基于PSCAD與RTDS的配電網小電流接地故障仿真結果分析

王 波

（廣州供電局有限公司電力試驗研究院，廣州 510410）

配電網基本接地方式可根據配電網發生單相接地故障時流過的故障電流大小分為大電流接地系統和小電流接地系統。國外許多國家像美國、日本等的配電系統普遍采用大電流接地方式；我國配電網沿用前蘇聯電力系統設計思路，一般采用小電流接地方式。小電流接地方式突出優點為：電力系統在發生單相接地故障后其三相線電壓仍然保持著對稱狀態性，不會影響電力系統對用電負荷的供電，供電可靠性較高，與當前供電服務系統提高供電可靠性，大力推行優質供電服務息息相關，但電力規程規定，中性點非有效接地系統發生單相接地故障后，允許繼續運行2h，且在此期間供電部門應盡快檢測出故障線路以防止故障擴大，影響配電網的穩定性[1-4]。小電流接地系統在發生單相接地故障時，其故障信號故障特征有時并不十分明顯，且故障的暫態信號幅值比穩態信號大，而由于暫態過程持續時間極其短暫，以目前已有的檢測手段和技術，有時十分難以檢測到其暫態特征信號，加之單相接地故障電弧很多時候為間歇的不穩定電弧和各種不平衡電流的影響，使得小電流選線裝置在很多情況下難以正確動作[5-10]。

本文擬通過實時仿真軟件RTDS 與非實時仿真軟件PSCAD，搭建配電網單相接地故障仿真模型，僅選取單相故障發生的故障位置及故障發生的電壓此時的初相角大小對于仿真測試結果的影響，通過分析比較兩種仿真軟件的仿真結果，得出相應地結論。其他故障條件的影響在此限于篇幅不再累述。

基于PSACD 的配電網小電流仿真模型的搭建[11-13]

在PSCAD 中建立配網系統模型，其中架空線路采用Bergeron 模型，如圖1所示。圖1中的LINE-1、LINE-2、LINE-3 和LINE-4 為正常負荷運行的線路， 10 kV 三相電壓是由35 kV 電源與35 kV/10 kV 的變壓器構成；電源初始相位假設為0°、45°和90°（采用其他角度也可進行比較，為了方便，本文僅選取了三個典型的電壓初始相位角），單相接地故障的設置為采用經一定數值的過渡電阻接地。為了排除其他因素的干擾和便于分析對比，本次仿真模型的參數的設置為4 條回路除線路長度不同外其余線路參數應完全相同且布置對稱。

基于RSACD 的配電網小電流單相接地故障仿真模型的搭建[14-16]

圖2是利用實時仿真軟件RSCAD 建立的10kV小電流接地系統典型的RTDS 模型，模型中含有的主要模塊為：三相10kV 交流電力系統（用一臺等值發電機表示）、三相雙繞組降壓變壓器、消弧線圈、電纜、架空線路、負荷潮流、故障發生裝置、諧波源等。在實際仿真時，各參數可根據實際電網的參數進行設置，這樣更有利于模擬現場電網的實際運行情況，更符合現場實際。

圖1 PSCAD 的配電網單相接地故障仿真模型

3 仿真結果分析

3.1 基于PSCAD 的小電流選線仿真結果分析[11-13]

1）故障發生時刻電壓初始相角大小不同的影響

對于PSCAD 配電網仿真模型，為了研究單相接地故障發生時刻電壓初始相角對配電網單相接地故障選線結果的影響，在此次仿真中，我們假定對發生時刻電壓初始相角在0°～90°之間變化，進行了大量仿真試驗，在此僅選取部分試驗結果見表1。由表1中數據可知當過渡電阻比較小時，選線結果正確可靠，不受故障電壓初始角的影響；但當過渡電阻較大時，隨著故障電壓初始角的減小，被誤選母線的概率增大。

表1 過補償小電流系統故障選線結果 （故障電壓初相角影響）

2）故障發生的位置不同對仿真結果的影響

為了研究分析故障點位置的不同對故障選線結果的影響，本文在仿真模型中線路不同地點設置配電網單相接地故障，在不同的工況下進行了大量的仿真試驗，在此限于篇幅僅選取部分試驗結果見表2。由表2可知，故障位置對選線結果幾乎沒有影響。

表2 過補償小電流系統故障選線結果 （故障點位置影響）

3.2 基于RSCAD 的配電網小電流選線仿真結果分析[14-16]

1）故障發生時刻電壓初始相角的影響

在本次RTDS 仿真試驗中，我們預設線路5 為發生單相接地故障的線路，針對配電網不同的接地方式，經過大量仿真試驗，限于篇幅，在此僅選擇2 幅圖進行比較，從圖3仿真波形圖較易發現故障線路5 的暫態零序電流與正常線路的暫態零序電流相位相反，據此可以判斷出故障線路。

圖3 故障發生時刻試驗仿真波形

2）故障發生的位置不同對仿真結果的影響

由于配電網中性點加裝消弧線圈后，在配電網的中性點存在一電感，可對故障電流起著補償的作用，根據加裝消弧線圈的大小不同，補償方式可分為過補償、欠補償和全補償，因而使得在實際中故障選線更加難以正確選出故障線路，所以本次僅選取加裝消弧線圈的架空線與電纜線路加以仿真分析，經過大量仿真試驗選取線路中間作為比較，如圖4所示。限于篇幅，其他仿真試驗波形圖在此不再累贅。

圖4 故障位置試驗波形圖

4 結論

通過以上的仿真結果分析比較可知，非實時仿真軟件PSCAD 和實時仿真軟件RSCAD 均可以針對配電網小電流接地故障進行仿真分析，但是從PSCAD 大量的仿真結果可知：當故障發生時刻的過渡電阻較大時，隨著故障發生時刻電壓初始相角的減小，仿真結果被誤選母線的概率增大，而RSCAD卻不會出現此類問題，原因在于RTDS 是實時數字仿真軟件，與PSCAD 相比，具有不受仿真周期開關切換次數的限制，因此能夠更加有效地模擬現場實際情況，仿真的結果可靠性更高。盡管目前各種小電流選線裝置都自稱可以達到很高的故障選線準確率，但是由于現場實際情況的復雜多變性，小電流選線裝置的選線結果并未能讓供電公司滿意，以廣州電網為例，廣州電網目前在配電系統中普遍采用曲折專用變壓器，通過該變壓器可以有效捕捉配電網單相接地故障的零序電流，再結合配電自動化裝置，從而可以十分準確的選出故障線路，因此供電可靠性和穩定性更高。

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