基于一次110kV输电线路单相断线事故分析及判断

基于一次 110kV输电线路单相断线事故分析及判断

高亦湘 付先锋

国网安康供电公司

摘要：

在电网系统运行中,110kV单母分段接线变电站进线单相断线事故通常较少发生。而由于该类事故的特殊性,其故障电气量的变化特征还缺乏系统研究。本文基于某局一次110kV输电线路单相断线故障，采用对称分量法，分析了110kV输电线路中3种单相断线事故的故障电气量变化特征。对调度准确、迅速判定故障类型具有一定的参考价值。

关键词：单相断线故障、110kV输电线路、对称分量法

1引言

如今，随着电网的发展与输电线路规模日益扩大。110kV输电线路单相断线故障发生概率逐渐增大。单相断线与短路形成的横向故障不同，它属于纵向故障。断线故障发生的概率很低，其故障电气量的变化特征，特别是变压器低压侧电气量的变化特征还缺乏系统研究。本文对我局一次110kV线路单相断线故障进行分析，采用对称分量法分别对负荷侧变压器中性点不接地时，断线处线路不接地和断线处负荷侧线路接地，这两种故障情况主变各侧电压变化特征进行了分析。对负荷侧变压器中性点接地且断线处线路不接地这种情况主变各侧电压以及零序分量，继电保护的可能的动作情况进行了理论分析，得出此类故障的电气特征量。

2事故相关情况介绍

故障前，110kV乙站由110kV甲站甲乙线1197甲乙开关供电。110kV甲站和110kV乙站主变都以中性点不接地方式运行。

2022年1月28日5：24乙站110kV A相电压异常降为25.3kV，B相65.9kV，C相65.3kV。低压侧故障相与故障相的超前相（相序为A-B-C）的电压幅值变为原来的 倍，而故障相的滞后相的电压幅值未发生变化。当值监控班值班员发现1197甲乙线A相电流为0，判断1197甲乙线发生单相断线故障。经公司密切监测及研判，5时50分决定紧急停运该线路。由监控班值班员拉开1197甲乙开关。

随后通过现场勘察后发现，1197甲乙线A相耐张线夹出口处断线，耐张绝缘子串及引流线垂下，负荷侧断落的导线接地造成接地故障。由于A相电流变为0，B、C两相电流未变化，两侧电流矢量和不大于差动启动电流定值，分相差动保护不动作。负荷侧线路断线，而负荷侧主变中性点经间隙接地为中性点不接地系统，零序阻抗接近无穷大，未构成零序回路，故零序电流为0，零序差动保护不动作。由于断线后三相电压不平衡，电压互感器二次侧三相电压矢量合大于8V，所以报PT断线，PT断线闭锁距离保护，且距离保护为退出状态，所以不动作。

这是一起负荷侧变压器中性点不接地而断线处负荷侧线路接地的单相断线事故。下文将针对单相断线故障，对负荷侧变压器中性点不接地时，断线处线路不接地和断线处负荷侧线路接地以及负荷侧变压器中性点接地且断线处线路不接地这三种情况主变各侧电气量变化进行讨论与分析。

3负荷侧变压器中性点不接地且断线处线路不接地

负荷侧变压器中性点不接地且断线处线路不接地时，系统示意图如图1所示，由于上级变电站110kV侧通常为直接接地运行，因此可将上级变电站等效成三相电源的星形接地接线。对这种情况用对称分量法进行分析：

图1 断线故障示意图

其中图1以 A 相断线为例，此时的断口边界条件

(1)

式中 , 表示断口处B相C相电源侧电压与负荷侧电压的差， 表示断线相A相电流。

由对称分量法整理式(1)得：

( 2)

式中算子 ， 、 、 分别表示A相电压差的正序、负序和零序分量，电流的下标含义相同。

由于负荷侧变压器中性点不接地，故无零序电流，结合式(2)可得：

( 3)

由正负零序网方程可得：

(4)

式中 、 、 为线路正序、负序和零序阻抗，110kV系统若只考虑纯电抗，一般情况下有 ，将A相作为参考相，A相的正常相电流为 。于是：

( 5)

将式(5)代入式(4)可得：

( 6)

于是可得高压侧电压、电流分别为：

( 7)

(8)

接着对变压器低压侧电压进行分析，以常用的Yd11接线为例，由于110kV变压器为Yd11接线的双绕组变压器，主变两侧正序电压和负序电压相位发生偏移，低压侧正序电压超前高压侧正序电压 。低压侧负序电压滞后高压侧负序电压 。假设变压器变比为1:1(理想变压器)，低压侧电压无零序分量，其正负序分量分别为：

(9)

根据矢量合成原理，可得变压器低压侧的电压为：

(10)

