配電網小電流接地故障分析

吳桂峰 朱菲菲 王 軒

（1.揚州大學能源與動力工程學院，江蘇 揚州 225127；2.揚州北辰電氣設備有限公司，江蘇 揚州 225127）

江蘇省揚州市在開發區準備進行配電網的改造，進行智能化升級。為了能夠順利實現該方案實施，需要對目前的配電網以及變電站的總體情況進行分析。配電網發生故障的頻率很高，以小電流接地故障最為頻繁，并且小電流接地故障最為難查找，為防止事故擴大，提高電網供電的可靠性，必須對小電流接地故障進行快速準確定位。

1 常用的配電網網架結構

中低壓配電網由電纜線路、架空線路、架空及電纜混合線路、戶外環網柜、電纜分接箱、 配電所（含箱式變電站）、柱上變壓器、柱上開關、開閉所、接戶線、計量裝置及配電自動化裝置等構成。配電網網架結構根據下述條件設計：

1）供電半徑要小于3km。架空線路采用柱上負荷開關進行分段，電纜線路采用環網柜作來進行分段。每條架空線路要求不超過三段，每段裝接容量不可超過4400kVA。環網柜為電纜的分支節點，用分支箱來實現電纜分支線路的分段。

2）選擇導線的截面積時得考慮滿足20年負荷使用的需要。一般情況下，架空線的干線使用 240m2鋁芯絕緣線；按所帶容量確定分支架空線截面。干線電纜采用并聯的兩條鋁芯240m2交聯絕緣電纜；分支線電纜選用單根電纜，截面按其所帶容量進行確定。

3）按0.4的負荷同時率考慮線路的裝接總容量，電纜單環網正常運行時，每條線路應留有50%的備用容量，其總容量不得超過13000kVA。

基于上述考慮，可將環網改造以下幾種情況。

1）網群結構

網群結構如圖1所示，主要是變電站出線通過環網柜一分為三，每一段通過開關和另外兩個電源點相聯，供電可靠性遠遠超過單環網，達到“N-2”。而線路的運行率不低于75%。但網群結構接線復雜，只有配合配電網自動化系統才能發揮其優勢。

圖1 網群結構

2）N-1網架結構

N條電纜線路連成電纜環網，其中有1條作為公共備用線路，被稱為N-1備接方式。這種接線方式非常適合在城市核心區、繁華地區和住宅小區。當非備用線路滿載運行時，若有某條正在運行線路出現故障，則可通過切換把備用線路投入運行。該種模式隨著N-1值的不同，其接線的運行靈活性、可靠性和線路的平均負載率均有所不同。網架結構如圖2所示。為了進一步提高可靠性，盡量保證正常供電線路和備用線路的電源來自不同電源點。這樣可以能夠提高理論負載率。理論上線路平均負載率不低于75%。

圖2 N供一備接線

3）架空線路和電纜接線混合使用的混合式接線

對于混合式接線，架空線和電纜線路的供電范圍宜進行分隔，兩者之間可設聯絡點，但正常時應打開，只在故障時利用，如圖3所示。

圖3 架空線路和電纜接線混合使用的混合式接線

2 配電網的可靠性分析

供電可靠性是指電網對用戶連續供電的可靠程度，應滿足下列2個目標中的具體規定：①電網供電安全準則；②滿足用戶用電的程度。城市中壓配電網的接線方式應在滿足供電可靠性的前提下力求簡潔，便于實現配網自動化。由于配電網是直接面向用戶的，所以可以在實際分析時認為配電網由若干區域組成，且每個區域都應由110kV配電站、10kV線路、開關設備等構成；同時，每個區域都是以110kV配電站為中心、以配電站的供電半徑為半徑的圓形供電區域。

