不同接地方式下故障相電壓恢復初速度的計算與仿真

吳本祥，李紅江，顧曦文，羅寧昭，張皓嵐

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不同接地方式下故障相電壓恢復初速度的計算與仿真

吳本祥1，李紅江1，顧曦文2，羅寧昭1，張皓嵐2

（1．海軍工程大學，武漢 430033；2．中國人民解放軍92853部隊，遼寧葫蘆島 125100）

當電力系統發生單相接地故障的時候，故障相電壓會由零恢復到峰值，而其初速度是決定電弧的重燃關鍵。本文模擬中壓電力網絡，簡化其單相接地故障下的回路，計算出不同接地方式下，故障相電壓恢復的初速度。本文運用PSCAD軟件仿真分析，并用實驗進一步的驗證的仿真的過壓波形，確定其可靠性。最后比較三種接地方式下的電壓恢復初速度。

故障相電壓 接地方式 諧振接地

0 引言

當中壓電網發生單相接地故障時，在故障點會產生電弧放電現象。電弧會不斷的因電網內部的諧振而重燃，從而產生極大的過電壓，損毀電氣設備。電弧的熄弧與重燃主要通過兩方面的因素決定；一是故障電流的大小，二是故障相電壓的恢復初速度[1]。兩者小，系統的建弧率低，并且若發生弧光接地時，也易于自行熄滅；反之這兩者大的情況下，系統發生間歇性弧光接地概率大，且容易不斷重燃，產生高過電壓。而不同的接地方式這兩方面的特性也是不一樣的[2-4]。

在介質恢復理論和工頻熄弧理論中，故障相電壓在其單相接地時會在瞬時為零，然后隨著電弧的熄滅該相電壓會逐漸的恢復。而故障相電壓的恢復速度是電弧是否重燃的關鍵因素，其電壓恢復速度快于故障點介質絕緣的恢復強度則電弧不容易重燃；電壓恢復速度慢于故障點介質絕緣的恢復強度則電弧容易重燃。

1 不同接地方式下故障相電壓恢復初速度的計算

以電力系統經消弧線圈接地的發生單相接地故障為例，簡化圖如圖1所示。這里選取的消弧線圈并聯電阻值為380，主要是考慮到6300 V電壓等級下故障電流限制在10 A以下，當系統在k點發生單相接地故障時，可以把電網與大地看成一個流經故障點的簡單回路，便于計算故障電流，如圖2所示。

在諧振接地的中壓電力系統中，單相短路時弧光接地的瞬間，相當于圖2中的開關S對地處于閉合狀態，并且在此狀態下中性點的位移電壓等于反向的故障相的電源電壓，兩者的電勢差為零，也即是故障電壓開始恢復的初始狀態為零。而當電弧熄滅的瞬間，相當于S瞬間斷開，此時加在開關S兩端的電壓，一端為相電壓，而另一端為諧振產生的自由振蕩電壓。不管L處于何種狀態，該故障相電壓恢復值一直等于和之間的電勢差。

為了求出故障相電壓恢復的初速度，首先將式（1）乘以其共軛后開方，在取模值得到恢復電壓的包絡線，表達式為：

將式（2）中開方里的各項按傅里葉級數展開，同時忽略高次項，化簡得可恢復電壓的包絡線近似表達式(3)，然后將（3）式求導，并將初始條件=0帶入可求得恢復電壓初速度(4)式。

所以可以算出諧振接地的故障相電壓恢復初速度為57 V/ms。

2 不同接地方式下故障相電壓恢復初速度的仿真

通過PSCAD仿真軟件，搭建中壓電力的系統模型，模擬單相短路故障下的弧光接地，仿真并分析出故障相電壓恢復的初速度。

對三者的電壓恢復波形分別如圖3-5所示，再取等步長的電壓差，讀出電壓恢復初速度。

1）諧振接地

由圖可知在兩虛線間的電壓讀數的差比上所取步長時間0.00002 s，就是這一相（故障相）電壓恢復初速度：

2）電阻接地

從圖中可以看出在電壓剛剛恢復的一段時刻取0.0001 s，觀察其電壓差，從而得出電壓恢復的初速度：

3）不接地

通過讀兩線之間的縱坐標（即電壓差），得出

3 實驗中的過壓波形圖與仿真波形的比較

為了驗證仿真的正確性，本文中將上面PSCAD中的中壓電力系統變壓器中性點不接地情況下的空載過壓波形，與實驗波形相比較，看其趨勢和數值上是否一致，從而驗證其他仿真結果的準確性。

不接地情況下的實驗波形圖如下圖6所示。

其中變比為6300：100。

通過截取實驗中示波器保存的一段故障波形數據，用MATLAB繪出系統的三相過壓波形如下圖7所示：

通過PSCAD仿真出的中壓電力系統變壓器中性點不接地的三相過壓結果如圖8所示：

可以看出在仿真系統中當A相單相接地故障時，其非故障相過壓的波形的上升趨勢與通過實驗結果繪出的波形上升趨勢基本一致。而且，當輸入電壓為6300 V時，仿真出的最大過壓=8.932 kV，而實驗的最大過壓=9.576 kV。

其誤差為：

分析存在誤差的原因可能是仿真時的電弧模型是理想狀態下的長弧模型，等效成電阻進行仿真計算，而實驗中實際的電弧模型則是一個非常復雜的動態物理模型所以在電弧模型上存在出入。與此同時熄弧、燃弧的條件也不相同，實際情況下的電弧熄滅和重燃無論遵循的是工頻熄弧理論或高頻熄弧理論，在所用仿真軟件中，都很難做到完美地模擬。但是在這樣等級的電壓下，產生的誤差來看，還是在可以允許的范圍內的。

4 總結

中性點經電阻接地與不接地系統，故障相電壓恢復初速度仿真與計算得到的結果差別不大，并且兩者基本一致，符合計算公式所呈現出的規律。

從三種接地方式在故障相電壓恢復方面來比較，諧振接地的要相比前兩者小得多，分析其原因為諧振接地系統限制了故障電流，導致故障相電壓恢復的初速度大大降低，從而延長了其恢復到峰值的時間，利于電弧的永久熄滅。

[1] 張海．6-35 kV電網中性點靈活接地及其控制的研究[D]．保定：華北電力大學，2006．

[2] Gromoll B，Ries G，Schmidt W，et al．Resistive fault current limiters with YBCO films 100 kVA functional model[J]．IEEE Transactions on Applied Superconductivity，1999，9（2）：656-659．

[3] Dawalibi F．Ground fault current distribution between soil and neutral conductors[J]．Power，1980．

[4] 要煥年，曹梅月．電力系統諧振接地[M]．北京：中國電力出版社，2009．

Calculation and Simulation of Initial Velocity of Fault Phase Voltage in Different Grounding System

Wu Benxiang1，Li Hongjiang1，Gu Xiwen2，Luo Ningzhao1，Zhang Haolan2

（1．Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China；2．Unit 92853 of PLA，HuluDao 125100, Liaoning, China）

When single phase to ground fault occurs in the power system, the fault phase voltage varies by zero recovery to peak, while the initial velocity is the key to decide the reignition of arc. The paper simulates the medium voltage power network, simplifies circuit of the single-phase fault, and calculates initial recovery speed of fault phase voltage in different grounding system. The paper also uses PSCAD to analyze, and to verify the over-voltage waveform of simulation to determine its reliability. Finally, the paper compares recovery initial velocity of voltage in three kinds grounding modes.

initial velocity of fault phase voltage; grounding mode; resonant grounding

TM773

A

1003-4862（2015）03-0023-03

2014-11-05

吳本祥(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：電力系統安全運行。