基于PSCAD/EMTDC的小電流接地系統單相接地故障的仿真研究

苑 博 ，邱湘可

（1.西安工程大學 陜西 西安 710048；2.國網冀北電力有限公司承德供電公司 河北 承德 067000）

在電力系統各個組成部分中，配電網是與電力用戶之間最直接、最緊密的。在我國配電網絡中，6～66 kV的中低壓網絡，均采用小電流接地方式。在小電流接地系統中，單相故障是最常發生的一種。單相故障發生時，小電流系統中的故障電流很小，系統運行穩定性較高；同時，由于接地故障零序電流小，非常不利于判斷故障線路[1]。

1958年以來，我國對小電流接地系統做了大量的研究。PSCAD仿真軟件擁有完整全面的元件庫，穩定的計算流程，友好的圖形界面，等特點被廣大電力系統研究、分析人員所推崇，廣泛用于電力系統暫態過程計算、直流系統分析與工程研究、FACTS控制器設計、電能質量現象分析和電力電子器件設計等領域。

文中介紹了PSCAD仿真軟件及其仿真環境，搭建了小電流接地系統的配電網絡仿真模型，并在不同情況下進行了大量的仿真，仿真結果與實際一致，直觀的展現了小電流接地系統單向故障的特點，為單相接地故障選線方法的研究提供了堅實基礎。

1 PSCAD

1.1 PSCAD軟件簡介

PSCAD/EMTDC是加拿大馬尼托巴高壓直流研究中心出品的一款電力系統電磁暫態仿真軟件，PSCAD（Power Systems Computer Aided Design）是用戶界面，EMTDC（Electromagnetic Transients including DC）是內部程序。

EMTDC最初代表直流暫態，是一套基于軟件的電磁暫態模擬程序。這個程序被廣泛應用在電力系統許多類型的模擬研究，其中包括交流研究，雷電過電壓和電力電子學研究[2]。

PSCAD代表電力系統計算機輔助設計，使用戶能更方便地使用EMTDC進行電力系統分析，使電力系統復雜部分可視化成為可能，而且軟件可以作為實時數字仿真器的前置端，模擬任意大小的交直流系統。PSCAD的主程序結構如圖1所示。

圖1 PSCAD主程序結構Fig.1 The main program structure of PSCAD

1.2 PSCAD元件模型庫

PSCAD提供大量經過嚴格測試的電力系統元件模型，從簡單的無源元件和控制元件到發電機、FACTS器件、傳輸線等復雜的元件模型，都包含在PSCAD的元件模型庫之中。打開軟件后，工作去窗口中會自動加載庫文件，點擊加號可打開，如圖2所示界面。

圖2 元件庫Fig.2 Master Library

2 故障仿真算例及分析

2.1 仿真模型的建立

本文建立的小電流接地系統的仿真模型如圖3所示。該系統共有5條饋線，全部采用相同負載。

在PSCAD/EMTDC中有4種常用的線路模型：

π型模型：當采用物理模擬時，輸電線路的分布參數效應往往用多級集中參數的型等效電路級聯來模擬。當采用數字仿真時，有時也采用這種方法來模擬輸電線路。其優點為它不受線路參數矩陣是否平衡的限制；對感興趣的任何一根單導線（包括地線）都可作為多相輸電線路中的一相來處里。缺點為計算效率很低，模擬一條輸電線路就要耗費很多節點，而且容易產生虛假振蕩。

Bergeron模型：輸電線路的Bergeron模型的主要思想是將分布參數的線路化為集中參數的模型來處理，然后用集中參數電路的分析方法來研究。在雷電過電壓計算中，一般只需考慮單相導線即可，在計算操作過電壓時涉及三相，但應用相模變換，可將三相網絡轉變為等效的單相網絡。

頻率相關 （模式） 模型 （Frequency-Dependent（Mode）model）：該模型由J.Marti提出的考慮頻率特性的線路模型發展而來，該模型基于常量轉換矩陣 （Constant transformation matrix），其中的元件參數與頻率相關。該模型在考慮線路換位的情況下，采用模態技術求解線路常數。能較精確模擬理想換位導線（或兩根導線水平設置）和單根導體的系統。但在用于精確模擬交直流系統相互作用的時候該模式就不能給出可靠的解了，另外不能準確模擬不對稱的線路也是該模型的一個缺點。

