20 kV配電網(wǎng)中性點接地方式切換仿真實驗研究

韓 笑， 趙張磊， 周靈江， 劉 曦(.南京工程學(xué)院 配電網(wǎng)智能技術(shù)與裝備江蘇省協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 000；.浙江臨海市供電公司,浙江 臨海 7000； .浙江溫州市供電公司，浙江 溫州 5000)

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20 kV配電網(wǎng)中性點接地方式切換仿真實驗研究

韓 笑1， 趙張磊1， 周靈江2， 劉 曦3
(1.南京工程學(xué)院 配電網(wǎng)智能技術(shù)與裝備江蘇省協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210003；2.浙江臨海市供電公司,浙江 臨海 317000； 3.浙江溫州市供電公司，浙江 溫州 325000)

基于某地區(qū)20 kV配電網(wǎng)運行參數(shù)，結(jié)合該地區(qū)電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃,采用PSCAD軟件建立相應(yīng)仿真實驗?zāi)Ｐ?。重點研究采用小電阻接地和消弧線圈接地兩種不同中性點接地方式下配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時的關(guān)鍵節(jié)點電氣數(shù)據(jù)，通過分析實驗結(jié)果得到其對相關(guān)設(shè)備和繼電保護的影響。為實際電網(wǎng)中性點采用兩種接地方式短時切換的可行性提供理論依據(jù)。

配電網(wǎng)； 中性點； 接地方式； 切換； 仿真

0 引 言

根據(jù)我國實際情況，20 kV電壓等級的技術(shù)可行性和經(jīng)濟優(yōu)越性已經(jīng)得到論證[1-3]。在20 kV配電網(wǎng)的運行與改造中，中性點接地方式的合理選擇是影響電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與布局，電力設(shè)備設(shè)計制造，電力系統(tǒng)運行管理，繼電保護配置，供電可靠性的關(guān)鍵技術(shù)問題。在新建的20 kV配電網(wǎng)和10 kV升壓改造的20 kV配電網(wǎng)實際運行中存在以下問題。由于大量電纜的應(yīng)用和線路長度的不斷增加，導(dǎo)致發(fā)生永久性單相接地故障時對地電容電流過大。采用消弧線圈接地方式時，對電容電流補償困難加大，故障選線難，非故障相的過電壓水平高，易對部分原10 kV升壓設(shè)備造成絕緣損壞?，F(xiàn)20 kV配電網(wǎng)多為大用電負(fù)荷企業(yè)用戶供電，其對電能質(zhì)量要求高，在采用小電阻接地方式下發(fā)生單相接地故障即線路保護動作跳閘。因配電網(wǎng)架構(gòu)相對薄弱，備用電源不足，故障跳閘所造成的停電將會導(dǎo)致企業(yè)較大的經(jīng)濟損失[4-6]。

對于以上問題，國內(nèi)外專家學(xué)者提出的中性點經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻的靈活接地方式，可通過兩種接地方式短時切換解決單一接地方式存在的問題[7-10]。本文對中性點經(jīng)小電阻接地、經(jīng)消弧線圈接地和前兩者短時切換接地分別進行仿真實驗研究，以期獲得關(guān)鍵電氣節(jié)點的仿真數(shù)據(jù)，從而為中性點接地方式選擇、設(shè)備選型、接地故障選線等提供參考依據(jù)。

1 20 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)模型

1.1 建模依據(jù)

1.1.1 研究對象

以東部沿海某新興城市的20 kV配電網(wǎng)為研究對象進行仿真建模分析，其一次簡圖如圖1所示。該20 kV變電站擁有兩條110 kV進線，兩臺容量為80 MVA的110/20 kV的主變，接線方式為Y，d11。變電站采用內(nèi)橋接線，日常運行時母聯(lián)斷路器斷開兩母線分列運行。20 kV側(cè)共有8條出線，其中部分出線為新建的20 kV線路，部分則由原10 kV配電網(wǎng)線路升壓改造而來。兩臺接地變壓器與各自母線相連，為20 kV側(cè)提供接地點。

圖1 某20 kV配電網(wǎng)一次簡圖

1.1.2 主要設(shè)備參數(shù)

