wǎng)斷線故障識(shí)別裝置可以和現(xiàn)有配電網(wǎng)自動(dòng)化智能終端相配合，實(shí)現(xiàn)斷線故障定段隔離和轉(zhuǎn)供電。