中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)單相接地故障仿真分析

潘馨雨， 張新慧， 哈恒旭

(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 山東 淄博 255091)

小電流接地系統(tǒng)又稱為中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)，其接地方式分為三種[1-2]：中性點(diǎn)不接地，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地和中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地.在我國中低壓配電網(wǎng)中，采用的是中性點(diǎn)不接地方式和中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式[3].其中發(fā)生的故障多數(shù)是單相接地故障，由于故障電流很小，所以給檢測帶來了很大的困難[4].傳統(tǒng)的故障選線方法大多基于穩(wěn)態(tài)信號，不適用于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)及間歇性電弧接地故障[5].與穩(wěn)態(tài)信息相比，故障的暫態(tài)信息較為明顯，更能反映故障特征[6].同時，基于暫態(tài)信息的故障選線方法不僅適用于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，也適用于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)及間歇性電弧接地故障[7].

本文建立了一種小電流接地系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用于分析發(fā)生單相接地故障和間歇性故障時故障線路和非故障線路的零模暫態(tài)能量值的特征.同時，利用電磁暫態(tài)程序ATP結(jié)合Matlab[8]作了大量的仿真研究.并討論不同接地過渡電阻、不同故障距離、不同故障初始角對故障零模暫態(tài)能量值所產(chǎn)生的影響.

1 利用零模暫態(tài)能量的檢測原理

零模暫態(tài)能量法是根據(jù)故障線路的零模暫態(tài)能量函數(shù)值小于零，而非故障線路零模暫態(tài)能量函數(shù)值大于零的原理進(jìn)行故障選線.利用零模暫態(tài)電壓導(dǎo)數(shù)和零模暫態(tài)電流定義一個零模暫態(tài)能量函數(shù)P(t)如式(1)所示：

(1)

其中：V0為零模暫態(tài)電壓；I0為零模暫態(tài)電流.

2 故障選線原理的仿真及分析

2.1 仿真模型

小電流接地系統(tǒng)仿真模型如圖1所示，對不同位置處發(fā)生單相接地故障進(jìn)行仿真分析。系統(tǒng)電源中性點(diǎn)處由開關(guān)控制，打開開關(guān)構(gòu)成中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，閉合開關(guān)構(gòu)成中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng).

圖1 系統(tǒng)仿真模型

2.2 模型參數(shù)

電源電壓為110kV，變壓器變比為110/10.5[9].線路L1=36km，L2=3km，L3=6km，L4=12km，L5=24km.單位長度線路參數(shù)如下：正序電阻0.17Ω/km；零序電阻0.23Ω/km；正序電感0.38mH/km；零序電感1.72mH/km；正序電容3.045pF/km；零序電容1.884pF/km；消弧線圈電感2519mH，并聯(lián)電阻10Ω.

2.3 仿真條件

(1)采樣頻率取100kHz[10].

(2)接地點(diǎn)過渡電阻分別取5Ω、100Ω、500Ω、1 000Ω四種情況進(jìn)行仿真.

(3)設(shè)故障點(diǎn)距離線路首端分別為1km、5km、15km、25km.

(4)故障初相角分別取0°、30°、60°、90°四種情況進(jìn)行仿真.

(5)零模暫態(tài)能量值利用式(1)進(jìn)行計算，通過編制Matlab應(yīng)用程序調(diào)用電磁暫態(tài)程序ATP仿真得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制零模暫態(tài)能量波形圖.

2.4 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

打開中性點(diǎn)處開關(guān)，構(gòu)成中性點(diǎn)不接地系統(tǒng).由于篇幅所限，僅以線路1首端發(fā)生過渡電阻為5Ω的接地故障為例，比較線路1、3、5零模暫態(tài)能量值的仿真結(jié)果及數(shù)據(jù).

(1)仿真結(jié)果.線路1、3、5零模暫態(tài)能量值的仿真波形如圖2所示.

圖2 線路1、3、5零模暫態(tài)能量值的仿真波形

各線路的零模暫態(tài)能量值見表1.

表1 各線路零模暫態(tài)能量值

注：表中P表示零模暫態(tài)能量值，下同。

(2)結(jié)果分析.通過總結(jié)大量的仿真計算結(jié)果及仿真得到的波形可以得出如下結(jié)論：中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，故障線路的零模暫態(tài)能量值小于零，而非故障線路的零模暫態(tài)能量值大于零.觀察仿真圖2及數(shù)據(jù)結(jié)果表1可以看出，故障線路1的零模暫態(tài)能量值小于零，且幅值明顯大于其余線路，故障特征明顯，極易檢測.

1.2 試藥 大黃素-8-O-β-D-葡萄糖苷（批號23313-21-5，純度以98.45%計，由深圳菲斯化工有限公司提供）；大黃素甲醚-8-O-β-D-葡萄糖苷（批號131012，純度以98.41%計，由成都克洛瑪生物科技公司提供）。甲醇、磷酸為色譜純，美國Fisher公司；水為超純水，其余試劑均為分析純。

2.5 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

閉合中性點(diǎn)處開關(guān)，構(gòu)成中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng).為了與中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)進(jìn)行對比，仍以線路1首端發(fā)生過渡電阻為5Ω的接地故障為例，比較線路1、3、5的零模暫態(tài)能量值的仿真結(jié)果及數(shù)據(jù).

