配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的仿真分析

郁嵐 倪偉

（淮陰工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

1 引言

電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式是一個(gè)綜合性的技術(shù)問題，它的確定是一個(gè)涉及到供電可靠性和連續(xù)性、配電網(wǎng)和線路結(jié)構(gòu)、過電壓保護(hù)和絕緣配合、繼電保護(hù)方式、設(shè)備和人身安全、通信干擾、系統(tǒng)穩(wěn)定等多方面因素的一個(gè)系統(tǒng)工程[1]。目前電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式有：中性點(diǎn)直接接地方式、不接地方式，經(jīng)電阻接地方式以及經(jīng)消弧線圈接地方式等多種類型。各種接地運(yùn)行方式的特點(diǎn)不同，適用范圍也不同。不同地區(qū)、不同特點(diǎn)的配電網(wǎng)，在不同的發(fā)展階段，對(duì)中性點(diǎn)接地方式的要求都不盡相同，因此就需要事先全面分析，進(jìn)行充分的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析，綜合考慮各種因素，確定具體適合系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式。同時(shí)在小電流接地系統(tǒng)中，單相接地故障的暫態(tài)分析是進(jìn)行故障選線和測(cè)距的基礎(chǔ)，對(duì)于配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的研究具有非常重要的意義。

2 單相接地故障原理分析

2.1 中性點(diǎn)不接地方式

中性點(diǎn)不接地的電力系統(tǒng)指中性點(diǎn)與大地之間沒有直接構(gòu)成回路，各相導(dǎo)線之間，導(dǎo)線與大地之間都有分布電容，且假設(shè)三相電力系統(tǒng)的電壓和線路參數(shù)都是對(duì)稱的。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相（如A相）接地故障時(shí)，如圖1（a）所示，則故障相（A相）對(duì)地電壓降為 0，非故障相電壓將升高為正常運(yùn)行時(shí)的線電壓，如圖1（b）所示。在圖1（b）中可以看出，在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，三相之間的線電壓仍然對(duì)稱，因此，用戶的三相用電設(shè)備仍能照常運(yùn)行，這是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)。我國有關(guān)規(guī)程規(guī)定，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，允許繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間，但不能超過兩個(gè)小時(shí)[2]。但必須指出，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地電流在故障處可能產(chǎn)生穩(wěn)定的或間隙性的電弧，間隙性電弧容易引起弧光接地過電壓，將危及整個(gè)電網(wǎng)的絕緣安全，這是這種接地方式存在的一個(gè)很大缺陷。

2.2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地

消弧線圈實(shí)際上是一鐵心可調(diào)的電感線圈，安裝在變壓器或發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)與大地之間[3]。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地故障相與消弧線圈構(gòu)成了另一個(gè)回路，接地電流中增加了一個(gè)感性電流，它和裝設(shè)消弧線圈前的電容電流方向相反，相互補(bǔ)償，減小了接地點(diǎn)電流，使電弧易于自行熄滅，從而避免了由此引起的各種危害，提高了供電可靠性，如圖2所示。

圖1

圖2

但是中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，系統(tǒng)過電壓幅值較高，對(duì)設(shè)備絕緣將造成較大威脅。并且消弧線圈無法補(bǔ)償諧波，諧波電流大時(shí)，接地電弧很難熄滅，這是中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式存在的固有缺點(diǎn)。

2.3 中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地

由于配電網(wǎng)中性點(diǎn)采用不接地或經(jīng)消弧線圈接地的運(yùn)行方式易造成接地電弧不易熄滅的缺點(diǎn)，而中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地運(yùn)行方式可以在系統(tǒng)中提供阻尼作用，加快線路上的殘余電荷的泄漏速度，降低故障相恢復(fù)電壓的上升速度，減小電弧重燃的可能性，從而限制電弧接地過電壓的幅值[8]，因此中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地的運(yùn)行方式可以有效避免弧光接地過電壓的產(chǎn)生，并使有選擇性的接地保護(hù)得以實(shí)現(xiàn)。

在實(shí)際應(yīng)用中一般將電阻和消弧線圈并聯(lián)使用，這樣在發(fā)生故障后可以通過消弧線圈來抵消線路上的容性電流，防止故障時(shí)電流較大對(duì)系統(tǒng)造成威脅，同時(shí)由于電阻的并入，會(huì)產(chǎn)生較大的阻性電流[11]。這個(gè)電流可以被用來實(shí)現(xiàn)選線。

傳統(tǒng)的分類把電阻分為高電阻、中電阻和小電阻三種形式。對(duì)于小電阻和中電阻接地，在發(fā)生故障時(shí)，由于電阻值較小，在接地點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生較大的電流，且不能夠被補(bǔ)償，所以造成故障線路電流較大，影響供電安全，所以一般很少采用。在采用高電阻接地的方式時(shí)，流過故障點(diǎn)的電流不會(huì)很大，可實(shí)現(xiàn)故障選線。本文采用高電阻接地的運(yùn)行方式。