電網(wǎng)電容電流值由接入的線路總長度確定，因此可通過對20 kV出線的導(dǎo)線類型及其長度的統(tǒng)計對電容電流值進行估算。該20 kV配電網(wǎng)共8條出線，主要采用JKLYJ-20/240型架空絕緣導(dǎo)線和YJLV22-18/20-3*400型電纜。其實際長度統(tǒng)計結(jié)果為I段母線II段母線各有JKLYJ-20/240型架空絕緣導(dǎo)線23.9 km，YJLV22-18/20-3*400型電纜5.9 km，各饋線均為典型架空線—電纜混合出線。該兩類導(dǎo)線相關(guān)電氣參數(shù)如表1所示。

表1 導(dǎo)線電氣參數(shù)表

根據(jù)導(dǎo)線統(tǒng)計結(jié)果，可計算出系統(tǒng)等效對地電容。根據(jù)式(1)，可對線路總的電容電流進行估算。計算結(jié)果為56.2 A。依此可通過式(2)對消弧線圈的容量進行計算， 得到其容量為1 000 kVA，電感值為0.65 H。

(1)

式中:Ic為導(dǎo)線對地電容電流(A)；Ul為額定線電壓(V)；C0為單相對地電容(F/km)；L為線路長度(km)。

(2)

式中:Q為消弧線圈補償容量(kVA)；K為系數(shù)(過補償取1.35，裝在電網(wǎng)變壓器中性點的消弧線圈采用過補償方式)；UN為電網(wǎng)額定線電壓(kV)。

1.2 實驗?zāi)Ｐ徒⑴c參數(shù)設(shè)置

利用PSCAD軟件進行該配電網(wǎng)仿真實驗?zāi)Ｐ偷拇罱?。此模型分為電源模塊、雙繞組變壓器模塊、π型線路模塊、接地變壓器模塊、故障模塊和測量模塊。其中使用三相電壓源模型模擬兩變電站110 kV進線，使用上述雙繞組變壓器模型模擬主變，使用π型等值模型對20 kV出線的線路參數(shù)進行設(shè)置，建立仿真模型如圖2所示，模型中的參數(shù)按表2。設(shè)置(I段母線和II段母線的主變與接地變參數(shù)相同)。對系統(tǒng)在不同接地方式下，兩段母線并列運行與分列運行分別進行單相接地故障仿真。

圖2 仿真模型圖

參數(shù)數(shù)值電源電壓值/kV110電源等效阻抗值/H0．037741#主變?nèi)萘?MVA801#主變變比/kV/kV110/211#主變短路電壓百分?jǐn)?shù)/%12．81#主變接線方式Y(jié)，d111#接地變?nèi)萘?MVA1．21#接地變短路電壓百分?jǐn)?shù)%6．9

2 小電阻接地方式故障仿真

小電阻接地方式仿真模型，即在20 kV配電網(wǎng)側(cè)接入接地變壓器，并在接地變壓器中性點接入一個小電阻，從而加入一個有效的接地點，在發(fā)生單相接地故障時，應(yīng)保證使零序過流保護可靠動作。

2.1 兩母線分列運行仿真

系統(tǒng)采用20 Ω小電阻接地，模型中變電站I段母線II段母線分列運行且兩臺接地變壓器均投入，其參數(shù)按表2設(shè)置，對母線發(fā)生單相接地故障進行仿真。故障時的主變低壓側(cè)的電壓如圖3所示。小電阻接地方式下，發(fā)生A相接地故障時故障相電壓降為1.1 kV，非故障相電壓峰峰值上升至24 kV。

圖3 三相電壓波形圖

中性點電流和電壓如圖4所示，中性點電壓值由正常時接近于0上升至12.8 kV，流過中性點的故障電流峰峰值約為560 A。

圖4 中性點電壓電流波形圖

以上仿真結(jié)果說明，由于故障所導(dǎo)致三相電壓不平衡，中性點電壓將上升至額定相電壓的50%以上。該特征量的顯著變化可作為電網(wǎng)是否發(fā)生故障的判據(jù)使用。流過中性點的故障電流約為560 A，能夠保證零序電流保護啟動切除故障。

對饋線1～4的末端發(fā)生單相接地短路進行仿真，對流經(jīng)饋線保護安裝處的零序電流進行采集與統(tǒng)計如下：饋線1為502.4 A，饋線2為503.2 A，饋線3為495.1 A，饋線4為438.5 A。其檢測到的故障電流均為500 A左右，能夠滿足相關(guān)設(shè)備的耐流要求和繼電保護設(shè)備的動作要求。對于系統(tǒng)選擇20 Ω小電阻接地能夠保證零序保護可靠動作于單相接地故障。部分10 kV設(shè)備能夠滿足該接地方式的運行要求。