110kV 线路在发生负荷侧变压器中性点不接地且断线处线路不接地的断线故障时，其低压侧相电压向量图如图2所示。从图2可发现110kV线路在此类型故障发生时，其低压侧故障相与故障相的超前相（相序为A-B-C）的电压幅值会减半，而故障相的滞后相的电压幅值未发生变化。同时，低压侧故障相与故障相的超前相的相位一致。

图2 断线时低压侧电压向量图

4负荷侧变压器中性点不接地断线处负荷侧线路接地

图3为110kV线路单相断线且负荷侧断线处接地时系统示意图。上级变电站110kV侧为直接接地系统，110kV变电站变压器中性点为不接地。对负荷侧变压器中性点不接地断线处负荷侧线路接地的情况用对称分量法进行分析：

图3 断线故障示意图

图3中以 A 相断线为例，此时的断口边界条件为：

( 11)

表示断线相A相系统侧断口处电压。用对称分量法整理式(11)得：

(12)

由正序、负序、零序网方程可得：

(13)

只考虑纯电抗，一般情况下有 ，并且高压侧无零序电流，结合式(12)、(13)可得：

(14)

代入式(13)可得：

( 15)

于是可得高压侧电压、电流分别为：

(16)

(17)

式中 的角度约为119.667°。

对变压器低压侧电压进行分析，以常用的Yd11接线为例，仍假设变压器变比为1:1，低压侧电压无零序分量，正、负序分量表达式同式(9)。

根据矢量合成原理，可得变压器低压侧的电压为：

(18)

110kV 线路在发生负荷侧变压器中性点不接地,断线处负荷侧线路接地类型的断线故障时，其低压侧相电压向量图如图4所示：

图4 断线时低压侧电压向量图

由图4可发现110kV线路在此种类型故障发生时，其低压侧故障相与故障相的超前相（相序为A-B-C）的电压幅值变为原来的 倍，而故障相的滞后相的电压幅值未发生变化。同时，低压侧的故障相与故障相超前相的相位都发生了明显变化。

5负荷侧变压器中性点接地断线处线路不接地

图5为110kV线路单相断线负荷侧变压器中性点接地断线处线路不接地时系统示意图。上级变电站110kV侧为直接接地系统，下级变电站110kV侧变压器中性点接地运行。由叠加定理可知断相后的电气量等于故障分量与正常负荷量的叠加。对这种情况用对称分量法进行分析：

图5 断线故障示意图

由断相处边界条件得到各序电流、电压为：

( 19)

(20)

其中， 、 、 为A、B、C三相电流量； 、 、 为电流正、负、零序分量； 、 、 为电压故障分量； 、 、 为电压故障分量的正、负、零序分量。由式（20）可得：

( 21)

图6 单相断线序网图

另由式(19)、(20)可作出如图6所示的A相断线序网图。图中 、 、 为m侧系统正、负、零序阻抗； 、 、 为n侧系统正、负、零序阻抗 、 、 为m侧线路正、负、零序阻抗； 、 、 为n侧线路正、负、零序阻抗； 、 、 为线路全长的正、负、零序阻抗。

在图3中，令 ，则在附加正、负、零序电压单独作用下产生断线电流故障分量为:

( 22)

式中： 、 、 为mn端口输入阻抗，其中 ； ； 。式中电流正方向与电压正方向假设方向相反，故取负号。

在图3中，若令 ，则相当于在正常情况下的负荷电流为

( 23)

由叠加原理，断线后 A 相电流为零，即

( 24)

将式(23)代入式(24)可得：

(25)

由式(21)和(25)得：

(26)

式(21)、(22)、(25)计算断线后各序电流 、 、 的大小，然后根据得到的各序电流按式(1)可以得出各相的全电流 、 、 的大小，则最终求得：

(27)

由式(27)可知：当系统网络结构确定后（即各序阻抗值已确定），发生断线故障时的零序电流大小只与当时的负荷电流有关，而与断线位置无关，这点上与接地故障情况不同。

当电压互感器接在母线M或N处时，设MN两侧系统零序阻抗近似为纯电抗形式时，可得：

(28)

(29)

式中： 、 为M侧、N侧的系统零序电抗。由式(28)、(29)可以看出，送端M侧及受端N侧的零序电流的相位均超前于零序电压 90°,两侧的零序功率方向均为内部故障的正方向，因此只要故障时零序电流大于整定值，线路的两侧零序过流保护就可能动作。

6结语

本文对一起110kV线路单相断线故障进行分析。并通过理论分析，公式推导，分析了110kV输电线路单相断线故障三种不同情况下（负荷侧变压器中性点不接地且断线处线路不接地、负荷侧变压器中性点不接地断线处负荷侧线路接地、负荷侧变压器中性点接地断线处线路不接地），故障电气量的变化特征进行了分析。并讨论了负荷侧变压器中性点接地，断线处线路不接地情况下零序分量的特点与继电保护可能的动作情况。

参考文献

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