CN103257303A - 基于三次谐波电流的中性线断线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三次谐波电流的中性线断线检测方法。它包括以下步骤：1、在供电输出的三条相线上同时测量三次谐波电流的减小率|ΔI3%|，若|ΔI3%|大于或等于第一阀值σ，则发生故障；2、若三次谐波电流的减小率|ΔI3%|小于第一阀值σ且大于或等于第二阀值β，且三条相线上基波电流变化率K大于或等于第三阀值μ，则发生故障；3、若三次谐波电流的减小率|ΔI3%|小于第二阀值β，则未出现故障；4、若三次谐波电流的减小率|ΔI3%|小于第一阀值σ且大于或等于第二阀值β，三条相线上基波电流变化率K小于第三阀值μ，则未出现故障。本发明的优点是：实现了在供电输出端检测出中性线断线故障，减少了断线检测设备和降低供电线路投资费用。

Description

基于三次谐波电流的中性线断线检测方法

技术领域

本发明涉及三相四线制供电线路，具体涉及一种基于三次谐波电流的中性线断线检测方法。

背景技术

在我国常规工业与民用低压配电系统中，三相四线制系统最为常见，其中性线是维持配电系统的中性点零电位，保证三相电压基本平衡的重要手段。对于向三相不平衡负荷供电的回路，中性线断线将导致断线点后的系统不同程度出现过电压情况，并极有可能造成电器损坏及电气火灾。此外，由于非线性负载的广泛使用，因谐波导致的中性线电流也迅速增长，实际运行的中性线截面已不能满足现有负荷的需求，这就增加了的中性线过载导致故障断线的几率。而现有的中性线断线检测方法及装置需要应用在负荷侧或者配电回路末端才能实现中性线断线的有效检测与保护，其缺点是：检测设备必须遍布整个配电系统，导致投资大、维护难度高。因此急需研究设置在回路首端的中性线断线检测方法。

近二十年间，基于电力电子技术的电器和设备（非线性负载）在低压配电系统中迅速普及，伴随而来的是电力系统严重的谐波注入。正是根据低压配电系统中大量含有谐波这一特性，本专利提出了一种基于三次谐波电流的中性线断线检测方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于三次谐波电流的中性线断线检测方法，它能在供电输出端检测出中性线断线故障，达到减少断线检测设备和降低供电线路投资费用的目的。

要解决上述的技术问题，本发明包括以下步骤：

步骤1、在供电输出的三条相线上同时测量三次谐波电流的减小率|ΔI3%|，若|ΔI3%|大于或等于第一阀值σ，则发生中性线断线故障；

步骤2、若三次谐波电流的减小率|ΔI3%|小于第一阀值σ且大于或等于第二阀值β，且三条相线上基波电流变化率K大于或等于第三阀值μ，则发生中性线断线故障；

步骤3、若三次谐波电流的减小率|ΔI3%|小于第二阀值β，则供电线路未出现中性线断线故障；

步骤4、若三次谐波电流的减小率|ΔI3%|小于第一阀值σ且大于或等于第二阀值β，三条相线上基波电流变化率K小于第三阀值μ，则供电线路未出现中性线断线故障。

特别地，上述第一阀值σ取值为15%；

上述第二阀值β取值为10%；

上述第三阀值μ取值为30%。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：实现了在供电输出端检测出中性线断线故障，能够减少断线检测设备和降低供电线路投资费用。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为带多个负载的三相四线制供电线路；

图2为中性线断线的三相四线制供电线路；

图3为本发明的判断中性线断线的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，三相四线制供电线路向多个线性或非线性并联负载供电，线型负载可用线性阻抗等效，非线性负载可用线性阻抗和谐波电流源并联等效。中性线正常连接时，由于系统阻抗远小于负载阻抗，非线性设备产生的三次谐波电流将主要通过中性线与电源侧形成回路。

如图2所示，当中性线断线时，对故障点以后的三次谐波电流而言，系统阻抗无穷大，故障点后的三次谐波电流只能通过负载阻抗形成回路，而无法流回电源侧。

1）三相平衡系统：发生中性线断线时，故障点后中性点电位不会发生偏移，相线首端负载基波电流测量值基本不突变，但三次谐波电流会发生突变。因此对三相平衡系统，仅需在线路首端检测三次谐波电流的变化就能实现中性线断线故障的判断。

2）三相不平衡系统：发生中性线断线时，故障点后中性点电位将发生偏移，其偏移量取决于负载的三相不平衡度，极端情况会引起轻载相相电压上升至

倍（相当于线电压），而重载相则降至零。因此，除三次谐波电流的突变外，在相线首端各相基波电流也会同时增大或减小。

基波电流的变化由负载特性决定，负载通常分为恒功率负载、恒电流负载和恒阻抗负载。特定的用户或地区下，负载有可能是上述三种特性负载的组合。在低压系统中，白炽灯、热水壶、炉灶、厨具等线性负载，表现为恒阻抗负载（电流与电压成正比）；而电动机等线性负载则表现为恒功率负载（电流与电压成反比）；恒电流源负载在实际低压配电系统中不常见，故不做考虑。因此中性点电位偏移时，基波电流必然发生突变，其变化量ΔI₁可以由下式计算。

恒功率负载， $\mathrm{\Δ}{I}_1=\left(\frac{V_r-V_{\mathrm{ub}}}{V_{\mathrm{ub}}}\right)I_1---\left(1\right)$

恒阻抗负载， $\mathrm{\Δ}{I}_1=\left(\frac{V_{\mathrm{ub}}-V_r}{V_r}\right)I_1---\left(2\right)$

