安徽京卓電氣有限公司 王洪武 甘朝宏

1 引言

1.1 研究目的及意義

電力系統(tǒng)運行的基本要求中最重要的是保證安全可靠地持續(xù)供電。大量運行經(jīng)驗表明，單項接地故障是電力系統(tǒng)的主要故障形式之一，約占電力系統(tǒng)各類型故障總和的60%以上［1］。本研究目的是基于Matlab/simulink 平臺仿真軟件，依據(jù)某35kV 變電站高壓系統(tǒng)實際參數(shù)，搭建系統(tǒng)仿真模型模擬中性點非直接接地輸配電系統(tǒng)中單相接地故障，驗證比對本系統(tǒng)中小電流選線和大電流選線兩種方式的可靠性和準(zhǔn)確性。驗證結(jié)論提供給相關(guān)電力部門參考，以便在系統(tǒng)技改時采用適合當(dāng)?shù)貙嶋H情況的選線方式，強(qiáng)化對電力系統(tǒng)單相接地故障的實時在線監(jiān)測能力，提升大型智能電力系統(tǒng)運行可靠性。

1.2 研究主要內(nèi)容

中性點非直接接地的配電網(wǎng)系統(tǒng)的主要缺點是最大長期工作電壓與過電壓均較高，特別是存在電弧接地過電壓的危險，過電壓保護(hù)裝置的費用較大，效果較差，整個系統(tǒng)的絕緣水平因而也較高。雖然中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地后，不需立即斷開線路（可繼續(xù)運行2h 以內(nèi)），但是要選擇可靠、準(zhǔn)確的檢測裝置來檢查出接地線路，消除接地故障[2]。本研究基于電力系統(tǒng)輸配電網(wǎng)中單相接地故障的產(chǎn)生過程、變化規(guī)律及其電氣物理特性，在借鑒國內(nèi)外有關(guān)配電網(wǎng)系統(tǒng)中單相接地電流建模的基礎(chǔ)上，結(jié)合烏海市電網(wǎng)某35kV 變電站實際運行狀況與安全需求，在慮及電網(wǎng)承受單相接地電流的幅值與時間長度要求的基礎(chǔ)上，搭建變電站中性點不接地系統(tǒng)基于Matlab/simulink 平臺的仿真模型。通過該模型仿真模擬系統(tǒng)單相接地故障，采集分析故障和非故障線路的波形參數(shù)，為通過符合系統(tǒng)運行方式的精準(zhǔn)選線裝置快速查找發(fā)生單相接地故障線路提供必要的理論與技術(shù)支持。

2 某35kV變電站單相接地仿真建模研究

2.1 某35kV變電站系統(tǒng)圖及仿真建模說明

35kV 變電站系統(tǒng)仿真說明如下。一是某35kV變電站，主變?yōu)閮陕?5kV/6kV，6kV 系統(tǒng)為中性點不接地（經(jīng)消弧線圈接地）。6kV系統(tǒng)兩段母線并列運行，其進(jìn)出線為高壓電纜和架空線。二是仿真系統(tǒng)圖采用簡化方式，僅標(biāo)示出各路出線回路，包括相對應(yīng)的電纜型號及長度。三是本系統(tǒng)原有小電流接地選線裝置默認(rèn)始終處于投運狀態(tài)，同時通過仿真模擬大電流精準(zhǔn)選線裝置投入。四是系統(tǒng)仿真狀態(tài)按照6 種運行方式：系統(tǒng)單相金屬接地（消弧線圈和大電流精準(zhǔn)選線裝置不投入）小電流選線；系統(tǒng)單相金屬接地（消弧線圈投入，大電流精準(zhǔn)選線裝置不投入）小電流選線；系統(tǒng)單相金屬接地（消弧線圈和大電流精準(zhǔn)選線裝置均投入）小電流選線+大電流精準(zhǔn)選線；系統(tǒng)單相弧光接地（消弧線圈和大電流精準(zhǔn)選線裝置不投入）小電流選線；系統(tǒng)單相弧光接地（消弧線圈投入，大電流精準(zhǔn)選線裝置不投入）小電流選線；系統(tǒng)單相弧光接地（消弧線圈和大電流精準(zhǔn)選線裝置均投入）小電流選線+大電流精準(zhǔn)選線。烏海某變35kV 電站系統(tǒng)（簡化結(jié)構(gòu)）如圖1所示。

圖1 烏海某變35kV電站系統(tǒng)（簡化結(jié)構(gòu)）

2.2 某35kV變電站系統(tǒng)仿真模型及說明

6kV 系統(tǒng)單相接地故障模擬，設(shè)定系統(tǒng)處于6kV。I、II 段母線并列運行狀態(tài)，單相接地故障位置發(fā)生在系統(tǒng)出線電纜末端（按照系統(tǒng)接地故障極限狀態(tài)，暫不考慮6kV 系統(tǒng)母線接地），A 相接地，仿真分析時采用簡化方式。電纜和架空線封裝模塊如圖2所示，Cable_L5_2表示的是II段L5。

