基于负载电压偏移的自适应零线断线保护原理与实现

何智祥 , 曾永浩, 梁唐杰, 陈安明

(1.广东电网有限责任公司佛山禅城供电局，广东 佛山 528000；2.佛山电力设计院有限公司，广东 佛山 528000)



基于负载电压偏移的自适应零线断线保护原理与实现

何智祥1, 曾永浩1, 梁唐杰2, 陈安明2

(1.广东电网有限责任公司佛山禅城供电局，广东 佛山 528000；2.佛山电力设计院有限公司，广东 佛山 528000)

为解决传统零线断线保护灵敏度较低的问题，根据配电系统零线断线前后负载电压的偏移特征，提出一种基于负载电压偏移的自适应保护方案，利用零线电流的大小自适应调整定值，从而提高了零线断线故障时保护的灵敏度。给出了保护原理的硬件设计框图和软件流程，并通过实验验证了该保护方案可行、有效。

零线断线；自适应保护；负载电压；零线电流

三相低压供电系统发生零线断线时，零线的中性点电压发生偏移[1-2]，会导致大面积烧毁用户设备的事故，给用户造成很大的经济损失，甚至引起人身安全事故。因此，配置合理的低压系统零线断线保护具有重要的意义。

目前，低压电网常采用中性点位移电压或负载电压偏移作为零线断线保护的判据。利用中性点位移电压的零线断线保护方案[3-4]原理简单，但中性点位移电压的获得需在负载侧增设接地装置，电气量获取困难，且负载三相不平衡度较大时保护会误动作。基于负载电压偏移的保护方案电气量获取容易[5-6]，但负载三相不平衡度较大时保护也会误动作。为了保证零线断线保护不误动，负载电压过电压的保护定值往往较高，当输电线路较长时大大降低了零线断线保护的灵敏度。

自适应保护是指根据电力系统运行方式和故障状态的变化实时改变保护特性或定值的保护[7]，能适应系统状态的变化，改善保护性能。国内外学者已对自适应电流保护进行了大量研究[8-10]，提高了电流速断保护的灵敏度。

借用自适应电流保护的思想，本文根据低压电网零线断线前后负载电压的偏移特征，提出一种自适应的零线断线保护方案，在零线运行时根据零线电流的大小自适应调整定值，以提高保护的灵敏度。

1 负载电压偏移特征

0.4 kV配电系统的等值电路如图1所示，其中EL1、EL2、EL3分别为L1、L2、L3相电压，U0为中性点电压，ZL1、ZL2、ZL3分别为L1、L2、L3相负荷阻抗，Z0为零线阻抗。

图1 0.4 kV配电系统的等值电路

1.1 零线正常情况分析

当零线运行正常时，由基尔霍夫定律可得

(1)

(2)

设三相线路功率分别为SL1、SL2、SL3，负载功率因数相等，L3相的输送功率最大，L1相的负载不平衡度kL1=(SL3-SL1)/SL3，L2相的负载不平衡度kL2=(SL3-SL2)/SL3，则负载阻抗与不平衡度的关系为ZL3/ZL1=1-kL1，ZL3/ZL2=1-kL2。将其代入式(1)—(2)，可得：

(3)

(4)

三相负载电压为：

式中UL1,N、UL2,N、UL3,N分别为L1、L2、L3相负载电压。

取L1相电势|EL1|=1，Z0=0.1ZL3。当L2相和L3相负载相等，kL1=0～0.9时，中性点电压、三相负载电压、两相负载电压模值差的最大值Upp.max和负载不平衡度的关系见表1。

表1 零线正常时中性点电压、负载电压和负载不平衡度的关系

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分别为UL1,N、UL2,N、UL2,N、U0、EL1的有效值。

由式(1)—(4)和表1分析可知：零线正常时，若负载三相不平衡，中性点电压和负载电压会偏移，位移电压的大小与负载不平衡度、零线阻抗和负载阻抗的比值有关，且随负载不平衡度增大而增大。由于零线阻抗远远小于负载阻抗，一般ZL3/Z0>10，在式(3)中ZL3/Z0起主要作用，因此，即使有较大的负载不平衡度，中性点位移电压也不大。虽然三相负载电压的偏移与负载不平衡度有关，但零线正常时其偏移量一般在允许范围内。

当kL1、kL2较大时，因Z0较小，由式(4)可知，零线上出现较大的零线电流。

1.2 零线断线情况分析

当k点零线断线时，中性点电压

计算可得三相负载电压：

取相电势标幺值为1，定量分析零线断线时三相负载电压、Upp.max与负载不平衡度的关系，结果见表2。

表2 零线断线时三相负载电压值与负载不平衡度的关系

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 综合分析

对比零线正常和断线时中性点位移电压和负载电压的表达式可知：零线断线时，中性点位移电压大小仅受三相负载不平衡度的影响；在负载不平衡度相同的情况下，零线断线时的负载电压和中性点位移电压远远大于正常情况。