式中：

I₁——故障点后负载基波电流

V_ub——故障点后不平衡相相电压

V_r——故障点后负载额定相电压

表1中列出了中性线断线和负载变化两种情况下三次谐波电流及基波电流的变化，基波电流和三次谐波电流是通过对所采集数据进行傅里叶变换获得，基波电流和三次谐波电流变化量由两次采样数据的差计算得到，表中的正号和负号表示对应电流的增大和减小。可以看出，负载变化会引起三次谐波电流与基波电流变化同时增加或同时减小，中性线断线会引起三次谐波电流减小及基波电流的变化。

表1不同状况下基波电流与三次谐波电流变化

由表1看出：

负荷增大时（状况①、③、⑤、⑦），正常运行时，基波电流与三次谐波电流会同时增大，但如果中性线断线，三次谐波电流会减小。因此，通过检测三次谐波电流是否减小，能实现中性线断线的判断。

负荷轻载且减小时（状况②、⑥），正常运行时，基波电流与三次谐波电流均会同时减小，但中性线断线时，基波电流会增大。因此，通过检测三次谐波电流减小且基波电流增大，能实现中性线断线的判断。

负荷重载且减小时（状况④、⑧），无论中性线断线与否，基波电流和三次谐波电流均会同时减小，但中性线断线时三次谐波电流变化量与基波电流变化量之比K和负载变动时三次谐波电流变化量与基波电流变化量之比不在同一范围内。

因此，通过检测三次谐波电流减小且三次谐波电流变化率与基波电流变化率的范围，能实现中性线断线的判断。

如图3所示，本方法发明的判断中性线断线的过程如下：

步骤1、在供电输出的三条相线上同时测量三次谐波电流的减小率|ΔI3%|，若|ΔI3%|大于或等于第一阀值σ，则发生中性线断线故障；

3次谐波电流变化率定义为：

$\mathrm{\Δ}{I}_3\%=\frac{I_{3,k}-I_{3,k-1}}{I_{3,k}}\×100\%---\left(3\right)$

其中I_3,k表示当前时刻的3次谐波电流，I_3,k-1表示上一时刻3次谐波电流。

步骤2、若三次谐波电流的减小率|ΔI3%|小于第一阀值σ且大于或等于第二阀值β，且三条相线上基波电流变化率K大于或等于第三阀值μ，则发生中性线断线故障；

基波电流变化率K=（当前采样时刻值-前一采样时刻值）/前一采样时刻值；

步骤3、若三次谐波电流的减小率|ΔI3%|小于第二阀值β，则供电线路未出现中性线断线故障；

步骤4、若三次谐波电流的减小率|ΔI3%|小于第一阀值σ且大于或等于第二阀值β，三相线上分别出现K小于第三阀值μ，则供电线路未出现中性线断线故障。

上述步骤1中，三次谐波电流的减小率|ΔI3%|越大，则中性线断线故障位置更接近首端。

上述步骤2中，三次谐波电流的减小率|ΔI3%|和基波电流变化量|ΔI1|越大，则中性线断线故障位置更接近首端。

对住宅负荷三条三相干线持续的17520个数据基波与3次谐波电流的正常变化范围的统计，如表2，其数据是每隔10s采集一次。表中I₃表示线路上3次谐波电流。数据表明正常情况下很少可以观测到三相上存在3次谐波电流同时减小超过10%的突变，15%以上的突然同时减小则不会发生；三相上I₃同时减小10%以上且三相上K分别有出现0.3以上和-0.3以下的概率基本为0。

通过实验测定，第一阀值σ、第二阀值β和第三阀值μ分别取15%、10%和30%，判定中性线断线故障是有效的。

表2负载正常波动范围(每10s一个数据)

1）关于第一阀值σ

σ必须避开正常负荷波动时的三次谐波电流的减小率，以准确区别故障和正常的负荷波动，经大量系统运行数据采集和分析，在正常运行的三相四线制上，不可能出现三相三次谐波电流的减小率|ΔI3%|同时大于15%的情况，因此将其确定为σ的取值。

2）关于第二阀值β

当三次谐波电流的减小率|ΔI3%|<15%时，也有可能是配电干线靠近末端发生中性线断线故障，为提高故障判别的灵敏性和故障判断的可靠性，此时降低|ΔI3%|的阈值为第二阀值β至10%，并增加基波电流变化率K判别故障。

3）关于第三阀值μ

经大量系统运行数据采集和分析，在正常运行的三相四线制上，不可能在三次谐波电流的减小率|ΔI3%|大于10%的情况下，同时发生基波电流变化率大于30%突变的现象，因此将基波电流变化率K的第三阈值确定为μ=30%。

Claims (4)

1.一种基于三次谐波电流的中性线断线检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在供电输出的三条相线上同时测量三次谐波电流的减小率|ΔI3%|，若|ΔI3%|大于或等于第一阀值σ，则发生中性线断线故障；

步骤2、若三次谐波电流的减小率|ΔI3%|小于第一阀值σ且大于或等于第二阀值β，且三条相线上基波电流变化率K大于或等于第三阀值μ，则发生中性线断线故障；

步骤3、若三次谐波电流的减小率|ΔI3%|小于第二阀值β，则供电线路未出现中性线断线故障；

步骤4、若三次谐波电流的减小率|ΔI3%|小于第一阀值σ且大于或等于第二阀值β，三条相线上基波电流变化率K小于第三阀值μ，则供电线路未出现中性线断线故障。

2.根据权利要求1所述的基于三次谐波电流的中性线断线检测方法，其特征在于：所述的第一阀值σ取值为15%。

3.根据权利要求2所述的基于三次谐波电流的中性线断线检测方法，其特征在于：所述的第二阀值β取值为10%。

4.根据权利要求3所述的基于三次谐波电流的中性线断线检测方法，其特征在于：所述的第三阀值μ取值为30%。

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