王曉峰，洪彩涼

(南安電力公司，福建 南安 362300)

1 引言

電力系統(tǒng)中性點接地方式主要有大電流接地方式和小電流接地方式兩種，其中，小電流接地方式又包括中性點不接地方式、中性點經(jīng)消弧線圈接地方式和中性點經(jīng)高阻接地方式［1］。在小電流接地系統(tǒng)中，單相接地是一種常見的故障，在該系統(tǒng)中，若發(fā)生單相接地故障，將導(dǎo)致非故障相電壓升高，且易出現(xiàn)瞬時弧光過電壓，可能使單相接地故障進一步擴大成相間短路，造成更大的事故［2］。

小電流接地系統(tǒng)由于發(fā)生單相接地故障后還可繼續(xù)運行幾個小時等特點，在我國配電網(wǎng)中被廣泛采用。據(jù)不完成統(tǒng)計，在配電系統(tǒng)中單相接地故障發(fā)生次數(shù)占配電故障總數(shù)的80%以上;故對小電流接地系統(tǒng)中單相接地故障的研究極具現(xiàn)實意義。

本文對小電流接地系統(tǒng)中單相接地故障的機理進行分析，建立小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的MATLAB仿真模型，針對故障合閘角、過渡電阻和故障距離等多個影響因素進行了大量仿真，獲取小電流接地系統(tǒng)單相接地故障零序電流的波形，并進行分析。

2 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障分析

2.1 幾種常見小電流接地系統(tǒng)單相接地故障分析

2.1.1 中性點不接地系統(tǒng)

中性點不接地系統(tǒng)具有運行維護簡單、經(jīng)濟的優(yōu)點，在我國農(nóng)村地區(qū)廣泛采用。圖1所示為一中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障示意圖，圖中假定A相發(fā)生單相接地故障。

假定三相線路參數(shù)一致，三相線路有相同的對地電容C0，正常運行時，三相零序電流和為零［5］。由彌爾曼定理推出故障線路三相對地電壓為:

故障線路中性點位移公式為:

圖1 中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障示意圖

據(jù)公式(1)、(2)繪出故障線路的三相向量關(guān)系圖，如圖2所示。

圖2 中性點不接地系統(tǒng)向量關(guān)系示意圖

故障線路中非故障相流向故障點的電容性電流為:

非故障線路始端的零序電流為:

故障線路接地電流為:

故障線路Ⅱ始端的零序電流為:

其中C0∑為全系統(tǒng)對地電容之和。

由公式(1)～(6)可知，故障相線路的對地電壓幅值減小，非故障相線路的對地電壓則升高，此時中性點發(fā)生偏移，A相對地電容增大，對地電容性電流也相應(yīng)地增大，但三相中的負荷電流和相電壓仍然對稱［6］。由故障線路流向母線的零序電流，數(shù)值等于全系統(tǒng)非故障元件對地電容電流的總和，容性無功功率的方向為由線路流向母線，與非故障線路的容性無功功率方向相反。

2.1.2 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)

在電纜饋線比例較大的配電系統(tǒng)中，為解決故障過電壓問題，通常在中性點處接入一個產(chǎn)生感性電流分量的消弧裝置，從而減小流經(jīng)故障點的電流，以達到熄滅電弧的目的。圖3所示為中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障示意圖，圖中假定A相發(fā)生單相接地故障。

圖3 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)接地故障示意圖

中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)各相電壓變化原理同中性點不接地系統(tǒng)，但接入消弧線圈后，由于消弧線圈的補償作用，各饋線零序電流發(fā)生顯著變化。故障線路的零序電流為:

當(dāng)采用過補償方式時，流經(jīng)故障線路的零序電流將大于本身的電容電流，故中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障后線路的電容性無功功率的實際方向仍然是由母線流向線路，方向同非故障線路的零序電流流向［4］。

2.1.3 中性點經(jīng)電阻接地系統(tǒng)

中性點經(jīng)高阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，性質(zhì)上與中性點不接地方式一樣，故不另行分析。

2.2 小電流接地系統(tǒng)暫態(tài)分析

小電流接地系統(tǒng)單相接地故障線路暫態(tài)電路原理圖如圖4所示。

圖4 單相接地故障暫態(tài)電流等效電流

經(jīng)拉氏變換等運算后可得暫態(tài)電容電流:

暫態(tài)電感電流

暫態(tài)接地電流

式(10)是由式(8)和式(9)疊加而成的，第一項為接地電流穩(wěn)態(tài)分量，其值等于穩(wěn)態(tài)電容電流和穩(wěn)態(tài)電感電流的幅值之差;其余為接地電流的暫態(tài)分量，其值等于電容電流的暫態(tài)自由振蕩分量與電感電流的暫態(tài)直流分量之和，兩者的幅值不僅不能相互抵消，甚至還可能彼此相加，使暫態(tài)接地電流的幅值明顯增大。在暫態(tài)過程的初始階段，暫態(tài)接地電流的特性，主要由暫態(tài)電容電流的特性所確定。

3 MATLAB模型設(shè)計

為了進一步對小電流接地系統(tǒng)單相接地故障進行分析，本文使用MATLAB軟件及Simulink工具箱進行建模仿真，并對發(fā)生故障時各條線路的零序電流波形以及合閘角、接地電阻、故障位置對中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障時零序電流的影響進行分析。

