某35kV變電站系統單相接地故障及選線仿真建模研究

安徽京卓電氣有限公司 王洪武 甘朝宏

1 引言

1.1 研究目的及意義

電力系統運行的基本要求中最重要的是保證安全可靠地持續供電。大量運行經驗表明，單項接地故障是電力系統的主要故障形式之一，約占電力系統各類型故障總和的60%以上［1］。本研究目的是基于Matlab/simulink 平臺仿真軟件，依據某35kV 變電站高壓系統實際參數，搭建系統仿真模型模擬中性點非直接接地輸配電系統中單相接地故障，驗證比對本系統中小電流選線和大電流選線兩種方式的可靠性和準確性。驗證結論提供給相關電力部門參考，以便在系統技改時采用適合當地實際情況的選線方式，強化對電力系統單相接地故障的實時在線監測能力，提升大型智能電力系統運行可靠性。

1.2 研究主要內容

中性點非直接接地的配電網系統的主要缺點是最大長期工作電壓與過電壓均較高，特別是存在電弧接地過電壓的危險，過電壓保護裝置的費用較大，效果較差，整個系統的絕緣水平因而也較高。雖然中性點不接地系統發生單相接地后，不需立即斷開線路（可繼續運行2h 以內），但是要選擇可靠、準確的檢測裝置來檢查出接地線路，消除接地故障[2]。本研究基于電力系統輸配電網中單相接地故障的產生過程、變化規律及其電氣物理特性，在借鑒國內外有關配電網系統中單相接地電流建模的基礎上，結合烏海市電網某35kV 變電站實際運行狀況與安全需求，在慮及電網承受單相接地電流的幅值與時間長度要求的基礎上，搭建變電站中性點不接地系統基于Matlab/simulink 平臺的仿真模型。通過該模型仿真模擬系統單相接地故障，采集分析故障和非故障線路的波形參數，為通過符合系統運行方式的精準選線裝置快速查找發生單相接地故障線路提供必要的理論與技術支持。

2 某35kV變電站單相接地仿真建模研究

2.1 某35kV變電站系統圖及仿真建模說明

35kV 變電站系統仿真說明如下。一是某35kV變電站，主變為兩路35kV/6kV，6kV 系統為中性點不接地（經消弧線圈接地）。6kV系統兩段母線并列運行，其進出線為高壓電纜和架空線。二是仿真系統圖采用簡化方式，僅標示出各路出線回路，包括相對應的電纜型號及長度。三是本系統原有小電流接地選線裝置默認始終處于投運狀態，同時通過仿真模擬大電流精準選線裝置投入。四是系統仿真狀態按照6 種運行方式：系統單相金屬接地（消弧線圈和大電流精準選線裝置不投入）小電流選線；系統單相金屬接地（消弧線圈投入，大電流精準選線裝置不投入）小電流選線；系統單相金屬接地（消弧線圈和大電流精準選線裝置均投入）小電流選線+大電流精準選線；系統單相弧光接地（消弧線圈和大電流精準選線裝置不投入）小電流選線；系統單相弧光接地（消弧線圈投入，大電流精準選線裝置不投入）小電流選線；系統單相弧光接地（消弧線圈和大電流精準選線裝置均投入）小電流選線+大電流精準選線。烏海某變35kV 電站系統（簡化結構）如圖1所示。

圖1 烏海某變35kV電站系統（簡化結構）

2.2 某35kV變電站系統仿真模型及說明

6kV 系統單相接地故障模擬，設定系統處于6kV。I、II 段母線并列運行狀態，單相接地故障位置發生在系統出線電纜末端（按照系統接地故障極限狀態，暫不考慮6kV 系統母線接地），A 相接地，仿真分析時采用簡化方式。電纜和架空線封裝模塊如圖2所示，Cable_L5_2表示的是II段L5。

圖2 電纜和架空線封裝模塊

消弧線圈與大電流發生裝置如圖3所示。

圖3 消弧線圈（左）與大電流發生裝置（右）

9 層變電所1.25KM 的電纜選用Pipe-Type cable constant 模型。架空線選用PI 型模型，T_L7_1 表示I 段的L7 新建洗煤廠的架空線。采用ZigZag變壓器和一個消弧線圈，大電流發生器生成的電流是單相接地電流，在故障發生約20ms 后電流由地反送到母線（持續時間設置為60～100ms）。

