吳麗娜，劉觀起

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定071003)

0 引言

中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)，即變壓器或發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)，因短路電流小，又稱小電流接地系統(tǒng)。小電流接地系統(tǒng)接地方式主要包括3 種，即中性點(diǎn)不接地、諧振接地(中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地)和中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地［1］。從目前我國(guó)的配電網(wǎng)分布及發(fā)展規(guī)劃情況看，諧振接地方式在這3 種接地方式中占有重要地位，是我國(guó)配電網(wǎng)主要的接地方式。

小電流接地系統(tǒng)單相接地故障時(shí)，相間電壓仍保持對(duì)稱，接地電流小，僅為線路及設(shè)備的電容電流，不影響對(duì)負(fù)荷的供電，允許繼續(xù)運(yùn)行1～2 h，在我國(guó)3～66 kV 配電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。但是系統(tǒng)中非故障相對(duì)地電壓升高，當(dāng)故障持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)容易破壞電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)處的絕緣，從而形成兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地短路，破壞系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。運(yùn)行人員應(yīng)及時(shí)找到故障線路及故障發(fā)生點(diǎn)，并予以切除。尤其對(duì)于諧振接地系統(tǒng)，由于消弧線圈的補(bǔ)償作用，使得發(fā)生單相故障時(shí)故障線路的電流幅值很小且方向不確定，增大了故障選線的難度。目前諧振接地系統(tǒng)的選線方法有五次諧波分量法、殘流增量法、有功分量法以及能量法等［2～4］。近年來，有不少學(xué)者在研究應(yīng)用小波理論實(shí)現(xiàn)故障選線，提出了不少分析方法，如離散小波變換法、小波包分析法以及基于小波變換的暫態(tài)零序電流比較法等，而這些選線方法的靈敏度和可靠性受故障距離、故障前初相角、過渡電阻等因素的影響較大［5］。研究在這些因素變動(dòng)時(shí)諧振接地系統(tǒng)單相故障的穩(wěn)態(tài)特征和暫態(tài)特征可為配電網(wǎng)諧振接地系統(tǒng)單相故障選線提供依據(jù)，目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)這方面的研究較少。

1 諧振接地系統(tǒng)單相故障的特點(diǎn)

諧振接地方式，即將一個(gè)電感(通常稱作消弧線圈)接入到中性點(diǎn)和大地之間。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，消弧線圈的電感電流對(duì)系統(tǒng)接地電容電流進(jìn)行有效補(bǔ)償，使流過接地點(diǎn)的電流減小，有助于熄滅殘余電流的接地電弧，防止電弧進(jìn)一步擴(kuò)散。同時(shí)由于消弧線圈的補(bǔ)償作用，使恢復(fù)電壓的幅值和初速度降低，抑制了電弧的重燃及弧光接地過電壓的產(chǎn)生，防止系統(tǒng)由單相短路故障進(jìn)一步發(fā)展為更加嚴(yán)重的多相或相間短路故障，使系統(tǒng)的供電可靠性得到提高［6］。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相故障時(shí)，在中性點(diǎn)加設(shè)消弧線圈，補(bǔ)償接地電容電流，可有效防止發(fā)生弧光間歇過電壓。按規(guī)程規(guī)定，在各級(jí)電壓網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)系統(tǒng)的電容電流超過一定數(shù)值(22～66 kV 電網(wǎng)超過10 A;10 kV 電網(wǎng)超過20 A;3～6 kV 電網(wǎng)超過30 A)時(shí)就應(yīng)裝設(shè)消弧線圈［7］。

在諧振接地系統(tǒng)中，單相故障時(shí)的電流分布如圖1 所示，由于在電源的中性點(diǎn)接入了消弧線圈，當(dāng)線路A 相接地以后，相比中性點(diǎn)不接消弧線圈，電容電壓的大小和分布都不變，但在接地點(diǎn)增加了一個(gè)電感分量的電流，因此，從接地點(diǎn)流回的總電流為

式中:IC為全系統(tǒng)的對(duì)地電容電流;IL為流過消弧線圈的電感電流，若用L表示電感，則

圖1 諧振接地系統(tǒng)A 相故障時(shí)的簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)圖

IL與IC方向相反，即由于消弧線圈的補(bǔ)償作用，使接地點(diǎn)總電流Ig減小了。根據(jù)補(bǔ)償程度的不同，消弧線圈的補(bǔ)償方式可分為完全補(bǔ)償、欠補(bǔ)償和過補(bǔ)償［8］。

