王 卓

（國(guó)網(wǎng)勉縣供電公司，陜西 漢中 723000）

0 引 言

供電安全是電力系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中必須重點(diǎn)考慮的因素之一。在電力系統(tǒng)中，配電系統(tǒng)屬于其重要組成部分，能夠直接影響供電性能，進(jìn)而對(duì)用戶的用電體驗(yàn)造成一定影響。分布式電源（Distributed Generation，DG）指發(fā)電容量較小、與配網(wǎng)系統(tǒng)連接，且分散在用電負(fù)荷周圍的一種發(fā)電形式，具有成本低、損耗小、可再生、節(jié)約用電及幫助配網(wǎng)系統(tǒng)削峰填谷等重要優(yōu)勢(shì)[1]。因此，文章對(duì)含DG 的配網(wǎng)系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式設(shè)計(jì)策略進(jìn)行深入研究。

1 含DG 的配網(wǎng)系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式設(shè)計(jì)

在實(shí)踐中，配網(wǎng)系統(tǒng)的不同接地方式存在不同的缺點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，DG 的并入會(huì)在一定程度上提升配網(wǎng)系統(tǒng)的工作復(fù)雜性，中性點(diǎn)接地需要綜合考慮不同接地方式的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)、DG 接地方式與配網(wǎng)系統(tǒng)的沖突情況等。在此基礎(chǔ)上，才能開展中性點(diǎn)接地方式的設(shè)計(jì)分析[2]。優(yōu)化策略如圖1 所示。

圖1 含DG 的配網(wǎng)系統(tǒng)中性點(diǎn)接地優(yōu)化方案

從理論角度看，配網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)通常可以分成正常運(yùn)行狀態(tài)、單相接地故障2 種基本情況。一是配網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行，即一般情況，此時(shí)中性點(diǎn)不接地，圖1 中3 個(gè)開關(guān)表現(xiàn)為Q1閉合、Q2斷開、Q3斷開，整個(gè)DG 處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，P 點(diǎn)閉合，同時(shí)并網(wǎng)變壓器中性點(diǎn)不接地，即P1閉合[3]。二是單相接地故障，有效值小于10 A。此時(shí)，故障點(diǎn)電流可自行熄滅，配網(wǎng)系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地、DG 保持并網(wǎng)，并網(wǎng)變壓器中性點(diǎn)不接地，對(duì)于系統(tǒng)側(cè)的接地方式不會(huì)產(chǎn)生消極影響。三是單相接地故障，有效值大于10 A。此時(shí)，故障點(diǎn)電流無法自行熄滅，接地系統(tǒng)滅弧，3 個(gè)開關(guān)表現(xiàn)為Q1斷開、Q2閉合、Q3斷開，中性點(diǎn)經(jīng)銷弧線圈接地。在該場(chǎng)景中，DG 會(huì)保持正常運(yùn)行，并網(wǎng)變壓器中性點(diǎn)不接地[4]。

2 中性點(diǎn)接地方案仿真建模

2.1 故障點(diǎn)采集模塊

故障點(diǎn)采集模塊的仿真建模思路是將電流有效值作為故障判定指標(biāo)，當(dāng)該數(shù)值大于閾值時(shí)，即判定系統(tǒng)存在故障。在仿真過程中，該系統(tǒng)仿真包括有效值計(jì)算、故障通告功能等[5]。實(shí)際運(yùn)行過程中，當(dāng)故障電流大于閾值時(shí)，為避免誤動(dòng)作，需要計(jì)算電流超閾值持續(xù)時(shí)間，如果超出50 ms，則會(huì)觸發(fā)故障通告模塊，提示技術(shù)人員該模塊出現(xiàn)故障。