單相接地故障如圖4所示，采用一個定時斷路器控制邏輯電路和一個斷路器模擬單相接地故障。

圖4 單相接地故障

單相電弧接地故障如圖5所示，采用定時斷路器控制邏輯電路，一個斷路器，一個設置為0～5Ω的接地電阻和一個受控可變電阻模擬單相電弧接地故障。受控可變電阻是基于改進控制論的電弧模型，該電弧電導由電弧電流幅值，常量系數，電弧長度和經驗系數β和實時測量的電弧電流共同決定。

圖5 單相電弧接地故障

2.3 某變電站系統單相接地仿真過程（波形）及分析

系統單相金屬接地（中性點消弧線圈和大電流精準選線裝置均投入）小電流選線+大電流精準選線。系統單相弧光接地（中性點消弧線圈和大電流精準選線裝置均投入）小電流選線+大電流精準選線。仿真采用波形數據為零序電流，其故障線路和非故障線路為隨機選擇。

2.3.1 6kV系統單相金屬性接地故障仿真

中性點諧振（中性點經消弧線圈接地）接地系統+（單相接地故障：故障相A 相，接地電阻R=0Ω，故障發生時刻t=0.05s；持續時長0.20s）+（大電流發生裝置：60A；注入時刻：0.07秒；持續時間：0.10s）。發生單相金屬接地故障的出線設定為6kV II 段L5 1.25KM MYJV32 3×95 電纜（末端），6kV系統單相金屬接地零序電流穩定最大值見表1。仿真模擬波形圖如圖6所示。

圖6 金屬性接地故障仿真模擬波形圖

表1 6kV系統單相金屬接地零序電流穩定最大值(單位：A)

2.3.2 6kV系統單相弧光接地故障仿真

中性點諧振（中性點經消弧線圈接地）接地系統+（弧光接地故障：故障相A 相，接地電阻R=5Ω，弧長5cm，故障發生時刻t=0.05s；持續時長0.15s） + （大電流發生裝置：60A；注入時刻：0.07 秒；持續時間：0.08s）。發生單相弧光接地故障的出線設定為6kV II 段 L5 1.25KM MYJV32 3＊95 電纜末端，仿真模擬波形圖如圖7所示。6kV系統單相弧光接地零序電流穩定最大值見表2。

圖7 弧光接地故障仿真模擬波形圖

2.3.3 6kV系統單相接地故障仿真波形和數據分析

由圖6、圖7 的零序電流仿真波形和表1、表2零序電流數據的可知，6kV 系統在單相接地時，無論是金屬接地或弧光接地，故障線路的零序電流都由于中性點消弧線圈對接地電流的補償作用而抵消，反而小于非故障線路的零序電流。而大電流精準選線裝置投入后，從故障線路采集到的接地故障零序電流遠遠大于非故障線路的零序電流（幾十倍）。

表2 6kV系統單相弧光接地零序電流穩定最大值(單位：A)

3 結語

中性點不接地系統小電流接地選線裝置判定接地線路的主要判據是電流信號（零序電流）。電流信號過小是影響電流接地選線裝置正確判定接地故障線路的主要因素，在單相接地故障發生后，其故障線路中所產生零序電流屬于數值較小的系統對地電容電流，經過和系統中性點消弧線圈補償電流相互抵消后，其數值變得更小。如采取諧波電流比零序電流的方法來判斷故障線路，往往會因為其電流信號太小，而導致接地回路零序電流低于非接地回路電流的現象，造成其故障線路選線不準確[3]。這個結論符合近年來對中性點不接地系統單相接地選線的研究成果。

本系統發生單相接地故障的線路，在大電流發生裝置投入后，會明顯增加所產生的大電流（零序電流）部分，電流值和電流方向明確，不受補償損失，不受系統干擾，不影響系統其他設備正常運行。因此，在本系統采用此種大電流接地選線的方式，可直接保障系統單相接地故障選線的成功率（99%），其準確率遠高于在本系統單獨使用小電流接地選線方式。