馬 勇 ，魏 旭 ，周志成 ，付 慧 ，陶風(fēng)波 ，陳俊武

（1.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103；2.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢430074）

配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的選擇直接影響著系統(tǒng)的安全運(yùn)行。靈活接地（即消弧線圈并聯(lián)小電阻）方式集合了消弧線圈和小電阻接地方式的優(yōu)點(diǎn)[1-3]，既可以降低系統(tǒng)過電壓水平，提高故障選線準(zhǔn)確性，又可以減少線路跳閘率，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，故逐漸應(yīng)用在配電網(wǎng)中，特別是在升壓改造的老舊線路中，能提高設(shè)備的可利用率。

本文建立配電網(wǎng)仿真模型，深入分析故障接地電阻值、小電阻并入時間、控制策略對靈活接地方式運(yùn)行特性的影響，為靈活接地方式在配電網(wǎng)中的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

1 工作原理

消弧線圈并聯(lián)小電阻接地方式（即靈活接地方式）由自動調(diào)諧消弧線圈、小電阻、控制器等部分組成，如圖1所示[4]。

圖1 靈活接地方式結(jié)構(gòu)圖

電網(wǎng)正常運(yùn)行時，消弧線圈通過中性點(diǎn)與電網(wǎng)相連，控制器隨時計算電網(wǎng)的電容電流，將消弧線圈調(diào)至相應(yīng)的檔位，小電阻未并入中性點(diǎn)。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，消弧線圈發(fā)揮補(bǔ)償電網(wǎng)電容電流的作用，使故障電流減小，經(jīng)過一定時間，瞬時故障消失，若為永久接地故障，則并入小電阻，利用小電阻抑制過電壓，進(jìn)而故障選線[4-6]。

2 仿真模型

對應(yīng)圖1在PSCAD中建立20 kV配電網(wǎng)模型，采用110 kV電源，變壓器的變比為110/22.2，線路均為電纜線路，各線路長度如表1所示。

表1 各線路長度 km

直接采用BREAKERS&FAULTS模塊模擬金屬和非金屬接地故障，用SEQUENCERS模塊模擬間歇性電弧接地中電弧的熄滅和重燃，用Multiple Run Component模塊進(jìn)行不同相位下發(fā)生故障的多次的重復(fù)性仿真。

通過計算[1]，線路的電容電流為59 A左右。再加上負(fù)荷、電源處的對地電容，實(shí)際系統(tǒng)中的電容電流會大于線路電容電流的計算值。消弧線圈直接用電感代替，通過改變電感的大小改變消弧線圈補(bǔ)償度，并聯(lián)的小電阻取10 Ω。

3 靈活接地方式的仿真

靈活接地方式運(yùn)行的暫態(tài)過程一般和以下幾個因素有關(guān)：單相接地故障的形式，短路故障發(fā)生時刻，小電阻的并入時刻以及短路故障相等[7，8]。

3.1 故障過渡電阻的影響分析

單相接地故障的形式主要有永久金屬性接地故障、非金屬性接地故障、間歇性弧光接地等[9]。仿真中金屬性接地的故障過渡電阻取5 Ω，非金屬性接地的故障過渡電阻分別取100 Ω和800 Ω，間歇性電弧接地的電弧電阻分別取5 Ω和100 Ω。均假定在0.3 s時線路Lf1與Lf2之間發(fā)生A相接地故障，故障發(fā)生時A相的相位為0°，延長一定時間后并入小電阻，仿真結(jié)果如表2和圖2所示。其中，Ua，Ub，Uc，Uo分別為故障點(diǎn) A，B，C 三相和中性點(diǎn)電壓，υ為失諧度

表2 不同故障類型在并聯(lián)小電阻前后系統(tǒng)最大電壓p.u.標(biāo)幺值（υ=-5%）

由圖2和表2分析可知：

（1）當(dāng)故障發(fā)生后延時并入小電阻，不同故障類型下的系統(tǒng)過電壓均會有明顯降低。5種故障條件下，小電阻的并入可使系統(tǒng)電壓降低的范圍為[0.26 p.u.，1.48 p.u.]。

（2）發(fā)生的故障類型不同，并入小電阻后使系統(tǒng)過電壓降低的效果也不同。其中，間歇性弧光接地的故障過渡電阻為5 Ω時，系統(tǒng)過電壓可從3.6倍降低到2.12倍，效果最為明顯，如圖2（d）所示。

（3）由于故障過渡電阻的阻尼作用，同種故障類型下，故障過渡電阻越大，系統(tǒng)過電壓越小。例如圖2（d）中的電壓波形振蕩幅度就比圖2（e）要大，電壓幅值也高出幾乎2倍；并入小電阻后，與圖2（b）相比，圖2（c）的中性點(diǎn)電壓幾乎為0，波動較小，三相電壓接近正常平衡狀態(tài)。

