小接地電流系統單相接地故障的仿真和研究

侯云海++李小飛++張立金

摘 要：小接地電流系統發生單相接地故障時電壓、電流零序電壓和零序電流等電氣量尤其變化的特殊性，一直都是研究人員關注的焦點。以MATLAB軟件為平臺，為小接地電流系統單相故障進行建模，并利用零序電流的幅值、相位判別出故障線路和故障相，對分析電力系統故障特性以及保護方案的選擇都有著重要的作用。

關鍵詞：小接地電流系統 單相接地故障 MATLAB軟件 零序電流

中圖分類號：TM727 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（b）-0094-02

1 小接地電流系統仿真模型

1.1 中性點不接地系統的仿真及理論分析

利用MATLAB/Simulink建立一個中性點不接地系統的仿真模型，如圖1所示，電源采用模塊“Three-phase source”， 三相電源電壓37kV，頻率50Hz，內部Y型鏈接。輸電線路L1～L4，均采用“PI Section Line”模型，線路的長度分別為1km、200km、120km、165km，線路其他參數：

正序電阻，

正序感抗，

正序容抗，

負序電阻，

負序感抗，

負序容抗。

負荷Load1、Load2、Load3、Load4均采用“Three-phase Series RLC Load"模塊，有功負荷分別為3MW、0.5MW、6MW，2MW負荷其他參數：線電壓37kV，頻率50Hz。

選擇在第1條線路出線的1km（即L1與L2之間）處發生C相接地（接地電阻忽略不計）。

根據以上設置的參數，經過計算，系統在第1條線路出線的1km處（L1與L2之間）發生C相金屬性接地時各線路始端的零序電流有效值為：

同理可得

，

接地點的電流為

1.2 中性點經消弧線圈接地系統的仿真與理論分析

在圖1的基礎上，在電源的中性點上接入一個電感線圈，其他參數不變。（如圖2）

要使接地點的電流近似為0（即完全補償），應滿足

式中，L為消弧線圈的電感；為系統三相對地電容。

可求得

要實現完全補償應有

完全補償和欠補償都可能出現串聯諧振過電壓的問題，實際工程應用中常采用過補償方式并且過補償度一般為10%，則消弧線圈的電感應為

2 仿真結果分析

仿真時間設置為0.5s，選擇0de15s算法，利用Powergui模塊設置采樣時間為，系統在0.1s時發生C相接地（接地電阻不計）。

2.1 不接地系統的仿真結果及理論分析

系統在0.1s時發生C相接地，C相電壓為零，AC、BC相間電壓升高倍，仍然保持對稱，所以對負荷并沒有影響。各電氣量的變化情況如圖3所示

由圖3可知，各線路始端零序電流以及故障點接地電流的有效值為

，

，

，

與理論計算值大致相等。

從圖3可以看出，在中性點不接地方式下，非故障線路上的零序電壓滯后零序電流90°；故障線路上的零序電流等于全系統非故障元件對地電容電流之總和，且滯后零序電壓90°；由此可以得出故障線路和非故障線路上的零序電流方向相反，與理論分析相一致，如圖4所示。

2.2 經消弧線圈接地系統的仿真結果及理論分析

從圖可知，當單相接地故障的暫態過程結束后，故障點的接地電流的有效值在9.3A左右，遠小于中性點不接地系統的接地電流，因此補償效果十分明顯。

由圖6可知，非故障線路上的零序電流仍是其電容電流，方向由母線流向線路，滯后于零序電壓90°，這與中性點不接地系統是相同的。（如圖5）

但是在這種情況下故障線路上的零序電流遠大于其電容電流，方向也由母線流向線路。因此，無法根據零序電流方向的不同來判斷故障線路。

3 保護措施

3.1 零序電壓保護

在小接地電流系統中出現單相接地故障時，同一電壓等級母線上將出現很大的零序電壓，根據此特點，一般在母線上裝設單相接地的監視裝置，其原理接線如圖7所示。

3.2 零序電流保護

當某一條線路上發生故障時，非故障線路和故障線路上的零序電流相差很大，而非故障線路上的零序電流僅為其電容電流，遠小于故障線路上的零序電流，零序電流保護正是基于此差異來保證動作的選擇性，保護裝置的動作整定值為：

其中每相線路對地電容。

3.3 零序功率方向保護

中性點不接地系統中故障線路與非故障線路零序電流的方向相反，零序功率的流向也相反，而零序功率方向保護就是基于此特點來實現對線路的選擇性保護。

4 結語

由以上可知，利用MATLAB軟件對中性點非直接接地系統的單相接地故障進行建模和仿真，能夠快速而準確地反映出故障線路和非故障線路上電壓、電流、零序電壓和零序電流的變化情況，并根據它們之間的差異提出相應的保護方案。

參考文獻

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