圖5所示為Matlab仿真模型圖。

圖5 Matlab模型

配電網(wǎng)線路一般為短線路，為了保證仿真結(jié)果的準確，防止電網(wǎng)常出現(xiàn)不對稱電壓性，因此采用分布式參數(shù)的線路模型［7］;該系統(tǒng)有三種運行方式:過補償、欠補償、完全補償。配電網(wǎng)中常采用過補償?shù)倪\行方式，本次仿真取過補償度8%。

由于現(xiàn)在電力變壓器種類繁多，參數(shù)不盡相同，故變壓器參數(shù)采用SimPowerSystems專用庫中變壓器模型的參數(shù);線路長度的選擇直接關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定性及仿真的準確性［8］，因此在長度的選擇上要符合當(dāng)前的現(xiàn)場實際，本文中共設(shè)置4條線路，依次為30km架空線路長度，10km電纜線路，2km電纜與12km架空線路的纜線混合線路，10km架空線路;而電容值的大小直接影響仿真效果的可靠性與可觀性［9］，電纜線路的電容值要明顯大于架空線路的電容值，經(jīng)計算后參數(shù)見表1、表2。令第四條線路C相發(fā)生接地故障，最終MATLAB仿真圖形見圖6。

表1 線路正序參數(shù)

表2 線路零序參數(shù)

3.1 單相接地時各線路的零序電流波形

由圖6可知，經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地后，流過故障線路的零序電流不再是非故障線路零序電流之和，而是全系統(tǒng)故障線路的電容性電流之和與經(jīng)消弧線圈產(chǎn)生的電感性電流的疊加。在8%過補償時，故障線路的穩(wěn)態(tài)零序電流的極性與非故障線路的零序電流的極性相同，而穩(wěn)態(tài)幅值甚至比非故障線路零序電流的穩(wěn)態(tài)幅值還要小，因此根據(jù)零序電流穩(wěn)態(tài)幅值的故障選線不再適用。在故障發(fā)生后的暫態(tài)過程中，故障線路零序電流首半波的幅值仍為最大，且極性與非故障線路的零序電流暫態(tài)首半波的極性相反;而此后隨電感電流增大，使故障線路的暫態(tài)故障特征被補償?shù)貌幻黠@。

圖6 各線路始端的零序電流

3.2 合閘角對零序電流的影響

在其他條件恒定時，依次調(diào)整合閘角，觀察故障波形的變化。如圖7所示，故障合閘角θ為時，故障零序電壓和故障零序電流的高頻振蕩分量最?。?0］。但此時在中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，故障線路流過較大的感性衰減直流分量，該感性直流分量僅流經(jīng)故障線路和消弧線圈構(gòu)成的回路，而不流經(jīng)非故障線路。高頻振蕩分量的幅值隨故障合閘角θ正弦模值的增大而增大，故在故障合閘角在到變化時，暫態(tài)零序電流高頻分量幅值呈單調(diào)遞增的趨勢。

圖7 不同故障合閘角故障線路零序電流

3.3 接地電阻對零序電流的影響

故障相經(jīng)接地電阻接地后，中性點電壓發(fā)生偏移，非故障相的穩(wěn)態(tài)相電壓不再是倍的故障前相電壓，故障相的穩(wěn)態(tài)電壓也不再為零。接地電阻越大，故障相電壓越大，而各線路穩(wěn)態(tài)零序電流和零序電壓的幅值越小，穩(wěn)態(tài)零序電壓和電流的相位也發(fā)生變化，但線路之間的線電壓仍保持對稱。隨著過渡電阻的增大，流過各線路零序電流的高頻衰減分量也逐漸減小，使得故障線路零序電流的首半波幅值逐漸減少甚至消失。在中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，接地電阻較大時，暫態(tài)零序電流的幅值比穩(wěn)態(tài)值更小。仿真波形圖如圖8所示。

圖8 不同過渡電阻時故障線路零序電流

3.4 故障位置對零序電流的影響

從圖9可以看出，當(dāng)故障進入穩(wěn)態(tài)時，線路的零序電流和零序電壓幾乎不隨故障距離的增長而發(fā)生變化，這是因為小電流接地系統(tǒng)單相接地電流的大小主要取決于系統(tǒng)的電容分布，在故障線路變化較小的時候，基本不改變系統(tǒng)的電容分布，只有當(dāng)故障距離變化達到一定程度時，才會有明顯的變化。因此，在配電網(wǎng)中利用穩(wěn)態(tài)信息的故障選線方法可不考慮故障距離的影響，但故障距離對暫態(tài)特征有一定的影響。隨著故障距離的增長，流過故障線路的高頻振蕩分量減小，且振蕩頻率變小。在故障距離較短時，發(fā)生單相接地故障易引起系統(tǒng)振蕩。

圖9 不同故障位置下故障線路零序電流

4 結(jié)論

小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，在故障點就有衰減很快的暫態(tài)電容電流和衰減很慢的暫態(tài)電感電流流過。不論系統(tǒng)的中性點為諧振接地還是不接地方式，暫態(tài)接地電流的幅值和頻率主要由暫態(tài)電容電流所確定，且其變化均和故障合閘角、接地電阻故障位置有關(guān)。暫態(tài)接地電流的幅值雖然很大，但持續(xù)時間很短，給暫態(tài)選線增加了較大難度。

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