黃少鋒，鄭 濤

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206)

0 引言

在“電力系統(tǒng)暫態(tài)分析”的課程中，對于單相接地的故障分析，采用的是對稱分量法，并以大電流接地系統(tǒng)為例，根據(jù)故障端點處的邊界條件形成相應(yīng)的復(fù)合序網(wǎng)圖［1］。但對于中性點非直接接地的小電流接地系統(tǒng)，我們不會采用上述方法進(jìn)行分析。

根據(jù)中性點接地方式，電力系統(tǒng)可分為兩大類:一類是大電流接地系統(tǒng)，即中性點直接接地系統(tǒng);另一類是小電流接地系統(tǒng)，包括中性點不接地、中性點經(jīng)消弧線圈接地及中性點經(jīng)電阻接地系統(tǒng)［2，3］。中性點接地方式對復(fù)合序網(wǎng)圖的形成過程會產(chǎn)生一定的影響。因為在中性點非直接接地的系統(tǒng)中，系統(tǒng)的零序電流沒有直接形成通路，而是通過線路對地耦合電容產(chǎn)生的電容電流形成通路，因此在以前的分析中，我們都是利用零序等效網(wǎng)絡(luò)圖，通過零序電流在電容中的分布情況來進(jìn)行分析。相較于復(fù)合序網(wǎng)法，這種零序序網(wǎng)分析法在分析時僅考慮零序電流，而不會涉及到正負(fù)序電流，學(xué)生學(xué)習(xí)時不清楚正負(fù)序電流的分布是否與零序相同，容易產(chǎn)生混淆。并且在學(xué)習(xí)零序序網(wǎng)法時，我們是通過對三相系統(tǒng)表示的電容電流分布圖進(jìn)行化簡得到的零序等效網(wǎng)絡(luò)圖，等效化簡的過程相對比較復(fù)雜，大部分學(xué)生沒有真正理解其中的電流分布的物理過程。

本文以一個簡單系統(tǒng)為例，在以前使用方法的基礎(chǔ)上引入對地等值電容，并分析對地等值電容對單相接地故障下復(fù)合序網(wǎng)圖形成過程產(chǎn)生的影響，提出一種通用的復(fù)合序網(wǎng)分析模型，以統(tǒng)一不同中性點接地方式下發(fā)生單相接地故障的分析方法。

1 大電流接地系統(tǒng)下的復(fù)合序網(wǎng)

以圖1中所示系統(tǒng)為例分析單相接地故障下復(fù)合序網(wǎng)的形成過程。

圖1 系統(tǒng)某處發(fā)生單相接地故障

假設(shè)大電流接地系統(tǒng)某處發(fā)生A相接地故障，利用復(fù)合序網(wǎng)進(jìn)行故障分析，復(fù)合序網(wǎng)的構(gòu)成方式由故障邊界條件確定。對單相接地故障，各序分量的關(guān)系為［4，5］

根據(jù)式(1)，單相接地故障情況下的系統(tǒng)復(fù)合序網(wǎng)如圖2所示。系統(tǒng)綜合阻抗用Z∑表示，為系統(tǒng)開路電壓。

圖2 大電流系統(tǒng)單相接地故障復(fù)合序網(wǎng)圖

2 小電流接地系統(tǒng)下的復(fù)合序網(wǎng)

當(dāng)大電流接地系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，由于在系統(tǒng)中形成了零序回路，故可以直接利用復(fù)合序網(wǎng)進(jìn)行故障分析。但對小電流接地系統(tǒng)而言，由于在形成零序網(wǎng)時，構(gòu)成的元件有所不同，故如圖2所示的復(fù)合序網(wǎng)圖不再適用于小電流接地系統(tǒng)。

中性點不接地，實際上是經(jīng)過集中于電力變壓器中性點的等值電容(絕緣狀態(tài)欠佳時還有泄漏電阻)接地的，故中性點不接地系統(tǒng)可以視為經(jīng)容抗接地的系統(tǒng)，該電容是由電網(wǎng)中電纜、架空線路、電機(jī)和變壓器等所有電氣裝置的對地耦合電容所組成的。當(dāng)其發(fā)生單相接地故障時的接地電流分布如圖3所示。由于流經(jīng)故障點的穩(wěn)態(tài)電流是單相對地電容電流，所以與中性點直接接地系統(tǒng)相比故障電流很小。

圖3 中性點不接地時單相接地電流分布圖

當(dāng)發(fā)生A相接地故障時，A相對地電壓為零，線電壓不變，而B和C兩相對地電壓升高倍，數(shù)值上與線電壓相等。由圖3可知，從故障點處A相接地點流過的電流是全系統(tǒng)非故障相電容電流之和:。故障時單相接地電流值為正常一相電容電流值的3倍。

同理，對于中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，其單相故障接地電流分布如圖4所示。

圖4 經(jīng)消弧線圈接地單相接地電流分布

與中性點不接地系統(tǒng)不同之處在于，因在接地點增加了一個電感分量電流，此時接地點的總電流。由于電感電流與電容電流方向相反，故接地電流會因消弧線圈的補(bǔ)償而減小。