2.2 中性點(diǎn)接地模塊

中性點(diǎn)接地模塊是本次研究的核心模塊，主要由接地預(yù)處理模塊、接地回路模塊組成。

接地預(yù)處理模塊的仿真包括定時(shí)功能、故障區(qū)間識(shí)別功能以及接地控制信號(hào)功能等。在實(shí)際運(yùn)行過程中，需要綜合考慮故障存在標(biāo)志、電流、區(qū)間接地方式以及接地回路的選擇等內(nèi)容，并生成控制信號(hào)輔助完成接地回路的接入工作[6]。接地回路模塊的仿真主要包括多路控制開關(guān)、接地回路。在實(shí)踐中，該模塊主要包括3 種節(jié)點(diǎn)回路，即不接地、消弧線圈、小電阻。

2.3 故障模擬模塊

故障模擬模塊主要涵蓋2 種故障類型，即短路故障和消弧線圈故障，通過模擬實(shí)際工作場(chǎng)景完成故障設(shè)計(jì)。其中，短路故障擬定為持續(xù)3 s 的單相對(duì)地短路故障，消弧線圈故障主要是為了模擬發(fā)生故障階段本應(yīng)接入消弧線圈時(shí)的故障情況。

在上述工作背景下，對(duì)本次中性點(diǎn)接地優(yōu)化方案的工作情況和效果進(jìn)行判定，即判定故障后的動(dòng)作能否保證系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到預(yù)期水平，實(shí)時(shí)控制、故障模擬由MATLAB Function 輔助完成[7]。

2.4 DG 與接地回路模塊

DG 與接地回路模塊主要包括DG 模塊、DG 并網(wǎng)開關(guān)、DG 接地回路。其中，DG 模塊受限于控制邏輯，當(dāng)中性點(diǎn)為小電阻且持續(xù)一段時(shí)間后，即可斷開并網(wǎng)狀態(tài)。同時(shí)，DG 存在不接地、小電阻接地2 種基本接地方式，其中并網(wǎng)狀態(tài)為不接地，獨(dú)立運(yùn)行為小電阻接地。

3 流程設(shè)計(jì)

流程設(shè)計(jì)共分為4 個(gè)階段，可在3.2 s 內(nèi)完成故障清除，具體流程設(shè)計(jì)如下。

第一階段，即0 ～0.2 s，系統(tǒng)正常運(yùn)行，接地方式為不接地。第二階段，即0.2 ～1.2 s，系統(tǒng)模擬單向?qū)Φ囟搪饭收?，此時(shí)接地方式為消弧線圈接地。第三階段，即1.2 ～2.2 s，系統(tǒng)同樣模擬單向?qū)Φ囟搪饭收希瑫r(shí)模擬消弧線圈故障，此時(shí)接地方式為小電阻接地并斷開主回路。第四階段，即2.2 ～3.2 s，系統(tǒng)重新閉合主回路斷路器，同時(shí)恢復(fù)正常連接，并清除所有故障[8]。

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 架空線路的仿真結(jié)果與分析

4.1.1 小型架空線路

為保證線路末端電壓的穩(wěn)定運(yùn)行，需要結(jié)合現(xiàn)實(shí)情況擬定3 條較短的線路，即長(zhǎng)度均為20 km、帶負(fù)荷運(yùn)行的架空線路。在中性點(diǎn)不接地狀態(tài)下，發(fā)生單相接地故障時(shí)的運(yùn)行情況即為本次模擬的內(nèi)容。首先，穩(wěn)態(tài)電流的有效值在10 A 以下，系統(tǒng)側(cè)中性點(diǎn)不接地開關(guān)保持在閉合狀態(tài)，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地開關(guān)處于斷開狀態(tài)，中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地開關(guān)處于斷開狀態(tài)[9]。其次，消弧線圈裝置并未投入使用，定時(shí)器處于休止?fàn)顟B(tài)，即斷開，故障可自行消除，中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地開關(guān)處于斷開狀態(tài)。DG 側(cè)中性點(diǎn)接地方式保持不變，不接地開關(guān)閉合，小電阻接地開關(guān)保持在斷開狀態(tài)。最后，系統(tǒng)故障電流在10 A 以下時(shí)，故障電弧可自行熄滅。