完全補(bǔ)償即電感電流IL與電容電流IC向量和為零的補(bǔ)償方式。此時(shí)，電容電流IC與電感電流IL幅值相等，方向相反，彼此完全抵消，殘余電流幾乎為零，但由于此時(shí)電流諧振回路恰好在諧振點(diǎn)工作，如果發(fā)生斷路器三相不同期合閘，則出現(xiàn)的零序電壓將在串聯(lián)諧振回路中產(chǎn)生很大的電流，進(jìn)而在消弧線圈上產(chǎn)生危險(xiǎn)的過電壓，損壞設(shè)備和人身安全，所以一般不采用完全補(bǔ)償方式。

欠補(bǔ)償即電感電流IL小于電容電流IC的補(bǔ)償方式。在該方式下，殘余電流中除了含有有功電流分量外，還含有容性無功電流分量，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行方式發(fā)生變化導(dǎo)致系統(tǒng)的容性無功電流分量減小時(shí)，可能恰好又變?yōu)橥耆a(bǔ)償，因此也很少采用欠補(bǔ)償方式進(jìn)行補(bǔ)償。

過補(bǔ)償即電感電流IL大于電容電流IC的補(bǔ)償方式。相比前兩種方式，過補(bǔ)償?shù)膬?yōu)勢(shì)是不會(huì)產(chǎn)生串聯(lián)諧振過電壓。即使電網(wǎng)擴(kuò)大，對(duì)地電容電流有所增加，依然留有補(bǔ)償裕度，所以過補(bǔ)償是實(shí)際系統(tǒng)廣泛采用的補(bǔ)償方式，過補(bǔ)償度一般取5%～8%。

2 仿真模型的搭建

在MATLAB 中建立諧振接地系統(tǒng)的仿真模型如圖2 所示，系統(tǒng)頻率設(shè)為50 Hz，微分方程解算方法采用odel5，該方法對(duì)求解病態(tài)方程效果良好。仿真開始時(shí)間為0，結(jié)束時(shí)間為0．2 s，其他仿真參數(shù)都選默認(rèn)值。系統(tǒng)采用無窮大電源，變壓器采用Three-phase Transformer(Two Windings)模型，變比為38．5/10．5 kV，YYO連接。共4 條線路，長(zhǎng)度分別為:L1=70 km，L2=80 km，L3=90 km，L4=100 km。線路各序參數(shù)為:正序電阻R1=0．012 73 Ω/km，零序電阻R0=0．386 4 Ω/km;正序電感L1=0．933 7 e-3 H/km，零序電感L0=4．126 4e-3 H/km;正序電容C1=12．74 e-9 F/km，零序電容C0=7．751 e-9 F/km。

圖2 諧振接地系統(tǒng)單相故障仿真模型

在各線路的首端、故障點(diǎn)和中性點(diǎn)均設(shè)有測(cè)量模塊。當(dāng)諧振接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，特征量的暫態(tài)過程隨故障距離、故障前初相角、過渡電阻的變化而變化，包含了多種頻率成分的周期分量和非周期分量，由各測(cè)量模塊測(cè)得并通過示波器顯示波形［9］。

3 單相故障仿真及對(duì)比分析

3.1 故障距離對(duì)故障的影響仿真

保持故障初相角和過渡電阻不變，即φ=65°，Rg=50 Ω，分別在距離線路4 出口L=0，20，50，80 km 處進(jìn)行A 相接地故障仿真，根據(jù)仿真結(jié)果得到不同故障距離L 下的故障量穩(wěn)態(tài)幅值，故障特征量包括故障相母線殘壓Ucy、零序電壓U0、非故障線路零序電流If0、故障線路零序電流Ig0以及接地故障電流Ijd，如表1 所示。限于篇幅，只列出當(dāng)L=20，50，80 km 時(shí)零序電壓和故障線路零序電流波形，以便觀察波形變化趨勢(shì)，如圖3，4，5 所示。

表1 不同故障距離下的故障量穩(wěn)態(tài)幅值

圖3 故障距離為20 km 時(shí)的故障特征量波形

圖4 故障距離為50 km 時(shí)的故障特征量波形

圖5 故障距離為80 km 時(shí)的故障特征量波形

由表1 中數(shù)據(jù)可知，隨著故障距離的增加，由于線路壓降也增加，故障相的殘余電壓有所升高。其他故障量的穩(wěn)態(tài)值略有下降，但總體看來，故障距離的變化對(duì)其影響不大。