圖3 小電流接地系統仿真模型Fig.3 Simulation model of small current grounding system

頻率相關 （相位） 模型 （Frequency-Dependent（Phase）model）：元件參數與頻率相關，該模型考慮了內部轉換矩陣（Internal transformation matrices），在相位范圍內直接求解換位問題。可精確模擬所有結構的傳輸線，包括不平衡幾何結構的線路。除非有特殊的原因選取前兩個模型，頻率相關（相位）模型在仿真計算中，應為首選項。該模型在世界上是最為先進和精確的傳輸線時域分析模型。

本仿真采用的是頻率相關（相位）模型，設置為理想換位模型。導線型號全部為LGJ-120，等腰三角形排列，導線距地15 m，導線間距離為1.5 m。3條出線長度分別是20 km，30 km，40 km，45 km，50 km。 變壓器為 220 kV/35 kV， 容量為100 MVA。

2.2 對零序特征量的仿真分析

2.2.1 故障時刻對故障零序特征量的影響

故障時刻的不同，會對暫態過程產生影響。以線路3為故障線路，過渡電阻和故障點距母線距離保持不變，分別在相電壓正、負半波的任意時刻、過零點和峰值時發生短路故障。 t1=0.1 s，t2=0.11 s，t3=0.101 0 s，t4=0.111 0 s，t5=0.105 0 s，t6=0.115 0 s。仿真結果如圖4所示。

2.2.2 接地電阻對故障零序特征量的影響

接地電阻的大小隨故障情況而變化。以線路3為故障線路，使短路時刻固定在t=0.1 s，短路點距母線距離都為10 km，設接地電阻分別為R1=10，R2=50，R3=100，進行A相短路仿真。仿真結果如圖5所示。

圖4 故障時刻對故障零序特征量的影響Fig.4 Impact of fault time on fault zero-sequence characteristic quantity

2.2.3 結果分析

1）由圖4可見，不同的短路時刻產生的故障零序特征量也明顯不同。當故障發生在故障相電壓峰值時，暫態現象最明顯；當故障發生在電壓過零時，暫態電流的值不是很大。因此當故障在電壓過零點發生時，暫態信號特別微弱，不能夠給出可靠的判斷，不能使用小波法進行選線[5]。零序電壓的極性與發生短路時刻的故障相電壓極性相關，零序電壓與故障相電壓極性相反，相差180°。故障發生后的四分之一個周期內，故障電路零序電流會有一個較大的沖擊電流，極性與短路時刻有關，與零序電壓相差180°。

2）由圖5可見，接地電阻對故障零序特征量及故障點壓都有比較大的影響。接地電阻越大，故障線路和非故障線路首半波的零序電流沖擊值越小，甚至消失；故障后故障相電壓越明顯；零序電壓波形越平滑。

3 結論

PSCAD/EMTDC仿真平臺使電力系統暫態分析更加簡單直觀，使電力系統研究人員從繁瑣的建模中解放出來。它操作簡單，模型更加專業，應用范圍廣泛。通過PSCAD/EMTDC對小電流接地系統的進行仿真，能夠很好的克服純理論分析的抽象性，使小電流接地系統故障特征更加形象直觀地展現出來，使研究人員更好的理解系統特性，幫助進一步的改進選線和定位方法。

圖5 接地電阻對故障特征量的影響Fig.5 Impact of grounding resistance on the fault characteristic quantity

[1]龐清樂.小電流接地故障選線與定位技術[M].北京:電子工業出版社，2010.

[2]張敬波.利用暫態行波是小電流接地故障綜合選線技術研究[D].淄博：山東理工大學，2012.

[3]王曉峰，洪彩涼.小電流接地系統單相接地故障分析[J].電氣開關，2013（4）:76-77.WANG Xiaofeng，HONG Cailiang.Fault analysis of the single-phase grounding of small current earthed system[J].Electric Switchgear，2013（4）:76-77.

[4]張新慧.基于Prony算法的小電流接地故障暫態選線技術[D].濟南：山東大學，2008.

[5]姜維勝.小電流接地系統單相故障選線方法分析與比較[J].電氣技術，2010（6）:71-76.JIANG Weisheng.Analysis and comparison of fault line detection method for non-effectively earthed system[J].Electrical Engineering，2010（6）:71-76.

[6]秦書碩.小電流接地系統故障選線新方法研究 [D].昆明：昆明理工大學，2012.

[7]申雙葵.小電流接地系統單相接地故障選線的研究[D].成都：西南交通大學，2009.