圖2 電纜和架空線封裝模塊

消弧線圈與大電流發(fā)生裝置如圖3所示。

圖3 消弧線圈（左）與大電流發(fā)生裝置（右）

9 層變電所1.25KM 的電纜選用Pipe-Type cable constant 模型。架空線選用PI 型模型，T_L7_1 表示I 段的L7 新建洗煤廠的架空線。采用ZigZag變壓器和一個消弧線圈，大電流發(fā)生器生成的電流是單相接地電流，在故障發(fā)生約20ms 后電流由地反送到母線（持續(xù)時間設(shè)置為60～100ms）。

單相接地故障如圖4所示，采用一個定時斷路器控制邏輯電路和一個斷路器模擬單相接地故障。

圖4 單相接地故障

單相電弧接地故障如圖5所示，采用定時斷路器控制邏輯電路，一個斷路器，一個設(shè)置為0～5Ω的接地電阻和一個受控可變電阻模擬單相電弧接地故障。受控可變電阻是基于改進(jìn)控制論的電弧模型，該電弧電導(dǎo)由電弧電流幅值，常量系數(shù)，電弧長度和經(jīng)驗系數(shù)β和實時測量的電弧電流共同決定。

圖5 單相電弧接地故障

2.3 某變電站系統(tǒng)單相接地仿真過程（波形）及分析

系統(tǒng)單相金屬接地（中性點消弧線圈和大電流精準(zhǔn)選線裝置均投入）小電流選線+大電流精準(zhǔn)選線。系統(tǒng)單相弧光接地（中性點消弧線圈和大電流精準(zhǔn)選線裝置均投入）小電流選線+大電流精準(zhǔn)選線。仿真采用波形數(shù)據(jù)為零序電流，其故障線路和非故障線路為隨機(jī)選擇。

2.3.1 6kV系統(tǒng)單相金屬性接地故障仿真

中性點諧振（中性點經(jīng)消弧線圈接地）接地系統(tǒng)+（單相接地故障：故障相A 相，接地電阻R=0Ω，故障發(fā)生時刻t=0.05s；持續(xù)時長0.20s）+（大電流發(fā)生裝置：60A；注入時刻：0.07秒；持續(xù)時間：0.10s）。發(fā)生單相金屬接地故障的出線設(shè)定為6kV II 段L5 1.25KM MYJV32 3×95 電纜（末端），6kV系統(tǒng)單相金屬接地零序電流穩(wěn)定最大值見表1。仿真模擬波形圖如圖6所示。

圖6 金屬性接地故障仿真模擬波形圖

表1 6kV系統(tǒng)單相金屬接地零序電流穩(wěn)定最大值(單位：A)

2.3.2 6kV系統(tǒng)單相弧光接地故障仿真

中性點諧振（中性點經(jīng)消弧線圈接地）接地系統(tǒng)+（弧光接地故障：故障相A 相，接地電阻R=5Ω，弧長5cm，故障發(fā)生時刻t=0.05s；持續(xù)時長0.15s） + （大電流發(fā)生裝置：60A；注入時刻：0.07 秒；持續(xù)時間：0.08s）。發(fā)生單相弧光接地故障的出線設(shè)定為6kV II 段 L5 1.25KM MYJV32 3＊95 電纜末端，仿真模擬波形圖如圖7所示。6kV系統(tǒng)單相弧光接地零序電流穩(wěn)定最大值見表2。

圖7 弧光接地故障仿真模擬波形圖

2.3.3 6kV系統(tǒng)單相接地故障仿真波形和數(shù)據(jù)分析

由圖6、圖7 的零序電流仿真波形和表1、表2零序電流數(shù)據(jù)的可知，6kV 系統(tǒng)在單相接地時，無論是金屬接地或弧光接地，故障線路的零序電流都由于中性點消弧線圈對接地電流的補(bǔ)償作用而抵消，反而小于非故障線路的零序電流。而大電流精準(zhǔn)選線裝置投入后，從故障線路采集到的接地故障零序電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非故障線路的零序電流（幾十倍）。

表2 6kV系統(tǒng)單相弧光接地零序電流穩(wěn)定最大值(單位：A)

3 結(jié)語

中性點不接地系統(tǒng)小電流接地選線裝置判定接地線路的主要判據(jù)是電流信號（零序電流）。電流信號過小是影響電流接地選線裝置正確判定接地故障線路的主要因素，在單相接地故障發(fā)生后，其故障線路中所產(chǎn)生零序電流屬于數(shù)值較小的系統(tǒng)對地電容電流，經(jīng)過和系統(tǒng)中性點消弧線圈補(bǔ)償電流相互抵消后，其數(shù)值變得更小。如采取諧波電流比零序電流的方法來判斷故障線路，往往會因為其電流信號太小，而導(dǎo)致接地回路零序電流低于非接地回路電流的現(xiàn)象，造成其故障線路選線不準(zhǔn)確[3]。這個結(jié)論符合近年來對中性點不接地系統(tǒng)單相接地選線的研究成果。

本系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障的線路，在大電流發(fā)生裝置投入后，會明顯增加所產(chǎn)生的大電流（零序電流）部分，電流值和電流方向明確，不受補(bǔ)償損失，不受系統(tǒng)干擾，不影響系統(tǒng)其他設(shè)備正常運行。因此，在本系統(tǒng)采用此種大電流接地選線的方式，可直接保障系統(tǒng)單相接地故障選線的成功率（99%），其準(zhǔn)確率遠(yuǎn)高于在本系統(tǒng)單獨使用小電流接地選線方式。