由圖可看出，故障距離的改變對(duì)暫態(tài)過程有較大影響。隨著故障距離的增加，各故障量的暫態(tài)沖擊值、暫態(tài)波動(dòng)隨之減小，而暫態(tài)分量衰減速度隨之增大。

3.2 故障初相角對(duì)故障的影響仿真

改變故障發(fā)生時(shí)刻即可改變故障初相角。保持故障距離、過渡電阻不變，即L=20 km，Rg=50 Ω，分別在故障初相角 φ 為90°，180°，270°的條件下進(jìn)行仿真，零序電壓、非故障線路零序電流以及故障線路零序電流隨故障初相角的波形變化規(guī)律如圖6，7，8 所示。

圖6 故障初相角為90°時(shí)的故障特征量波形

圖7 故障初相角為180°時(shí)的故障特征量波形

圖8 故障初相角為270°時(shí)故障特征量波形

由圖可知，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)相電壓恰好過零，即φ=180°時(shí)，過渡過程中的暫態(tài)波動(dòng)較小，暫態(tài)特征量衰減速度較快。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)相電壓處于最大值，即φ=90°或270°時(shí)，過渡過程中的暫態(tài)波動(dòng)比較明顯，且暫態(tài)特征量衰減速度慢。3種情形下，故障線路零序電流暫態(tài)峰值都大于非故障線路零序電流暫態(tài)峰值;從特征量極性看，故障線路零序電流的故障瞬間極性與零序電壓的相反，而非故障線路零序電流的故障瞬間極性與零序電壓的相同。

3.3 過渡電阻對(duì)故障的影響仿真

保持故障距離和故障時(shí)的初相角不變，即L=20 km，φ=65°。分別令過渡電阻Rg=0，50，150，300，500 Ω，對(duì)該諧振接地系統(tǒng)單相接地故障進(jìn)行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果得到不同過渡電阻下的故障量穩(wěn)態(tài)幅值，如表2 所示。限于篇幅，只列出當(dāng)Rg=50，150，300 Ω 時(shí)零序電壓和故障線路零序電流波形，以便分析暫態(tài)特征量變化趨勢(shì)，如圖9，10，11 所示。

表2 不同過渡電阻下的故障量穩(wěn)態(tài)幅值

圖9 過渡電阻為50 Ω 時(shí)的故障特征量波形

圖10 過渡電阻為150 Ω 時(shí)的故障特征量波形

圖11 過渡電阻為300 Ω 時(shí)的故障特征量波形

由表2 中數(shù)據(jù)可知，隨著過渡電阻的增大，接地電流在過渡電阻上產(chǎn)生的壓降越來越大，故障相殘余電壓明顯升高，零序電壓和各線路零序電流的幅值逐漸減小。

各條饋線零序電流的幅值主要由電容電流的幅值所決定，其幅值受過渡電阻的影響。各線路零序電流的幅值與過渡電阻的變化相反，即過渡電阻越大，零序電流的幅值越小。

由圖可知，過渡電阻的大小對(duì)暫態(tài)過程的影響較大，隨著過渡電阻的增大，故障量的暫態(tài)沖擊值在不斷減小，同時(shí)暫態(tài)過程的衰減越來越快，暫態(tài)特征也越來越難以捕捉。

4 結(jié)論

本文通過搭建仿真模型，對(duì)比分析了不同故障距離、不同故障初相角以及不同過渡電阻對(duì)諧振接地系統(tǒng)單相接地故障的影響。仿真結(jié)果表明，故障特征量隨故障距離的變化不明顯，受故障距離影響較小;對(duì)于不同的故障初相角，故障線路零序電流暫態(tài)峰值都大于非故障線路零序電流暫態(tài)峰值，且故障線路零序電流暫態(tài)峰值的極性隨故障初相角變化，與零序電壓的極性相反;隨著過渡電阻的增大，零序電流的幅值和故障量的暫態(tài)沖擊值都在不斷減小，同時(shí)暫態(tài)過程的衰減越來越快。在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的工作中，運(yùn)行人員可結(jié)合特征量的變化規(guī)律盡快找到故障點(diǎn)，及時(shí)排除故障，減小損失。

本文仿真主要考慮了理想情況下單方面因素的影響，在實(shí)際系統(tǒng)中進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，還要綜合考慮系統(tǒng)的具體情況，如系統(tǒng)的出線結(jié)構(gòu)、消弧線圈的補(bǔ)償度及其運(yùn)行模式等?？稍诒疚难芯康幕A(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)的具體情況，繼續(xù)進(jìn)行深入研究。

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