配電網(wǎng)小電流接地故障分析

吳桂峰 朱菲菲 王 軒

（1.揚(yáng)州大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.揚(yáng)州北辰電氣設(shè)備有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127）

江蘇省揚(yáng)州市在開發(fā)區(qū)準(zhǔn)備進(jìn)行配電網(wǎng)的改造，進(jìn)行智能化升級。為了能夠順利實(shí)現(xiàn)該方案實(shí)施，需要對目前的配電網(wǎng)以及變電站的總體情況進(jìn)行分析。配電網(wǎng)發(fā)生故障的頻率很高，以小電流接地故障最為頻繁，并且小電流接地故障最為難查找，為防止事故擴(kuò)大，提高電網(wǎng)供電的可靠性，必須對小電流接地故障進(jìn)行快速準(zhǔn)確定位。

1 常用的配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

中低壓配電網(wǎng)由電纜線路、架空線路、架空及電纜混合線路、戶外環(huán)網(wǎng)柜、電纜分接箱、 配電所（含箱式變電站）、柱上變壓器、柱上開關(guān)、開閉所、接戶線、計(jì)量裝置及配電自動(dòng)化裝置等構(gòu)成。配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)根據(jù)下述條件設(shè)計(jì)：

1）供電半徑要小于3km。架空線路采用柱上負(fù)荷開關(guān)進(jìn)行分段，電纜線路采用環(huán)網(wǎng)柜作來進(jìn)行分段。每條架空線路要求不超過三段，每段裝接容量不可超過4400kVA。環(huán)網(wǎng)柜為電纜的分支節(jié)點(diǎn)，用分支箱來實(shí)現(xiàn)電纜分支線路的分段。

2）選擇導(dǎo)線的截面積時(shí)得考慮滿足20年負(fù)荷使用的需要。一般情況下，架空線的干線使用 240m2鋁芯絕緣線；按所帶容量確定分支架空線截面。干線電纜采用并聯(lián)的兩條鋁芯240m2交聯(lián)絕緣電纜；分支線電纜選用單根電纜，截面按其所帶容量進(jìn)行確定。

3）按0.4的負(fù)荷同時(shí)率考慮線路的裝接總?cè)萘浚娎|單環(huán)網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，每條線路應(yīng)留有50%的備用容量，其總?cè)萘坎坏贸^13000kVA。

基于上述考慮，可將環(huán)網(wǎng)改造以下幾種情況。

1）網(wǎng)群結(jié)構(gòu)

網(wǎng)群結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要是變電站出線通過環(huán)網(wǎng)柜一分為三，每一段通過開關(guān)和另外兩個(gè)電源點(diǎn)相聯(lián)，供電可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過單環(huán)網(wǎng)，達(dá)到“N-2”。而線路的運(yùn)行率不低于75%。但網(wǎng)群結(jié)構(gòu)接線復(fù)雜，只有配合配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)才能發(fā)揮其優(yōu)勢。

圖1 網(wǎng)群結(jié)構(gòu)

2）N-1網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

N條電纜線路連成電纜環(huán)網(wǎng)，其中有1條作為公共備用線路，被稱為N-1備接方式。這種接線方式非常適合在城市核心區(qū)、繁華地區(qū)和住宅小區(qū)。當(dāng)非備用線路滿載運(yùn)行時(shí)，若有某條正在運(yùn)行線路出現(xiàn)故障，則可通過切換把備用線路投入運(yùn)行。該種模式隨著N-1值的不同，其接線的運(yùn)行靈活性、可靠性和線路的平均負(fù)載率均有所不同。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了進(jìn)一步提高可靠性，盡量保證正常供電線路和備用線路的電源來自不同電源點(diǎn)。這樣可以能夠提高理論負(fù)載率。理論上線路平均負(fù)載率不低于75%。

圖2 N供一備接線

3）架空線路和電纜接線混合使用的混合式接線

對于混合式接線，架空線和電纜線路的供電范圍宜進(jìn)行分隔，兩者之間可設(shè)聯(lián)絡(luò)點(diǎn)，但正常時(shí)應(yīng)打開，只在故障時(shí)利用，如圖3所示。

圖3 架空線路和電纜接線混合使用的混合式接線

2 配電網(wǎng)的可靠性分析

供電可靠性是指電網(wǎng)對用戶連續(xù)供電的可靠程度，應(yīng)滿足下列2個(gè)目標(biāo)中的具體規(guī)定：①電網(wǎng)供電安全準(zhǔn)則；②滿足用戶用電的程度。城市中壓配電網(wǎng)的接線方式應(yīng)在滿足供電可靠性的前提下力求簡潔，便于實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)自動(dòng)化。由于配電網(wǎng)是直接面向用戶的，所以可以在實(shí)際分析時(shí)認(rèn)為配電網(wǎng)由若干區(qū)域組成，且每個(gè)區(qū)域都應(yīng)由110kV配電站、10kV線路、開關(guān)設(shè)備等構(gòu)成；同時(shí)，每個(gè)區(qū)域都是以110kV配電站為中心、以配電站的供電半徑為半徑的圓形供電區(qū)域。

