陳珊

(國網(wǎng)新邵縣供電公司，湖南 新邵 422900)

基于Matlab的小電流接地選線技術(shù)仿真研究

陳珊

(國網(wǎng)新邵縣供電公司，湖南 新邵 422900)

介紹了小電流接地系統(tǒng)幾種接線方式，論述了目前小電流接地系統(tǒng)故障選線技術(shù)的工作原理，搭建了基于Matlab仿真軟件的10kV小電流接地系統(tǒng)，并對該模型進(jìn)行單相接地故障仿真，仿真結(jié)果表明，該模型能有效地反映10kV中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)單相接地故障的特征量，為小電流選線技術(shù)的研究提供一種有效的參考材料。

Matlab仿真；小電流接地；故障選線；電力系統(tǒng)

1 引言

在我國電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式分類有多種，其中最常用的一種是根據(jù)電網(wǎng)發(fā)生單相接地短路時(shí)流經(jīng)短路點(diǎn)電流大小分為大電流接地系統(tǒng)與小電流接地系統(tǒng)，大電流接地系統(tǒng)中又可分為中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)和中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)等。小電流接地系統(tǒng)分為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地系統(tǒng)以及中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)[1-2]。在我國，35kV及以下配電系統(tǒng)一般采用小電流接地系統(tǒng)運(yùn)行，其最常見的故障形式是單相接地故障，約占配網(wǎng)全部故障的70%。當(dāng)小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，由于流過故障點(diǎn)的短路電流小，三相間線電壓仍然對稱，因此對負(fù)荷供電影響不大，所以允許系統(tǒng)帶故障運(yùn)行一段時(shí)間。但是非故障相的相電壓升高到原來的倍，若長時(shí)間運(yùn)行，可能會(huì)使故障擴(kuò)大成兩點(diǎn)或者多點(diǎn)接地，此外當(dāng)發(fā)生弧光間歇性接地，由于中性點(diǎn)沒有電荷釋放通路，導(dǎo)致暫態(tài)過電壓[3-4]。因此當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)應(yīng)盡快確定故障線路，消除故障。多年的運(yùn)行情況表明，目前的小電流接地選線裝置的技術(shù)和原理尚不成熟，不能很好地選出故障線路，電力工作人員大多數(shù)情況只能依靠逐一拉合線路的方式尋找故障線路，所以對小電流接地系統(tǒng)單相接地故障進(jìn)行深入研究具有重要的意義。

2 中性點(diǎn)非有效接地接線方式介紹

2.1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)

圖1所示為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，由于中性點(diǎn)N不接地，因此沒有短路電流通路，三相線路仍然流過正常的負(fù)荷電流，線電壓仍然對稱，系統(tǒng)可以運(yùn)行一段時(shí)間，然而非故障相相電壓上升為線電壓，會(huì)對電氣設(shè)備絕緣造成威脅，所以系統(tǒng)不能長期運(yùn)行，在此期間應(yīng)盡快的查明并排除故障，或者進(jìn)行倒負(fù)荷操作。

圖1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)圖

實(shí)際上，對于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，由于線路存在對地電容，線路對地電容與接地故障點(diǎn)會(huì)形成容性電流通路，所以存在一個(gè)容性電流在導(dǎo)線和大地之間流通，而對地電容值很小，容抗很大，因此該電容性電流值不大。

2.2 中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地系統(tǒng)

圖2所示為中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地系統(tǒng)，其接地電阻值一般為數(shù)百歐姆至上千歐姆。中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地系統(tǒng)能消除大部分的諧振過電壓，對單相間歇性弧光接地過電壓過電壓具有一定抑制作用。然而流過中性點(diǎn)的零序電容性電流值很小。

圖2 中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地系統(tǒng)

2.3 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)

圖3所示為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，對固定調(diào)整抽頭的消弧線圈一般采用過過補(bǔ)償工作狀態(tài)，這樣是為了避免電網(wǎng)運(yùn)行發(fā)生變化，使消弧線圈處于全補(bǔ)償工作狀態(tài)，從而使得電網(wǎng)對地電容與消弧線圈的電感發(fā)生串聯(lián)諧振，造成諧振過電壓，使中性點(diǎn)位移電壓過高。

3 小電流接地選線原理

小電流接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障，如何快速準(zhǔn)確地找出故障線路是國內(nèi)外一直未能有效解決的難題?，F(xiàn)有的小電流接地選線原理如下：

圖3 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)

3.1 零序電流基波比幅、比相法

由于小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，理論上流過故障線路的零序電流幅值數(shù)值上等于所有非故障線路對地零序電容電流之和，電流方向是故障線路由線路流向母線，非故障線路由母線流向線路。因此，根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，可以判別出故障線路[5]。這類方法容易受線路長度、過渡電阻大小以及系統(tǒng)運(yùn)行方式等因素的影響。

3.2 零序諧波電流法

這種方法主要針對中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，消弧線圈是針對系統(tǒng)中零序基波分量進(jìn)行補(bǔ)償，因此對五次諧波分量不會(huì)進(jìn)行補(bǔ)償，即ωL=1/ωC而5ωL≠1/5ωC。

零序電流基波分量與零序電流五次諧波分量在中性點(diǎn)不同接地方式系統(tǒng)中均有著相同的特點(diǎn)，因此，利用零序電流比幅、比相法可以找出故障線路。該方法受負(fù)荷電流中五次諧波分量、過渡電阻大小等因素影響。

3.3 零序能量法

零序能量函數(shù)作如下定義：

線路中零序電流與零序電壓乘積的積分，即：

(1)

