諧振接地系統單相故障仿真與分析

吳麗娜，劉觀起

(華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定071003)

0 引言

中性點非直接接地系統，即變壓器或發電機的中性點不直接接地系統，因短路電流小，又稱小電流接地系統。小電流接地系統接地方式主要包括3 種，即中性點不接地、諧振接地(中性點經消弧線圈接地)和中性點經電阻接地［1］。從目前我國的配電網分布及發展規劃情況看，諧振接地方式在這3 種接地方式中占有重要地位，是我國配電網主要的接地方式。

小電流接地系統單相接地故障時，相間電壓仍保持對稱，接地電流小，僅為線路及設備的電容電流，不影響對負荷的供電，允許繼續運行1～2 h，在我國3～66 kV 配電網中得到廣泛應用。但是系統中非故障相對地電壓升高，當故障持續時間過長時容易破壞電網薄弱環節處的絕緣，從而形成兩點或多點接地短路，破壞系統的安全穩定運行。運行人員應及時找到故障線路及故障發生點，并予以切除。尤其對于諧振接地系統，由于消弧線圈的補償作用，使得發生單相故障時故障線路的電流幅值很小且方向不確定，增大了故障選線的難度。目前諧振接地系統的選線方法有五次諧波分量法、殘流增量法、有功分量法以及能量法等［2～4］。近年來，有不少學者在研究應用小波理論實現故障選線，提出了不少分析方法，如離散小波變換法、小波包分析法以及基于小波變換的暫態零序電流比較法等，而這些選線方法的靈敏度和可靠性受故障距離、故障前初相角、過渡電阻等因素的影響較大［5］。研究在這些因素變動時諧振接地系統單相故障的穩態特征和暫態特征可為配電網諧振接地系統單相故障選線提供依據，目前國內外相關這方面的研究較少。

1 諧振接地系統單相故障的特點

諧振接地方式，即將一個電感(通常稱作消弧線圈)接入到中性點和大地之間。當系統發生單相接地故障時，消弧線圈的電感電流對系統接地電容電流進行有效補償，使流過接地點的電流減小，有助于熄滅殘余電流的接地電弧，防止電弧進一步擴散。同時由于消弧線圈的補償作用，使恢復電壓的幅值和初速度降低，抑制了電弧的重燃及弧光接地過電壓的產生，防止系統由單相短路故障進一步發展為更加嚴重的多相或相間短路故障，使系統的供電可靠性得到提高［6］。

當系統發生單相故障時，在中性點加設消弧線圈，補償接地電容電流，可有效防止發生弧光間歇過電壓。按規程規定，在各級電壓網絡中，當系統的電容電流超過一定數值(22～66 kV 電網超過10 A;10 kV 電網超過20 A;3～6 kV 電網超過30 A)時就應裝設消弧線圈［7］。

在諧振接地系統中，單相故障時的電流分布如圖1 所示，由于在電源的中性點接入了消弧線圈，當線路A 相接地以后，相比中性點不接消弧線圈，電容電壓的大小和分布都不變，但在接地點增加了一個電感分量的電流，因此，從接地點流回的總電流為

式中:IC為全系統的對地電容電流;IL為流過消弧線圈的電感電流，若用L表示電感，則

圖1 諧振接地系統A 相故障時的簡化網絡圖

IL與IC方向相反，即由于消弧線圈的補償作用，使接地點總電流Ig減小了。根據補償程度的不同，消弧線圈的補償方式可分為完全補償、欠補償和過補償［8］。

完全補償即電感電流IL與電容電流IC向量和為零的補償方式。此時，電容電流IC與電感電流IL幅值相等，方向相反，彼此完全抵消，殘余電流幾乎為零，但由于此時電流諧振回路恰好在諧振點工作，如果發生斷路器三相不同期合閘，則出現的零序電壓將在串聯諧振回路中產生很大的電流，進而在消弧線圈上產生危險的過電壓，損壞設備和人身安全，所以一般不采用完全補償方式。

欠補償即電感電流IL小于電容電流IC的補償方式。在該方式下，殘余電流中除了含有有功電流分量外，還含有容性無功電流分量，當系統運行方式發生變化導致系統的容性無功電流分量減小時，可能恰好又變為完全補償，因此也很少采用欠補償方式進行補償。

過補償即電感電流IL大于電容電流IC的補償方式。相比前兩種方式，過補償的優勢是不會產生串聯諧振過電壓。即使電網擴大，對地電容電流有所增加，依然留有補償裕度，所以過補償是實際系統廣泛采用的補償方式，過補償度一般取5%～8%。

2 仿真模型的搭建

在MATLAB 中建立諧振接地系統的仿真模型如圖2 所示，系統頻率設為50 Hz，微分方程解算方法采用odel5，該方法對求解病態方程效果良好。仿真開始時間為0，結束時間為0．2 s，其他仿真參數都選默認值。系統采用無窮大電源，變壓器采用Three-phase Transformer(Two Windings)模型，變比為38．5/10．5 kV，YYO連接。共4 條線路，長度分別為:L1=70 km，L2=80 km，L3=90 km，L4=100 km。線路各序參數為:正序電阻R1=0．012 73 Ω/km，零序電阻R0=0．386 4 Ω/km;正序電感L1=0．933 7 e-3 H/km，零序電感L0=4．126 4e-3 H/km;正序電容C1=12．74 e-9 F/km，零序電容C0=7．751 e-9 F/km。

