張 旭

（同煤集團(tuán)機(jī)電裝備公司， 山西 大同 037000）

引言

隨著電力系統(tǒng)容量的日漸增加，系統(tǒng)中發(fā)生故障時(shí)的單相短路電流也在不斷增加，其數(shù)值極有可能超過三相短路電流，對斷路器的遮斷容量產(chǎn)生進(jìn)一步的影響，將會產(chǎn)生變電站設(shè)備的損壞后果[1-3]。在電力系統(tǒng)中，通常將三相短路電流作為斷路器的遮斷容量基準(zhǔn)，所以，在實(shí)際的運(yùn)行中會出現(xiàn)斷路器不能夠切斷單相短路電流的情況，使系統(tǒng)的正常運(yùn)行受到了嚴(yán)重的影響。其中，由于單相短路電流值過大，將會嚴(yán)重的影響到變壓器繞組的安全。110 kV變電站是電力系統(tǒng)的重要組成部分，選擇變壓器的單相接地故障中性點(diǎn)不接地方式對電網(wǎng)起著至關(guān)重要的作用，特別是安全性和經(jīng)濟(jì)性[4-5]。

1 110 kV變電站概述

變電站110 kV側(cè)為進(jìn)線發(fā)生單相接地故障，對側(cè)線路開關(guān)跳開后，本站110 kV側(cè)變?yōu)椴唤拥叵到y(tǒng)，此時(shí)，系統(tǒng)的三相電壓與中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)的三相電壓特性相符合。

若連接到電源中性點(diǎn)的開關(guān)K打開時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)。中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)中單相接地故障示意圖如圖1所示。

圖1 單相接地故障穩(wěn)態(tài)分析

圖1 中：=3Uφω（C0∑-C0II）；、分別表示等效的三相電源電動勢；COS表示電源的單相對地分布電容；C0I、C0II分別表示線路 I、II的單相對地分布電容。

正常運(yùn)行下的中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，三相電壓對稱且三相對地電容電流之和等于零。假設(shè)在線路II上發(fā)生A相接地故障，則此相對地電壓降為零，其對地電容被短接，B相和C相的電壓分別升高為原來的倍，此時(shí)電網(wǎng)中有零序電壓的出現(xiàn)，且大小等于電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)的相電壓。

線路I為非故障線路，其中，A相中電流為零，B相和C相中都流有自身的電容電流，所以零序電流為：

該零序電流的有效值的大?。?/p>

即零序電流為本身的電容電流。非故障線路II上的B相與C相流過的電流是它本身的對地電容電流、，與非故障的線路一樣，但是不相同的是全系統(tǒng)的B相和C相對地電容電流之總和與接地點(diǎn)流回的電流相同，其值是：

其有效值的大小：

式（4）中：C0∑為系統(tǒng)每相對地電容的總和。

上述的電流要從故障相A流回去，則線路II始端所流過的零序電流是：

其有效值的大?。?/p>

全系統(tǒng)非故障元件對地電容電流的總和（不包括故障線路本身）與故障線路流向母線的零序電流的大小相等。

2 線路空載

線路正常運(yùn)行時(shí)，本站110 kV為接地系統(tǒng)。規(guī)定變壓器接受功率一側(cè)的繞組為一次繞組，輸出功率一側(cè)的繞組為二次繞組，二次繞組的作用相當(dāng)于供電設(shè)備，額定電壓規(guī)定比系統(tǒng)的額定電壓高10%，因此變壓器變比設(shè)為220/121，空載正常運(yùn)行下三相電壓的瞬時(shí)值計(jì)算為98.78 kV。經(jīng)PSCAD仿真，其三相電壓瞬時(shí)值為98.32 kV，仿真波形如圖2所示：

圖2 空載正常運(yùn)行下三相電壓的瞬時(shí)值

若線路上的故障為單相接地永久性故障，將模型中的重合閘元件進(jìn)行仿真，斷路器的動作如圖3所示：

圖3 重合閘斷路器動作情況

由圖3可見，斷路器在1 s跳開切除故障，經(jīng)0.3 s的延時(shí)于1.3 s重合，因重合于永久性故障，再經(jīng)0.1 s的延時(shí)動作于斷路器，再次切除故障。

110 kV進(jìn)線由于距離保護(hù)和零序保護(hù)，跳開斷路器。此時(shí)本站110 kV變?yōu)橹行渣c(diǎn)不接地系統(tǒng)，經(jīng)PSCAD仿真，其信號仿真波形如圖4所示：

分析圖4可知：故障線路發(fā)生A相接地故障，該相對地電壓降為零，B相和C相的電壓升高。由于架空線的作用，導(dǎo)致B相和C相的電壓開始衰減。

3 線路末端負(fù)荷側(cè)為大型異步電機(jī)

根據(jù)礦方統(tǒng)計(jì)可知，該110 kV變電站的負(fù)荷側(cè)，線路末端負(fù)荷側(cè)主要為異步電機(jī)，總負(fù)荷約10000 kW。因此本文仿真模型中，負(fù)荷側(cè)選用PSCAD庫中的鼠籠式感應(yīng)式電機(jī)模型元件，電壓為10 kV（線電壓有效值），頻率為50 Hz（工頻），額定功率為10 MW。

圖4 單相接地故障空載三相電壓

與線路空載時(shí)相同，發(fā)生單相接地故障，設(shè)置A相接地故障，故障的開始時(shí)間設(shè)置為1 s。故障在1 s發(fā)生時(shí)，斷路器正確動作（如圖4）。此時(shí)對于距離保護(hù)模型，其整定的方向阻抗圓及保護(hù)安裝處所測量到的阻抗變化曲線（如圖3），距離保護(hù)模塊所測量的阻抗值小于距離I段整定值而進(jìn)入阻抗圓內(nèi)，保護(hù)動作于斷路器以切除故障。

110 kV進(jìn)線由于保護(hù)動作于斷路器切除故障，經(jīng)PSCAD仿真，此時(shí)其信號仿真波形如圖5所示：

圖5 負(fù)載側(cè)為大型異步電機(jī)時(shí)單相接地故障三相電壓

4 結(jié)論

1）通過仿真當(dāng)線路空載和線路末端負(fù)荷側(cè)為大型異步電機(jī)兩種情況，設(shè)置單相接地故障，分析仿真波形圖，驗(yàn)證了該110 kV變電站距離保護(hù)、零序電流保護(hù)的正確整定，從而使斷路器正確跳開。

2）對比并分析兩種情況下，故障三相電壓的瞬時(shí)值，由于大型異步電機(jī)突然停電后，會產(chǎn)生反電動勢，從而使非故障相的電壓升高幅值大于線路空載時(shí)非故障相的電壓幅值大小。