由于故障線路與非故障線路中零序電流方向相反，假設(shè)非故障線路中電流為正，那么故障線路中電流為負(fù)，非故障線路的能量函數(shù)總是正值，故障線路能量函數(shù)總是負(fù)值，并且故障線路能量絕對值等于其他非故障線路能量函數(shù)的總和，因此可以通過判斷零序能量函數(shù)的大小和方向選出故障線路。

4 基于Matlab的小電流接地系統(tǒng)仿真模型搭建

利用Matlab中的Simulink元件庫建立一個(gè)10kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，一個(gè)10kV中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，一個(gè)10kV中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地系統(tǒng)的模型，并利用該模型進(jìn)行仿真研究[6]。

(1)10kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)

10kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)仿真圖如圖4所示。

本模型采用三個(gè)單相電壓源作為電源，三相電壓相位互差120°，輸出線電壓為10kV,內(nèi)部接線為Y型接線。該模型共有四條饋線線路，每條饋線各帶1個(gè)負(fù)載，即Load1、Load2、Load3、Load4，負(fù)載有功分別為2MW、1MW、0.5MW、1.5MW，參數(shù)設(shè)置不影響結(jié)果的正確性。將線路3設(shè)為故障線路，設(shè)A相發(fā)生金屬性接地短路，仿真時(shí)間0.3s，A相短路時(shí)間0.1～0.2s,仿真結(jié)果如下所示：①母線三相電壓與三相電流，其波形如圖5、圖6所示。

圖4 10kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)仿真圖

圖5 母線三相電壓波形

由圖5可知，線路未發(fā)生短路故障時(shí)三相電壓平衡對稱，0.1～0.2s期間發(fā)生A相短路故障時(shí)，A相電壓幾乎降為0，B、C相電壓上升為線電壓，0.2s后，故障切除，三相電壓恢復(fù)對稱。由圖6可知，整個(gè)仿真期間，三相電流平衡，保持不變。無論是故障線路還是非故障線路，其三相電壓與電流波形圖均與圖5、圖6一致。

②中性點(diǎn)電壓波形圖

由圖7可知，中性點(diǎn)電壓在故障期間約為相電壓，非故障期間為0。

③故障相零序電流波形

由圖8可知，發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障線路的存

圖7 中性點(diǎn)電壓波形圖

圖8 故障相零序電流圖

在的零序電流，故障切除后，零序電流也消失。

(2)10kV中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)仿真圖如圖9所示：

① 非故障線路三相電流波形圖

由圖10可知，非故障線路三相電流基本平衡。

②故障線路三相電流波形圖

由圖11可知，線路發(fā)生故障后，故障相電流，稍高于非故障相電流。

③故障相零序電流

由圖12 可知，經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償后，故障電流幅值有明顯的降低。

(3)10kV中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地系統(tǒng)

圖9 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)仿真圖

圖10 非故障線路三相電流波形圖

圖11 故障線路三相電流波形圖

圖12 故障相零序電流波形圖

即將圖9中的中性點(diǎn)接消弧線圈改為電阻即可，電阻值一般為幾百歐至上千歐。本文取中性點(diǎn)電阻為1000Ω。

①非故障線路的電流波形如圖13所示。

由圖13可知，故障相電流值比非故障相要大。

②故障相零序電流波形如圖14所示。

圖13 中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地系統(tǒng)非故障相電流波形圖

圖14 中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地系統(tǒng)故障相零序電流波形圖

③故障相三相電流波形圖

由圖14、15可知，故障相電流值比非故障相要大，零序電流量也很明顯，因此可以作為故障選線的判據(jù)。

圖15 中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地系統(tǒng)非故障相電流波形圖

5 結(jié)論

對小電流接地系統(tǒng)單相接地故障進(jìn)行準(zhǔn)確的仿真對推進(jìn)小電流選線技術(shù)的進(jìn)步具有重要的意義。本文采用搭建小電流接地系統(tǒng)的Matlab仿真模型的方式模擬該系統(tǒng)的單相接地故障，仿真結(jié)果表明，本文搭建的仿真系統(tǒng)能準(zhǔn)確的反應(yīng)小電流接地系統(tǒng)的單相接地故障，為研究小電流接地選線技術(shù)提高了一個(gè)有力的研究模型。

[1] 賀家李，宋從矩.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理[M].3版，中國電力出版社,1994.

[2] 要煥年，曹梅月.電力系統(tǒng)諧振接地[M].中國電力出版社,2000.

[3] 李福壽.中性點(diǎn)非有效接地電網(wǎng)的運(yùn)行[M].水利電力出版社,1993.

[4] 方瑜.配電網(wǎng)過電壓[M].中國電力出版社,1994.

[5] 賀家李，宋從矩.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理[M].3版，中國電力出版社,1994.

[6] 于群，曹娜.MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

Simulation Research on Small Current Earth Selecting Technology Based on Matlab

CHENShan

(Xinshao Power Supply Company of State Grid,Xinshao 422900,China)

The paper presents several connection wire ways of a small current earth system,expunds the working principle of the selecting technique of the small cuurrent earth system fault,sets up 10kV small current earth system based on matlab simulation software and carries out single-phase earth fault simulation for the model.The simulation shows that the model can offectively reflect the single-phase earth characteristic amount of 10kV neutral point non-effective earth system.It is effective reference information for small current selecting wire technique research.

matlab simulation;small current earth;fault selecting wire;power system

1004-289X(2015)05-0073-05

TM71

B