基于RTDS的大接地電流系統輸電線路接地故障分析

霍永紅，李洪戰，宋志明，王 莉

（山東電力職工技能培訓中心，山東 泰安 271000）

0 引言

110 kV及以上系統屬于大接地電流系統，當發生接地故障后，電壓和電流的變化比較復雜。采取有效的方法進行分析，幫助運行人員做出正確的決策，保證供電的可靠性意義重大。通常采用的方法是利用對稱分量法，求出故障后的電壓，電流等參數量，再進行定性的分析［1］，但根據多年的培訓和教學實際工作經驗,發現這種方法需要畫出各參數的相量圖，復雜且抽象，不利于掌握，這已經成為擺在現場變電運行和繼電保護維護人員面前的難題，影響了現場工作人員對保護的動作行為和特性的進一步分析。如何提高培訓質量，使復雜的過程淺顯化，使抽象的問題形象化，迫切需要一種簡單易行、便于理解和掌握的方法。采用加拿大進口的RTDS（Real Time Digital Simulator）設備，搭建了一個220 kV單側電源供電系統的模型，專門設置各種接地故障，獲取波形，形象、直觀地分析大接地電流系統發生接地故障時電壓和電流等參數的變化特點，便于學員理解和掌握。

1 系統模型介紹

1.1 系統模型組成

等效電源。電壓等級為115 kV，等效內阻抗為阻感性1.0+j0.1，頻率50 Hz，初始的有功輸出是100 MW，無功輸出為50 MVAR.，初始相角為0°，中性點直接接地。

配置兩臺變壓器TRF1和 TRF2。TRF1是△/Y-11接線，一次側電壓為115 kV，勵磁電流為1.0%，二次電壓為230 kV，勵磁電流為1.0%，兩變壓器勵磁特性均為線性。

輸電線路。采用Bergeron模型，理想換位，電壓等級是230 kV，線路長度為100 km。

負載。三相并聯電阻，每相為529 Ω，接成星形，中性點直接接地。

1.2 設置故障類型及選取需監測的故障參數

設置單相接地，兩相接地和三相接地故障，對于110 kV及以上大接地電流系統，接地故障的主要保護類型為各種類型的差動保護、接地距離保護和零序（方向）電流保護。輸電線路發生接地故障后，培訓學員需掌握的參數量主要有：輸電線路上的三相電流、零序電流、故障點的三相電壓和零序電壓。因為線路保護的電壓量來自母線上的電壓，因而還需監測母線上的殘余電壓和零序電壓。故障點的接地電阻為0.1 Ω，故障位置選在輸電線路長度為整個線路全長的50%處。