3 單相接地故障仿真分析

3.1 仿真模型的建立

考慮目前城市建設(shè)的發(fā)展，電力電纜在城市中的大量使用，本文基于Matlab對(duì)一10kV中壓配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地系統(tǒng)進(jìn)行單相接地故障仿真，仿真模型如圖3所示。線路采用分布參數(shù)模塊。由于對(duì)于系統(tǒng)而言，在發(fā)生故障時(shí)，故障現(xiàn)象基本一致，為了減輕 Matlab的運(yùn)算量，本次仿真假設(shè)有4條出線，這4條出線均是架空線路和電纜線路的混合線路。架空線路用分布參數(shù)線路模擬，電纜用集中電容表示。4條架空線路長度分別為16、14、20、18km，電纜線路長度分別為10、12、8、7km。架空線路參數(shù)為 Z1=(0.45+j0.374)?/km，Z0=(0.6+j1.303)?/km。電纜線路參數(shù)為 Z1=?j6775.99?/km，Z0=?j7786.59?/km 。仿真中中壓電網(wǎng)的入端用35kV的三相電源代替，變壓器采用理想等效變壓器模型，變比取38.5/10.5kV，Y-Y連接方式。仿真時(shí)假定系統(tǒng)在0～0.03時(shí)三相對(duì)稱運(yùn)行，在0.03s用三相故障模塊模擬一單相接地故障（A相接地短路），根據(jù)接地點(diǎn)電壓與電流的波形，分析比較各種運(yùn)行方式在單相接地短路中的特點(diǎn)，便于選擇較好的接地方式。

圖3 中壓電網(wǎng)中性點(diǎn)接地系統(tǒng)仿真模型

3.2 中性點(diǎn)不接地方式仿真

根據(jù)圖3建立仿真模型，中性點(diǎn)不接地時(shí)，系統(tǒng)的接地點(diǎn)電壓電流的變化情況分別如圖4所示。

由仿真波形圖可以看出，仿真運(yùn)行結(jié)果基本符合單相接地故障的規(guī)律。在發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障相電壓為零，而非故障相電壓升高為線電壓。接地點(diǎn)電流幅值不大，且電流脈動(dòng)明顯，基本不符合正弦規(guī)律。

3.3 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式仿真

仿真模型同樣采用中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式的參數(shù)，在中性點(diǎn)加入合適的消弧線圈，從而抵消線路的電容電流，消弧線圈采用過補(bǔ)償接地方式。

電網(wǎng)常用過補(bǔ)償方式的消弧線圈補(bǔ)償度為

式中，p為補(bǔ)償度；IL為消弧線圈的電感電流；IC為電網(wǎng)電容電流之和。

圖4 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障接地點(diǎn)電流、電壓波形

對(duì)于穩(wěn)態(tài)基波分量而言，配電網(wǎng)單相金屬性接地電流Id等于配電網(wǎng)電容電流之和；中性點(diǎn)電壓Un等于相電壓。根據(jù)金屬行短路仿真測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算，可得消弧線圈的電感為

仿真過程中，補(bǔ)償度取3.5%，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障接地點(diǎn)電流、電壓波形

由仿真結(jié)果可以看出，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的電力系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)，與中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)一樣，非故障相電壓仍升高倍，三相導(dǎo)線之間的線電壓仍然平衡，電力用戶可以繼續(xù)運(yùn)行。同時(shí)，對(duì)故障電流而言，故障發(fā)生后，故障電流有明顯的暫態(tài)過程，消弧線圈對(duì)接地點(diǎn)電流具有一定的補(bǔ)償作用，故障電流明顯衰減，經(jīng)過一定時(shí)間的衰減過程后，電流可基本達(dá)到規(guī)程要求。

但是，由于電流的減小，使采用穩(wěn)態(tài)信號(hào)接地選線法進(jìn)行故障選線的裝置選線困難。盡管提出了利用5次諧波法來進(jìn)行選線，但由于系統(tǒng)中5次諧波含量較小，檢測(cè)靈敏度低，往往造成判斷不準(zhǔn)，在實(shí)際應(yīng)用中效果不理想。

3.4 中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方式仿真

中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地的仿真模型仍然采用圖1的模型，仿真時(shí)采用在中性點(diǎn)接入1000?電阻，以及高電阻并聯(lián)消弧線圈兩種運(yùn)行方式，同樣在A相發(fā)生接地故障。仿真波形如圖6、7所示。

圖6 中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地系統(tǒng)單相接地故障接地點(diǎn)電流、電壓波形

圖7 中性點(diǎn)經(jīng)高電阻并聯(lián)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障接地點(diǎn)電流、電壓波形

由仿真結(jié)果可以看出，采用高電阻并聯(lián)消弧線圈的接線方式，接地點(diǎn)電流幅值小并且基本按照正弦規(guī)律變化。比較兩種情況下的仿真結(jié)果可以看出，中性點(diǎn)采用高電阻并聯(lián)消弧線圈的接線方式，具有所有接地方式的優(yōu)點(diǎn)，是一種較好的接地方式，可有效地抑制故障電流，減小故障電流的幅值大小，并且由于電阻的加入，可以加強(qiáng)系統(tǒng)的阻尼作用，減小系統(tǒng)振蕩的危險(xiǎn)，降低電弧電壓的恢復(fù)速度和幅值，有利于系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

4 結(jié)論

配電網(wǎng)的中性點(diǎn)接地方式的選擇是一個(gè)復(fù)雜的綜合型問題。本文分別對(duì)中性點(diǎn)不接地、經(jīng)消弧線圈接地以及電阻接地三種接地方式進(jìn)行了仿真分析。通過仿真比較得出，中性點(diǎn)采用高電阻與消弧線圈并聯(lián)的接地方式，具有了電阻接地和經(jīng)消弧線圈接地方式各自的優(yōu)點(diǎn)，即有利于選線，又有利于系統(tǒng)安全。同時(shí)在繼電保護(hù)的參數(shù)整定時(shí)，可以采用比較簡單的零序保護(hù)，不必裝設(shè)比較復(fù)雜的零序方向保護(hù)，利用接地前后的零序有功電流增量作為檢測(cè)量，判斷故障線路，是一種理想的接地運(yùn)行方式。

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