3.2 小電阻并入時刻的影響分析

小電阻不同的并入時刻對應(yīng)著系統(tǒng)電壓不同的幅值，因此，小電阻并入時刻的差異也會帶來大小不同的過電壓。仿真中，同樣故障發(fā)生時A相的相位為0°，延長一段時間在一個工頻周期內(nèi)取20個時間點(diǎn)并入小電阻，計算每個情況下的系統(tǒng)電壓情況，結(jié)果如圖 3所示。Uam，Ubm，Ucm，Uom分別表示并入小電阻后故障點(diǎn)A，B，C三相和中性點(diǎn)電壓的最大幅值的標(biāo)幺值。

從圖3可以看出：

（1）任何故障下系統(tǒng)過電壓大小均受小電阻并入時間的影響，最大電壓主要是非故障相的電壓，但大小有不同。間歇性弧光接地下的影響最大，金屬性接地故障下的影響最小。其中，電壓變化的最大和最小倍數(shù)分別為1.48倍和0.26倍。

（2）一個工頻周期內(nèi)不同時間點(diǎn)并入小電阻，系統(tǒng)過電壓不同，當(dāng)中性點(diǎn)電壓為0時并入小電阻，對系統(tǒng)影響最小，因此，這個時間點(diǎn)的過電壓最小。金屬性接地故障和非金屬性接地故障下中性點(diǎn)電壓波形近似正弦波，一個周期內(nèi)電壓為0的時刻較少，而間歇性弧光接地故障下，中性點(diǎn)為0的時刻較多，因此不同故障類型下能使系統(tǒng)過電壓最小的并入時刻差別較大。

3.3 故障發(fā)生時刻的影響分析

短路故障發(fā)生時刻主要是考慮故障發(fā)生時故障相的相位不同帶來的影響，這里以金屬性接地故障為例進(jìn)行說明。仿真中故障時間從0.3 s開始到0.32 s，每次增加0.000 1 s，共仿真201次，具體結(jié)果如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)過電壓最大時電壓波形（υ=-5%)

在故障相電壓為峰值附近時發(fā)生金屬性接地故障，故障相電壓瞬間為0，非故障相電壓振蕩很大，高達(dá)4倍以上[10]。從仿真結(jié)果中可以看出，一個周期內(nèi)系統(tǒng)過電壓最大的時刻有2個。改變失諧度，所得到的最大電壓倍數(shù)的時刻都對應(yīng)著故障相電壓為峰值。

4 控制策略分析

當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，關(guān)心的主要問題是：故障類型、并聯(lián)小電阻的控制等。

故障類型可以通過故障相電壓的波形判斷，故障相電壓波形幅值很小，近似一條水平線的為永久金屬性接地故障，故障相電壓半個周期為0，半個周期升高到峰值的為間歇性電弧接地故障，介于兩者之間，故障相電壓有一定幅值，周期性變化的為非金屬性接地故障，電壓幅值隨著故障過渡電阻的增大而增大。從以上仿真中可以找到使系統(tǒng)過電壓幅值最小時所對應(yīng)的并聯(lián)小電阻的時刻，這些時刻隨著故障初始條件的不同而發(fā)生變化，但是都對應(yīng)著中性點(diǎn)電壓為0，間歇性弧光接地故障時，中性點(diǎn)電壓為0的時刻較多，但在故障發(fā)生后1/4周期左右并入可以使系統(tǒng)過電壓最小。

在故障相電壓為峰值時發(fā)生接地故障，系統(tǒng)過電壓最大，當(dāng)中性點(diǎn)電壓為0時并入小電阻，系統(tǒng)過電壓最小。因?yàn)樾‰娮璨⑷牒?，其上所加電壓即為中性點(diǎn)電壓，電壓越小，帶來的影響越小。

由以上分析可知，正常狀態(tài)下，靈活接地裝置中僅消弧線圈與中性點(diǎn)連接，隨時跟蹤電網(wǎng)調(diào)至相應(yīng)檔位；單相接地故障發(fā)生時，由于消弧線圈的補(bǔ)償作用，可使故障電流減小，瞬時故障則消失；若為永久故障，可根據(jù)故障相電壓波形判斷故障類型，金屬性接地和非金屬性接地故障時，在中性點(diǎn)電壓為0時并入小電阻，弧光接地故障時，在熄弧時并入小電阻，從而達(dá)到降低系統(tǒng)過電壓的最佳效果。

5 結(jié)束語

（1）靈活接地方式在不同故障下并入小電阻均會降低系統(tǒng)過電壓，故障類型不同，過電壓的水平不同，其中間歇性弧光接地故障下效果最好。（2）小電阻的并入時刻對系統(tǒng)電壓最大倍數(shù)有影響，雖然不同故障類型，不同故障過渡電阻下會有區(qū)別，但在中性點(diǎn)電壓為0時并入小電阻，帶來沖擊最小，系統(tǒng)過電壓最小，可根據(jù)此對靈活接地方式中的小電阻控制。（3）故障發(fā)生的時刻不同，系統(tǒng)過電壓大小也不同，當(dāng)故障相電壓為峰值時發(fā)生接地故障，系統(tǒng)過電壓最大。

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