圖4表示了可靠性指標(biāo)在不同配電網(wǎng)接線模式下的情況，圖中用相鄰柱狀圖代表不同方案的可靠性指標(biāo)負(fù)荷密度曲線。

圖4 各種接線模式的可靠性指標(biāo)

對于同一種接線方式，在一定的變電站容量下，供電區(qū)域負(fù)荷密度的增加導(dǎo)致了含有架空和電纜線路配電網(wǎng)的可靠性提高。如變電站容量和負(fù)荷密度不變，采用完全由架空線組成的配電網(wǎng)，可靠性由高到底的順序依次是分段三聯(lián)絡(luò)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、分段兩聯(lián)絡(luò)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、手拉手網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和單輻射網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。對于完全由電纜線組成的電網(wǎng)，可靠性由高到低的順序依次是分段兩聯(lián)絡(luò)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、N-1網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、手拉手網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和單輻射網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

綜上所述，建議配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用架空接線的不同母線出線的環(huán)式接線模式，在可靠性要求較高的區(qū)域例如城區(qū)段等建議采用電纜接線的網(wǎng)群接線模式、架空接線的三分段四聯(lián)絡(luò)接線模式，也可以采用網(wǎng)群和三分段四聯(lián)絡(luò)混合接線方式。

3 小電流接地故障分析

本文利用Matlab仿真工具箱對揚(yáng)州10kV呂橋變配電網(wǎng)進(jìn)行了仿真，當(dāng)呂橋變發(fā)生單相接地故障時(shí)進(jìn)行仿真，在中性點(diǎn)各種接地方式下系統(tǒng)的各相電壓電流以及中性點(diǎn)電流的變化情況。

3.1 故障參數(shù)的設(shè)置

該電網(wǎng)母線帶有七條出線的10kV系統(tǒng)為算例，如圖5所示。這七條出線有電纜線路以及架空線路和電纜線路的混合線路。電纜線路和架空線路都用π型線路模擬。線路參數(shù)如表 1所示。變壓器等值電抗XT=j0.5Ω，電壓等級110/10kV，線路的長度為呂橋變的實(shí)際線路長度，接地方式為過補(bǔ)償，補(bǔ)償度為7.5%。

根據(jù)呂橋變的實(shí)際情況和Simulink仿真建模的特點(diǎn)，圖5中電源用三相電源模塊等效，其內(nèi)部的設(shè)置根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置；變壓器使用采三相雙繞組△/Y11的降壓變壓器；線路參數(shù)根據(jù)前面所分析為π型分布模型。在Matlab/Simulink中的建模如圖6所示，本圖為一條線路的建模圖。

圖5 七條出線的10kV簡單系統(tǒng)

表1 線路參數(shù)

圖6 小電流接地故障建模圖形

3.2 故障的仿真分析

由于在故障時(shí)，零序電流的變化最為明顯，所以仿真分析時(shí)主要是對電流的分析。

1）不同線型的故障

在圖5中，當(dāng)架空線123線路發(fā)生故障時(shí)，其故障線路及其臨近線路的零序電流變化的情況如圖7（a）所示。當(dāng)電纜線 131線路發(fā)生故障時(shí)，其故障線路及其臨近線路的零序電流變化的情況如圖 7（b）所示。

圖7 不同線型線路故障的零序電流

圖8 不同故障時(shí)間

2）不同故障時(shí)間

不同的故障時(shí)間，相位是不一樣的，零序電流變化也不一樣，如圖8所示。相位角大時(shí)，其零序電流的值變化大，且過渡時(shí)間長；相位角小時(shí)，其零序電流的值比穩(wěn)態(tài)時(shí)校很多，且過渡時(shí)間很短。

3）不同故障電阻

用了10?，100?和1000?的做的測試，如圖9所示。發(fā)現(xiàn)電阻越大，零序越小，過渡時(shí)間越短，對檢測零序電流也難。

圖9 不同故障電阻

4）不同故障距離

距離母線的距離不一樣，其故障電流的大小也不一樣，如圖10所示。距離母線越短，其故障電流越大，其過渡時(shí)間也越短。

圖10 不同故障距離

5）間歇性故障

每隔一段時(shí)間就故障一次，這樣故障的變化過程復(fù)雜，無法判斷是否接地，如圖11中（a）所示。

圖11 幾種故障

6）金屬性故障

沒有過渡電阻，是直接接地，其零序電流值瞬間達(dá)到最大，然后在復(fù)雜的振蕩中慢慢衰減，如圖11中（b）所示。

7）故障的五次諧波

通過對故障的5次諧波進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在故障后的變化最為明顯，持續(xù)近一個(gè)周期然后衰減為0，如圖11中（c）所示。

通過上面的仿真分析，與前面的理論分析是相符的。

4 故障定位

通過對故障信號的提取發(fā)現(xiàn)，不同特征的故障其故障波形是不一樣的，因此利用支持向量機(jī)算法對故障信號進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其能準(zhǔn)確的定位到故障的線路。

5 結(jié)論

通過小電流接地系統(tǒng)故障過程分析及仿真，討論小電流接地對配電網(wǎng)的影響，可知不同形式、不同時(shí)間的故障對線路的影響是不一樣的，利用支持向量機(jī)對故障進(jìn)行定位，證明對小電流的接地故障的準(zhǔn)確定位是可行的，其定位的結(jié)果是令人滿意的。

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