(1)仿真結(jié)果.線路1、3、5零模暫態(tài)能量值的仿真波形如圖3所示.

圖3 線路1、3、5零模暫態(tài)能量值的仿真波形

各線路的零模暫態(tài)能量值見表2.

表2 各線路零模暫態(tài)能量值

(2)結(jié)果分析.通過總結(jié)大量的仿真計算結(jié)果及仿真得到的波形可以得出如下結(jié)論：中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，消弧線圈的補(bǔ)償作用對故障后的零模暫態(tài)能量值無影響，同樣可得出故障線路的零模暫態(tài)能量值小于零，而非故障線路的零模暫態(tài)能量值大于零.觀察仿真圖3及數(shù)據(jù)結(jié)果表2可以看出，故障線路1的零模暫態(tài)能量值小于零，幅值同樣明顯大于其余線路，故障特征亦明顯，極易檢測.

2.6 間歇性接地故障

以線路1首端發(fā)生間歇性接地故障為例，檢測線路1、3、4的零模暫態(tài)能量值.

(1)仿真結(jié)果.中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生間歇性接地故障的零模暫態(tài)能量值仿真波形如圖4所示.中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生間歇性接地故障的零模暫態(tài)能量值仿真波形如圖5所示.

圖4 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)間歇性接地故障仿真波形

圖5 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)間歇性接地故障仿真波形

(2)結(jié)果分析.通過總結(jié)大量的仿真計算結(jié)果及仿真得到的波形可以得出如下結(jié)論：零模暫態(tài)能量法同樣適用于間歇性接地故障.觀察仿真圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，對于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)和中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)在0.025～0.04和0.06～0.08之間發(fā)生故障時，故障特征明顯，且與發(fā)生一次性故障時具有同樣特征.

2.7 過渡電阻的影響

以線路1首端分別經(jīng)過渡電阻為5Ω、100Ω、500Ω、1 000Ω接地故障為例，檢測各線路的零模暫態(tài)能量值.

表3 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)不同接地過渡電阻時零模暫態(tài)能量值

(2)結(jié)果分析.通過仿真計算結(jié)果及仿真得到的波形可以得出如下結(jié)論：

1)故障點(diǎn)的接地過渡電阻不同，測得的零模暫態(tài)能量值出現(xiàn)很大的差別，接地過渡電阻值越小，故障線路的零模暫態(tài)能量值越大，檢測靈敏度越高.

2)隨著接地過渡電阻的增大，故障線路的零模暫態(tài)能量值降低，檢測靈敏度也降低.

觀察表3可知,當(dāng)接地過渡電阻達(dá)到一定數(shù)值時，如當(dāng)R=1 000Ω時，故障線路的零模暫態(tài)能量值僅為-5.96，幅值太小，不易檢測.

對于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)也作了大量仿真，得到了相同的結(jié)論.

2.8 故障距離的影響

以接地點(diǎn)距離線路1首端為1km、5km、15km、25km時過渡電阻為5Ω接地故障為例，檢測各線路的零模暫態(tài)能量值.

(1)仿真結(jié)果.中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)不同故障距離時測得的零模暫態(tài)能量值在表4中列出.

表4 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)不同故障距離時零模暫態(tài)能量值

(2)仿真分析.通過仿真計算結(jié)果及仿真得到的波形可以得出如下結(jié)論：接地故障點(diǎn)距線路首端距離不同，測得的零模暫態(tài)能量值變化不大，當(dāng)故障距離較大時仍能通過數(shù)據(jù)可靠選出故障線路，且在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中得到相同的結(jié)論.

2.9 故障初相角的影響

以線路1首端故障初相角為0°、30°、60°、90°時過渡電阻為5Ω接地故障為例，檢測各線路的零模暫態(tài)能量值.

(1)仿真結(jié)果.中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)不同故障初相角時測得的零模暫態(tài)能量值在表5中列出.

表5 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)不同故障初相角時零模暫態(tài)能量值

(2)仿真分析.通過仿真計算結(jié)果及仿真得到的波形可以得出如下結(jié)論：故障初相角不同時，測得零模暫態(tài)能量值有一定的變化，但在各種故障初相角的情況下，故障線路與非故障線路的零模暫態(tài)能量值區(qū)別明顯，仍能以此準(zhǔn)確的判別出故障線路.中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中可得到同樣的結(jié)論.

3 結(jié)束語

本文構(gòu)造了中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)和中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的仿真模型，針對不同故障情況下的單相接地故障，應(yīng)用電磁暫態(tài)程序ATP進(jìn)行了大量仿真。仿真結(jié)果表明: 零模暫態(tài)能量法檢測靈敏度高，除了接地過渡電阻過大時檢測靈敏度有所降低外，幾乎不受其他故障因素影響；零模暫態(tài)能量法可用于檢測間歇性接地故障.

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