圖1 220kV單側電源供電的系統模型

2 故障參數的波形獲取及總結

2.1 A相發生單相接地故障的特征

1）A相發生單相接地故障時的三相電流波形如圖2所示。

圖2 A相單相接地故障三相電流波形

當輸電線路上發生單相接地故障時，故障相的電流急劇增大，非故障相會流過小的負荷電流。

2）A相發生單相接地故障時故障點的零序電流波形如圖3所示。

當輸電線路上發生單相接地故障時，系統內出現了零序電流。

3）A相發生單相接地故障時故障點的電壓波形如圖4所示。

圖3 A相單相接地故障點零序電流波形

圖4 A相單相接地故障點電壓波形

當輸電線路上發生單相接地故障時，故障點的故障相電壓變為零，非故障相電壓仍為故障前的相電壓，波形基本未發生明顯變化。

4）A相發生單相接地故障時故障點的零序電壓波形如圖5所示。

圖5 A相單相接地故障點零序電壓波形

當輸電線路上發生單相接地故障時，系統內出現了零序電壓，故障切除后零序電壓逐漸衰減直至很小。

5）A相發生單相接地故障時，母線上的殘余電壓波形如圖6所示。

圖6 A相單相接地故障時母線電壓波形

當輸電線路上發生單相接地故障時，在故障發生時A相電壓增大，而C相電壓下降，但總體上變化不明顯。

6）A相發生單相接地故障時，母線上零序電壓波形如圖7所示。

圖7 A相單相接地故障時母線上零序電壓波形

當輸電線路上發生單相接地故障時，在故障發生時母線上出現零序電壓。

2.2 發生BC相間接地故障時的特征

1）BC相發生接地故障時三相電流波形如圖8所示。

圖8 BC相接地故障三相電流波形

當輸電線路上發生相間接地故障時，發生故障的兩相電流急劇增大，并且相位相反，非故障相會流過小的負荷電流。

2）BC相發生接地故障時，故障點的零序電流波形如圖9所示。

圖9 BC相接地故障點零序電流波形

當輸電線路上發生相間接地故障時，系統內出現了幅值較大的零序電流。

3）BC相發生接地故障時故障點的電壓波形如圖10所示。

圖10 BC相接地故障點三相電壓波形

當輸電線路上發生相間接地故障時，故障的兩相電壓變為零，非故障相電壓仍為故障前的相電壓。

4）BC相發生接地故障時故障點的零序電壓波形如圖11所示。

圖11 BC相接地故障點零序電壓波形

當輸電線路上發生相間接地故障時，系統內出現了零序電壓。

5）BC相發生接地故障時，母線上的殘余電壓波形如圖12所示。

圖12 BC相接地故障時母線電壓波形

當輸電線路上發生BC相接地故障時，在故障發生時C相電壓增大，而AB相電壓下降，但總體上變化不明顯。

6）BC相發生接地故障時，母線上零序電壓波形如圖13所示。

圖13 BC相接地故障時母線上零序電壓波形

當輸電線路上發生BC相接地故障時，在故障發生時母線上出現零序電壓。

2.3 發生ABC三相接地故障時的特征

1）ABC相發生接地故障時三相電流波形如圖14所示。

圖14 ABC相接地故障三相電流波形

當輸電線路上發生三相接地故障時，故障相的電流急劇增大。

2）ABC相發生接地故障時故障點的零序電流波形如圖15所示。

當輸電線路上發生三相接地故障時，系統內出現了零序電流，但是時間非常短，約 0.011 1 s［2］。

3）ABC相發生三相接地故障時故障點的電壓波形如圖16所示。

圖15 ABC相接地故障零序電流波形

圖16 ABC相發生接地故障時故障點的電壓波形

當輸電線路上三相接地故障時，所有故障相電壓變為零。

4）ABC相發生接地故障時故障點的零序電壓波形如圖17所示。

當輸電線路上發生三相接地故障時，系統內出現了零序電壓，故障切除后零序電壓逐漸衰減直至很小。

5）ABC相發生接地故障時，母線上的殘余電壓波形如圖18所示。

當輸電線路上發生ABC相接地故障時，在故障發生時B相電壓增大，而AC相電壓下降，但總體上變化不明顯。

6）ABC相發生接地故障時，母線上零序電壓波形如圖19所示。

圖17 ABC相接地故障故障點零序電壓波形

圖18 ABC相接地故障時母線電壓波形

圖19 ABC相接地故障時母線上零序電壓波形

當輸電線路上發生ABC相接地故障時，在故障發生時母線上出現零序電壓，存在時間短，約0.011 1 s，后迅速衰減［2］。

3 結語

通過上述從系統模型中獲取的波形分析，能夠實現形象直觀地進行大接地電流系統發生接地故障分析的目的，進而把抽象復雜的推理運算簡單化，可以使培訓學員輕松地掌握接地故障發生時系統參數的變化：發生接地故障時，故障相的電流急劇增大，故障點故障相電壓下降為零，系統中長時間如不對稱故障或短時如三相短路故障，出現了很大的零序電流，與此相似，輸電線路和母線上長時間如不對稱故障或短時如三相短路故障出現了很大的零序電壓。對于基于反應故障后電壓和電流的變化特點而形成的輸電線路的差動保護和零序電流保護，通過分析使學員能夠正確判斷保護的動作行為和特性。考慮到母線上的三相殘余電壓變化不大的特點，使得保護中涉及到的方向和阻抗元件要動作可靠。這種直觀的培訓模式，加深了學員的理解，提高了培訓質量，幫助學員解決了學習中面臨的疑難問題，達到了事半功倍的效果。