4.1.2 大型架空線路

在實(shí)踐中，如果電網(wǎng)存在改造、增容、擴(kuò)建等情況，會(huì)導(dǎo)致線路容性電流增大、饋線增加。在本次研究中，擬定饋線條數(shù)為8 條，電纜線路的長(zhǎng)度均為35 km。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地裝置的動(dòng)作情況如下：一是穩(wěn)態(tài)故障電流的有效值在10 A以上，系統(tǒng)側(cè)中性點(diǎn)不接地開關(guān)由閉合轉(zhuǎn)向斷開狀態(tài)，消弧線圈接地開關(guān)由斷開轉(zhuǎn)向閉合狀態(tài)，中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地開關(guān)繼續(xù)保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。二是消弧線圈裝置投入使用，在1 s 之后，判定滅弧失敗，定時(shí)器由斷開轉(zhuǎn)向閉合狀態(tài)，接地開關(guān)表現(xiàn)為小電阻接地，整個(gè)供電安全性顯著提升。從整體角度來看，中性點(diǎn)復(fù)合接地方式能夠在有效判斷故障電流的基礎(chǔ)上，選擇合適的接地方式。根據(jù)故障情況，在0.2 s 處，系統(tǒng)發(fā)生單相故障，在不考慮故障電流水平的背景下，判斷中性點(diǎn)動(dòng)作裝置延時(shí)0.05 s 對(duì)故障電流有效值的影響。此時(shí)故障電流在10 A 以上，無法實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的電弧自動(dòng)熄滅。在這一背景下，中性點(diǎn)裝置轉(zhuǎn)換小弧線圈接地，可以對(duì)故障點(diǎn)電流做出有效補(bǔ)償。一般而言，補(bǔ)償后的電流應(yīng)在0 A 左右，可以實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的電弧自動(dòng)熄滅，有效保證分布式電源運(yùn)行安全。

4.2 電纜線路的仿真結(jié)果與分析

電纜線路也是實(shí)際工作場(chǎng)景中的重要線路類型。與架空線路相比，電纜線路的先進(jìn)性更強(qiáng)，容性電流相對(duì)較大，在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，對(duì)地電容、電流較大，導(dǎo)致電弧難以自行熄滅。在這一背景下，電弧存在的問題很可能導(dǎo)致故障點(diǎn)絕緣損壞，進(jìn)而誘發(fā)兩相、三相短路故障，影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行。與架空線路相比，電纜線路存在一定的特殊性，即在一般情況下，電纜線路電阻、電納會(huì)略大于同電壓等級(jí)的架空線路，電抗會(huì)略小于同電壓等級(jí)的架空線路[10]。

該中性點(diǎn)接地優(yōu)化方案不僅能夠準(zhǔn)確判斷故障點(diǎn)電流，還能夠?qū)μ囟ㄩ_關(guān)進(jìn)行控制，切換中性點(diǎn)接地方式，確保DG 并網(wǎng)狀態(tài)、離網(wǎng)狀態(tài)均可正常運(yùn)行。

5 結(jié) 論

文章以含DG 的配網(wǎng)系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式為研究對(duì)象，通過理論分析、模型建設(shè)等方式確定配電網(wǎng)在不同工作場(chǎng)景下的運(yùn)行特征，并提出了相應(yīng)方案。通過分析該方案在架空線路、電纜線路兩種工作場(chǎng)景中的可行性發(fā)現(xiàn)，該方案能夠保證系統(tǒng)根據(jù)故障類型進(jìn)行接地方式的智能化選擇，不僅能避免傳統(tǒng)工作背景下但凡遇到故障就會(huì)選擇小電阻接地，進(jìn)而影響供電穩(wěn)定性的問題，還能彌補(bǔ)消弧線圈接地由于線圈容量不足可能誘發(fā)的線路安全問題。同時(shí)，可以為分布式電源獨(dú)立帶負(fù)荷運(yùn)行提供必要的安全保障。總之，本文研究的接地方案能夠在一定程度上保證供電的安全與可靠。