2 基于负载电压偏移的自适应零线断线保护

2.1 传统的基于负载电压的零线断线保护方案存在问题

基于负载电压Uφ,N(下标φ代表L1、L2、L3相)构成的零线断线过电压保护判据为

式中Uset1为零线断线保护的负载电压定值。

Uset1是按躲过系统正常运行时出现的最大相负载电压来整定的，一般取1.2～1.3倍额定电压。而正常运行时最大相负载电压与负载不平衡度有关，当输电线路较长，即零线阻抗较大时，为了躲过三相负载极不平衡造成的保护误动作，Uset1往往选取较高，这样就降低了零线断线故障时保护的灵敏度。

2.2 自适应的零线断线保护方案

由前述理论分析可知：零线正常时出现的最大相电压与负载不平衡度有关，且负载不平衡度的增大会产生较大的零线电流；而零线断线时，零线电流为零。利用该特征，提出了一种基于负载电压偏移的自适应零线断线保护方案。

定义模糊函数y，该函数能够表征零线电流和三相负载电压幅值的大小。设x=I0/max{UL1，UL2，UL3}，零线断线时，x值恒为零；零线正常时，x值越大说明三相负载不平衡度越大。定义

自适应零线断线保护的判据为：

(5)

式中：U′set1为固定定值，Ur为额定电压。

与负载电压过电压保护判据相比，该自适应保护判据有如下优点：

a)利用了负载轻的相电压升高和负载重的相电压降低的特征，且不受电动机启动的影响。

b)零线正常时，y值随负载三相不平衡度的增大而增大，具有很好的制动作用。

c)零线断线时，y=0，由式(5)可知，可通过降低固定定值U′set1来提高保护的灵敏度。

考虑保护的可靠性，U′set1+yUr应大于Upp.max。当x≥0.1时，yUr起制动作用，保证保护可靠不误动，因此定值整定仅需考虑x<0.1时的情况。理论分析表明：零线正常运行时，当x<0.1时，Upp.max<0.1Ur。固定定值U′set1选取(0.10～0.15)Ur，与传统的基于负载电压的过电压保护判据相比，降低了固定定值，提高了保护的灵敏度。

3 零线断线保护的实现和测试

3.1 保护原理实现

基于负载电压偏移的自适应零线断线保护硬件示意图如图2所示。在图2中， U、V、W、N为断路器的电压端子，三相电压通过二极管D1—D3和电容器C1—C3进行检波，将高频分量滤除。通过电阻器R1—R6进行降压，数据处理单元U1读取零线电流和各相负载电压。当零线断开时，零线电位漂移，当满足式(5)的保护动作条件时，处理单元U1输出驱动信号给光耦合器，触发晶闸管导通，驱动脱扣器动作，断开断路器。

图2 零线断线保护原理硬件示意图

零线断线保护的软件设计流程如图3所示。

图3 零线断线保护的软件流程

3.2 保护测试

对保护的性能进行测试，1台容量2 kVA的电力变压器作为电源，负载为100 W单相风机和不同功率的日光灯。

取L2、L3相负载相同，功率均为200 W，L1相负载功率取20～200 W，以此模拟负载的不平衡度。

零线阻抗的选取：输电线路采用PVC-3×150+120型铜电缆，线路长度500 m。

取基于负载电压的过电压保护判据为Uφ,N>1.2Ur=264 V。自适应保护判据为：

对保护的可靠性和灵敏性进行测试，测试内容包括零线正常运行时保护是否误动、零线断线时保护的灵敏度。

3.2.1 零线正常情况

为了验证零线正常运行时保护不误动，考虑零线未断线且三相负载不平衡的情况，取L2相和L3相负载相等，kL1在0～1间变化。测算所得的三相负载电压幅值、Upp.max、零线电流和自适应保护定值见表3。

表3 零线正常时的三相负载电压和零线电流

kL1UL1,N/VUL2,N/VUL3,N/VUpp.max/VI0/A自适应保护定值/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小于保护定值，零线正常时保护不会发生误动作，且随着负载不平衡度的增大，零线电流也增大，保护定值自适应增大，具有很好的制动作用。

3.2.2 零线断线情况

为了验证零线断线时保护的灵敏性，取L2、L3相负载相等，kL1在0.1～0.6范围变化，测得三相负载电压幅值、Upp.max数据见表4。

表4 零线断线后的三相负载电压

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：当负载不平衡度超过50%时，L1相负载电压才大于264 V，保护动作。而对于自适应保护判据，零线断线时，断零点前零线电流为零，自适应保护判据定值为固定定值33 V，当负载不平衡度超过30%时，保护动作。因此，自适应的零线断线保护很大程度地提高了保护的灵敏度。

4 结论

本文分析了供电网络零线断线前后的电压、电流特征，提出了一种综合利用负载电压偏移和零线电流的自适应零线断线保护方案。与传统的基于负载电压的过电压保护方案相比，该保护定值包括固定定值和可变定值，在零线正常时可变定值随负载不平衡度增大而自适应调整，具有较好的制动作用，提高了零线断线故障时保护的灵敏度。对该保护方案进行了测试，测试结果表明保护方案有效。

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(编辑 李丽娟)

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

中国南方电网有限责任公司科技项目(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，广东佛山人。工程师，工程硕士，从事配电网运行与管理工作。

曾永浩(1969)，男，广东茂名人。高级工程师，工程硕士，从事配电网运行与管理工作。

梁唐杰(1986)，男，广东茂名人。工程师，工学学士，从事配电网规划、设计与智能电网研究等工作。