張耘川 王昕怡

（1.蘭州交通大學自動化與電氣工程學院,蘭州 730070；2.慶陽市供電公司，甘肅 慶陽 745000）

小電流接地系統(tǒng)主要有中性點不接地方式、中性點經(jīng)消弧線圈接地方式和中性點經(jīng)高阻抗接地方式。在小電流接地系統(tǒng)中，當某一相發(fā)生接地故障時，由于不能構成短路回路，所以接地故障電流往往比負荷電流小得多，保護裝置不需要立即動作跳閘，從而提高了供電的可靠性，故小電流接地系統(tǒng)廣泛應用于中低壓電網(wǎng)，我國3～66kV 電力系統(tǒng)大多數(shù)采用中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地的運行方式。小電流接地系統(tǒng)的故障主要是單相接地短路故障，發(fā)生單相接地后，故障相對地電壓降低，非故障兩相的相電壓升高，但線電壓卻依然對稱，因而不影響對用戶的連續(xù)供電，系統(tǒng)可運行1～2h，這也是小電流接地系統(tǒng)的最大優(yōu)點。但是若發(fā)生單相接地故障時電網(wǎng)長期運行，因非故障的兩相對地電壓升高，可能引起絕緣的薄弱環(huán)節(jié)被擊穿，進一步擴大為相間短路故障，對電力系統(tǒng)造成重大損失。因此，有必要對小電流接地系統(tǒng)的單相接地短路故障的判斷進行研究，以便及時準確的排除故障。本文利用Matlab 對中性點不接地方式單相接地故障進行仿真分析。

1 Matlab 簡介

Matlab 是英文Matrix Laboratory（矩陣實驗室）的縮寫，是由美國Mathworks 公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。Simulink 是Matlab 軟件的擴展與特色體現(xiàn)，其中Simpower System（電力系統(tǒng)仿真）模塊庫強大的科學計算能力，簡便的繪圖功能，可視化的仿真環(huán)境可以方便地實現(xiàn)電力電子的仿真過程。

2 中性點不接地方式的單相故障

中性點不接地方式是小電流接地系統(tǒng)中最簡單的一種。在這種方式下，一旦某條出線發(fā)生單相接地短路，非故障相的對地電壓就會升高，并產生很大的零序故障電流，但線電壓依然對稱，因而不影響對用戶的連續(xù)供電，系統(tǒng)可繼續(xù)運行一段時間。如果故障長時間存在得不到切除，就會擴大為相間短路故障，影響正常供電，甚至損壞設備，破壞系統(tǒng)安全運行。當中性點不接地方式發(fā)生單相接地故障時，零序電流Io和零序電壓Uo滿足公式：3Io=IA+IB+IC，3Uo=UA+UB+UC，故障相對地電壓為0，非故障相電壓升至正常時相電壓的 3 倍；故障線路的零序電流等于非故障線路零序電流之和，方向是線路流向母線；非故障線路零序電流就是本線路電容電流并超前零序電壓90°，方向是母線流向線路；故障線路與非故障線路的零序電流相差180°。

3 系統(tǒng)建模

打開Matlab 中的動態(tài)仿真工具箱Simulink 環(huán)境，新建擴展為.mdl 的模型，雙擊Simpower System 圖標，在彈出的電路仿真元件庫窗口中選擇相應的元器件，拖動到新建的模型中，合理放置后進行連接，設計成圖1所示的Simulink 模型。單擊3-phase source 功能模塊，將其屬性參數(shù)設置為：頻率為50Hz，三相線電壓為500V，連接方式為Y 表示中性點不接地，該三相電源被用來模擬發(fā)電電源系統(tǒng)。SimPower Systems模塊庫Elements 中的3-phase-fault 功能模塊用來模擬接地故障，設置為A 相接地短路，在0.04s 時發(fā)生短路，持續(xù)時間為0.06s。3-phase series RLC load 用于模擬負荷，頻率為50Hz，其他參數(shù)為默認值。Three-phase VΙ Measurement 是三相電壓電流測量元件，頻率為50Hz。3-phase pi section line 為三相傳輸線，其頻率為50Hz，長度為100m。根據(jù)零序電流Io=1/3(IA+IB+IC)，利用三相電壓電流測量模塊測得輸出線路的三相電壓、電流，然后用Demux 模塊將矢量電流信號分解為3 個單一信號，分別是A、B、C 相的電流，再用加法器合成為一個信號（3 倍的零序電流），再經(jīng)過值為1/3的增益模塊后得到線路的零序電流。仿真參數(shù)設置如下：開始時間為0，終止時間為0.2s，選擇算法為ode23tb,relative tolerance 為1e-3，其他參數(shù)為默認值。

4 仿真波形及故障判別

單擊仿真開始按鈕，在示波器Scope 中出現(xiàn)圖2、圖3所示波形。

圖1 中性點不接地方式故障仿真模型

圖2 輸電線路零序電流波形

圖2中依次為線路1、線路2、線路3 的零序電流（I1、I2、I3）波形。在0～0.04s，線路正常運行，三相電流對稱，零序電流為0；0.04s 時3 條線路出現(xiàn)零序電流，三相電流不再對稱，線路3 的零序電流幅值較大。在同一時刻對3 個零序電流經(jīng)過采樣分析可知，線路3 與線路1、2 零序電流的極性相反，且線路3的零序電流的幅值是線路1、2 零序電流幅值之和，即I3=-(I1+I2)。通過比較零序電流的幅值，幅值最大的線路為故障線路，由此可判斷出，線路3 發(fā)生了故障。

圖3 故障線路電流、電壓波形

圖3中依次為線路3 的三相電流、電壓波形。由圖3看出，故障發(fā)生后，A 相電流（ia）急劇升高，A相電壓（ua）減小，由此可判斷出是A 相發(fā)生故障。

5 結論

本文利用Matlab 仿真平臺，建立了中性點不接地方式的單相接地故障仿真模型，通過對線路零序電流幅值和極性的比較判別出故障線路；通過對故障線路三相電流、電壓的比較判別出故障相，從而實現(xiàn)了故障選線、選相的目的，驗證了零序電流比幅比相法對中性點不接地方式單相接地故障判別的有效性。

[1] 王兆安.電力電子技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.

[2] 李維波.Matlab 在電氣工程中的應用[M].北京:中國電力出版社,2007.

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[4] 張保會.電力系統(tǒng)繼電保護[M].北京:中國電力出版社,2004.