由此可見，當(dāng)小電流接地系統(tǒng)下發(fā)生單相接地故障時，無法直接采用如圖2所示的復(fù)合序網(wǎng)圖進(jìn)行分析。考慮到在中性點非直接接地系統(tǒng)中接地電流分布圖增加了對地電容元件，可以通過在圖2的基礎(chǔ)上增加對地電容元件來表示中性點非直接接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時的復(fù)合序網(wǎng)圖。

2.1 中性點不接地系統(tǒng)下復(fù)合序網(wǎng)圖

中性點不接地系統(tǒng)下的復(fù)合序網(wǎng)如圖5所示。

圖5 中性點不接地系統(tǒng)K(1)復(fù)合序網(wǎng)

圖5中，C1、C2和C0分別表示對地等值電容的正序分量、負(fù)序分量及零序分量，且平均分布在相應(yīng)的系統(tǒng)綜合序阻抗的兩側(cè)，形成π型等值電路。

我們做如下化簡:根據(jù) 1/ωC0?Z∑(0)，因此 π型等值電路可以只考慮起主要作用的部分，從而可忽略Z∑(0)的影響;忽略負(fù)序網(wǎng)中左側(cè)被短接的電容。因此可得到簡化的復(fù)合序網(wǎng)，如圖6所示。

圖6 中性點不接地系統(tǒng)化簡復(fù)合序網(wǎng)

用上述化簡方法同樣可忽略圖6中C2/2、Z∑(2)和Z∑(1)的影響，從而得到該故障情況下的復(fù)合序網(wǎng)的最簡形式，如圖7所示。

圖7 中性點不接地系統(tǒng)K(1)最簡形式序網(wǎng)圖

2.2 中性點經(jīng)消弧線圈接地

若圖4所示的系統(tǒng)的中性點經(jīng)消弧線圈接地(過補(bǔ)償且線圈感抗值為Xd)，則當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生K(1)時，復(fù)合序網(wǎng)圖如圖8所示。

圖8 經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)K(1)復(fù)合序網(wǎng)

對圖8所示的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行化簡，正序網(wǎng)絡(luò)和負(fù)序網(wǎng)絡(luò)部分的化簡過程和圖5相同，零序網(wǎng)絡(luò)部分的化簡如下:根據(jù)1/ωC0＜3Xd且 1/ωC0?Z∑(0)，可忽略Z∑(0)的影響。最終化簡結(jié)果如圖9所示。

圖9 經(jīng)消弧線圈接地K(1)最簡復(fù)合序網(wǎng)

3 不同接地系統(tǒng)復(fù)合序網(wǎng)統(tǒng)一模型

對中性點不接地系統(tǒng)和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，發(fā)生單相接地故障時，復(fù)合序網(wǎng)圖都可以用圖10來表示。

圖10 不同接地系統(tǒng)復(fù)合序網(wǎng)圖統(tǒng)一模型

若圖10中虛線區(qū)域為短接形式，則該復(fù)合序網(wǎng)圖對應(yīng)大電流接地系統(tǒng)，如圖11所示。

圖11 大電流接地系統(tǒng)發(fā)生K(1)時復(fù)合序網(wǎng)

利用上一節(jié)的化簡方法，我們可以將圖11中的對地等值電容全部忽略，化簡后得到的復(fù)合序網(wǎng)圖和圖1是一致的。因此，圖10所示的復(fù)合序網(wǎng)圖模型適用于不同接地系統(tǒng)。

4 結(jié)語

本文通過引入對地等值電容，給出了適用不同接地系統(tǒng)下發(fā)生單相接地故障的復(fù)合序網(wǎng)圖統(tǒng)一模型，接地方式的變化只需要更改零序網(wǎng)絡(luò)部分的接線形式，利用該模型可以實現(xiàn)不同接地系統(tǒng)的單相接地故障的統(tǒng)一分析。且通過使用統(tǒng)一的復(fù)合序網(wǎng)法，突出了中性點直接接地與非直接接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時的區(qū)別和聯(lián)系，加深學(xué)生對這部分知識的理解和認(rèn)識，對兩種方法進(jìn)行統(tǒng)一貫通，增強(qiáng)學(xué)生分析不同故障情況的能力。

我們將本文的分析方法引入課堂后，可以達(dá)到如下的教學(xué)效果:①擯棄小電流接地系統(tǒng)原有的復(fù)雜、且難以記憶的方法，代之以學(xué)生熟悉的復(fù)合序網(wǎng)方法，概念清晰，容易理解與記憶;②將各種接地方式的不同分析方法都統(tǒng)一為復(fù)合序網(wǎng)圖;③引導(dǎo)學(xué)生利用已知的知識進(jìn)行分析和思路的開拓。

［1］ 李光琦 編著.電力系統(tǒng)暫態(tài)分析(第三版)［M］.北京:中國電力出版社，2007

［2］ 張保會，尹項根等 編著.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)［M］.北京:中國電力出版社，2007

［3］ 陳珩 編著.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析(第三版)［M］.北京:中國電力出版社，2007

［4］ 袁欽成等編著.配電系統(tǒng)故障處理自動化技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2007

［5］ 何仰贊，溫增銀 編著.電力系統(tǒng)分析.上冊［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2002