圖2 諧振接地系統單相故障仿真模型

在各線路的首端、故障點和中性點均設有測量模塊。當諧振接地系統發生單相接地故障時，特征量的暫態過程隨故障距離、故障前初相角、過渡電阻的變化而變化，包含了多種頻率成分的周期分量和非周期分量，由各測量模塊測得并通過示波器顯示波形［9］。

3 單相故障仿真及對比分析

3.1 故障距離對故障的影響仿真

保持故障初相角和過渡電阻不變，即φ=65°，Rg=50 Ω，分別在距離線路4 出口L=0，20，50，80 km 處進行A 相接地故障仿真，根據仿真結果得到不同故障距離L 下的故障量穩態幅值，故障特征量包括故障相母線殘壓Ucy、零序電壓U0、非故障線路零序電流If0、故障線路零序電流Ig0以及接地故障電流Ijd，如表1 所示。限于篇幅，只列出當L=20，50，80 km 時零序電壓和故障線路零序電流波形，以便觀察波形變化趨勢，如圖3，4，5 所示。

表1 不同故障距離下的故障量穩態幅值

圖3 故障距離為20 km 時的故障特征量波形

圖4 故障距離為50 km 時的故障特征量波形

圖5 故障距離為80 km 時的故障特征量波形

由表1 中數據可知，隨著故障距離的增加，由于線路壓降也增加，故障相的殘余電壓有所升高。其他故障量的穩態值略有下降，但總體看來，故障距離的變化對其影響不大。

由圖可看出，故障距離的改變對暫態過程有較大影響。隨著故障距離的增加，各故障量的暫態沖擊值、暫態波動隨之減小，而暫態分量衰減速度隨之增大。

3.2 故障初相角對故障的影響仿真

改變故障發生時刻即可改變故障初相角。保持故障距離、過渡電阻不變，即L=20 km，Rg=50 Ω，分別在故障初相角 φ 為90°，180°，270°的條件下進行仿真，零序電壓、非故障線路零序電流以及故障線路零序電流隨故障初相角的波形變化規律如圖6，7，8 所示。

圖6 故障初相角為90°時的故障特征量波形

圖7 故障初相角為180°時的故障特征量波形

圖8 故障初相角為270°時故障特征量波形

由圖可知，當故障發生時相電壓恰好過零，即φ=180°時，過渡過程中的暫態波動較小，暫態特征量衰減速度較快。當故障發生時相電壓處于最大值，即φ=90°或270°時，過渡過程中的暫態波動比較明顯，且暫態特征量衰減速度慢。3種情形下，故障線路零序電流暫態峰值都大于非故障線路零序電流暫態峰值;從特征量極性看，故障線路零序電流的故障瞬間極性與零序電壓的相反，而非故障線路零序電流的故障瞬間極性與零序電壓的相同。

3.3 過渡電阻對故障的影響仿真

保持故障距離和故障時的初相角不變，即L=20 km，φ=65°。分別令過渡電阻Rg=0，50，150，300，500 Ω，對該諧振接地系統單相接地故障進行仿真，根據仿真結果得到不同過渡電阻下的故障量穩態幅值，如表2 所示。限于篇幅，只列出當Rg=50，150，300 Ω 時零序電壓和故障線路零序電流波形，以便分析暫態特征量變化趨勢，如圖9，10，11 所示。

表2 不同過渡電阻下的故障量穩態幅值

圖9 過渡電阻為50 Ω 時的故障特征量波形

圖10 過渡電阻為150 Ω 時的故障特征量波形

圖11 過渡電阻為300 Ω 時的故障特征量波形

由表2 中數據可知，隨著過渡電阻的增大，接地電流在過渡電阻上產生的壓降越來越大，故障相殘余電壓明顯升高，零序電壓和各線路零序電流的幅值逐漸減小。

各條饋線零序電流的幅值主要由電容電流的幅值所決定，其幅值受過渡電阻的影響。各線路零序電流的幅值與過渡電阻的變化相反，即過渡電阻越大，零序電流的幅值越小。

由圖可知，過渡電阻的大小對暫態過程的影響較大，隨著過渡電阻的增大，故障量的暫態沖擊值在不斷減小，同時暫態過程的衰減越來越快，暫態特征也越來越難以捕捉。

4 結論

本文通過搭建仿真模型，對比分析了不同故障距離、不同故障初相角以及不同過渡電阻對諧振接地系統單相接地故障的影響。仿真結果表明，故障特征量隨故障距離的變化不明顯，受故障距離影響較小;對于不同的故障初相角，故障線路零序電流暫態峰值都大于非故障線路零序電流暫態峰值，且故障線路零序電流暫態峰值的極性隨故障初相角變化，與零序電壓的極性相反;隨著過渡電阻的增大，零序電流的幅值和故障量的暫態沖擊值都在不斷減小，同時暫態過程的衰減越來越快。在實際現場的工作中，運行人員可結合特征量的變化規律盡快找到故障點，及時排除故障，減小損失。

本文仿真主要考慮了理想情況下單方面因素的影響，在實際系統中進行檢測時，還要綜合考慮系統的具體情況，如系統的出線結構、消弧線圈的補償度及其運行模式等。可在本文研究的基礎上，結合實際系統的具體情況，繼續進行深入研究。

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