圖4表示了可靠性指標在不同配電網接線模式下的情況，圖中用相鄰柱狀圖代表不同方案的可靠性指標負荷密度曲線。

圖4 各種接線模式的可靠性指標

對于同一種接線方式，在一定的變電站容量下，供電區域負荷密度的增加導致了含有架空和電纜線路配電網的可靠性提高。如變電站容量和負荷密度不變，采用完全由架空線組成的配電網，可靠性由高到底的順序依次是分段三聯絡網架結構、分段兩聯絡網架結構、手拉手網架結構和單輻射網架結構。對于完全由電纜線組成的電網，可靠性由高到低的順序依次是分段兩聯絡網架結構、N-1網架結構、手拉手網架結構和單輻射網架結構。

綜上所述，建議配電網的網架結構采用架空接線的不同母線出線的環式接線模式，在可靠性要求較高的區域例如城區段等建議采用電纜接線的網群接線模式、架空接線的三分段四聯絡接線模式，也可以采用網群和三分段四聯絡混合接線方式。

3 小電流接地故障分析

本文利用Matlab仿真工具箱對揚州10kV呂橋變配電網進行了仿真，當呂橋變發生單相接地故障時進行仿真，在中性點各種接地方式下系統的各相電壓電流以及中性點電流的變化情況。

3.1 故障參數的設置

該電網母線帶有七條出線的10kV系統為算例，如圖5所示。這七條出線有電纜線路以及架空線路和電纜線路的混合線路。電纜線路和架空線路都用π型線路模擬。線路參數如表 1所示。變壓器等值電抗XT=j0.5Ω，電壓等級110/10kV，線路的長度為呂橋變的實際線路長度，接地方式為過補償，補償度為7.5%。

根據呂橋變的實際情況和Simulink仿真建模的特點，圖5中電源用三相電源模塊等效，其內部的設置根據實際情況設置；變壓器使用采三相雙繞組△/Y11的降壓變壓器；線路參數根據前面所分析為π型分布模型。在Matlab/Simulink中的建模如圖6所示，本圖為一條線路的建模圖。

圖5 七條出線的10kV簡單系統

表1 線路參數

圖6 小電流接地故障建模圖形

3.2 故障的仿真分析

由于在故障時，零序電流的變化最為明顯，所以仿真分析時主要是對電流的分析。

1）不同線型的故障

在圖5中，當架空線123線路發生故障時，其故障線路及其臨近線路的零序電流變化的情況如圖7（a）所示。當電纜線 131線路發生故障時，其故障線路及其臨近線路的零序電流變化的情況如圖 7（b）所示。

圖7 不同線型線路故障的零序電流

圖8 不同故障時間

2）不同故障時間

不同的故障時間，相位是不一樣的，零序電流變化也不一樣，如圖8所示。相位角大時，其零序電流的值變化大，且過渡時間長；相位角小時，其零序電流的值比穩態時校很多，且過渡時間很短。

3）不同故障電阻

用了10?，100?和1000?的做的測試，如圖9所示。發現電阻越大，零序越小，過渡時間越短，對檢測零序電流也難。

圖9 不同故障電阻

4）不同故障距離

距離母線的距離不一樣，其故障電流的大小也不一樣，如圖10所示。距離母線越短，其故障電流越大，其過渡時間也越短。

圖10 不同故障距離

5）間歇性故障

每隔一段時間就故障一次，這樣故障的變化過程復雜，無法判斷是否接地，如圖11中（a）所示。

圖11 幾種故障

6）金屬性故障

沒有過渡電阻，是直接接地，其零序電流值瞬間達到最大，然后在復雜的振蕩中慢慢衰減，如圖11中（b）所示。

7）故障的五次諧波

通過對故障的5次諧波進行分析，發現在故障后的變化最為明顯，持續近一個周期然后衰減為0，如圖11中（c）所示。

通過上面的仿真分析，與前面的理論分析是相符的。

4 故障定位

通過對故障信號的提取發現，不同特征的故障其故障波形是不一樣的，因此利用支持向量機算法對故障信號進行仿真，仿真結果發現，其能準確的定位到故障的線路。

5 結論

通過小電流接地系統故障過程分析及仿真，討論小電流接地對配電網的影響，可知不同形式、不同時間的故障對線路的影響是不一樣的，利用支持向量機對故障進行定位，證明對小電流的接地故障的準確定位是可行的，其定位的結果是令人滿意的。

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