2.2 兩段母線并列運行說明

針對電網(wǎng)實際運行中可能存在的變電站兩條母線并列運行且接地變壓器均投入的極端情況，對該情況下發(fā)生單相接地故障進行軟件仿真。三相電壓波形與圖3相近，中性點電流如圖5所示。此時發(fā)生單相接地故障，流過兩臺接地變中性點電流相加即故障電流峰峰值將達到810 A。

圖5 中性點電流波形圖

以上仿真結(jié)果說明，由于故障時系統(tǒng)中存在兩個接地點，系統(tǒng)等效接地電阻變?yōu)樵瓉淼囊话霝?0 Ω，饋線保護處檢測到的故障電流約為原來的兩倍。過大的故障電流將會對繼電保護設(shè)備造成影響。按照《浙江電網(wǎng) 20 kV系統(tǒng)繼電保護配置及整定運行規(guī)范》和江蘇省電力公司《20 kV配電系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定小電阻接地方式運行時，兩段母線不能并列運行。

3 消弧線圈接地的故障仿真

系統(tǒng)采用消弧線圈接地方式運行，消弧線圈電感值為0.65 H，接地變壓器容量選擇為1 200 kVA，其他參數(shù)按表2設(shè)置。在電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，消弧線圈應(yīng)能夠補償電網(wǎng)中電容電流，將故障殘流控制在10 A以內(nèi)。

3.1 兩端母線分列運行仿真分析

兩段母線分列運行各自接地變壓器均投入，對饋線末端發(fā)生單相接地故障進行仿真。故障時主變低壓側(cè)的電壓如圖6所示，消弧線圈接地方式下，電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障將導(dǎo)致故障相電壓降低至0.1 kV，非故障相電壓峰峰值將到達26 kV。

圖6 三相電壓波形圖

中性點電流和電壓如圖7所示。故障將導(dǎo)致中性點電壓升高至12.1 kV，而流過中性點的故障電流僅為2.6 A。

圖7 中性點電壓電流波形圖

以上仿真結(jié)果說明，由于消弧線圈的補償作用導(dǎo)致故障殘流大幅降低，但同時也將會對饋線保護可靠動作造成影響。無法切除故障導(dǎo)致的非故障相過電壓，從而將對原部分10 kV升壓改造設(shè)備造成絕緣安全隱患。

3.2 對相關(guān)設(shè)備的影響

現(xiàn)變電站中使用的集合式并聯(lián)電容器絕緣耐壓水平為42/75 kV，ABB三工位開關(guān)額定短時耐受電流為25 kA，ABB氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備額定短時工頻耐壓為65 kV，耐流為25 kA，LMZ6-0.5/250型電流互感器短時耐受熱電流為25/4 kA/s，耐受動穩(wěn)定電流為63 kA，均能滿足消弧線圈接地方式運行下的耐壓耐流要求。但是針對部分仍在使用的10 kV電纜，由于其是按照10 kV電壓等級要求進行設(shè)計，存在絕緣薄弱環(huán)節(jié)被擊穿，發(fā)展成為相間短路使事故擴大的隱患。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，中性點故障殘流為2.6 A，現(xiàn)階段使用的1 200 kVA容量的接地變壓器能夠滿足電容電流補償要求。

對于小電阻接地方式中對接地類型故障配置的主保護(零序電流保護)，在消弧線圈接地方式中由于故障殘流小，將使原有的保護失效，需重新配置小電流接地系統(tǒng)選線保護裝置。

4 兩接地方式短時切換仿真

針對上述仿真分析，對于現(xiàn)階段的20 kV配電網(wǎng)，采用小電阻接地方式，發(fā)生故障即保護動作造成線路短時停電，供電可靠性低；但采用消弧線圈接地方式，由于現(xiàn)有技術(shù)暫無法實現(xiàn)準(zhǔn)確快速的故障選線與定位，若長時間帶故障運行，部分原10 kV升壓改造設(shè)備無法滿足絕緣要求。本節(jié)對采用兩種接地方式短時切換的系統(tǒng)進行仿真，即電網(wǎng)正常運行時，采用消弧線圈接地方式，若發(fā)生瞬時性接地故障，系統(tǒng)可通過消弧線圈補償故障電流接地電弧自行熄滅，保證電網(wǎng)連續(xù)可靠供電；若發(fā)生永久性接地故障，可通過切換至小電阻接地方式，保證保護動作隔離故障線路。

在PSCAD軟件中將模型20 kV側(cè)母線連上接地變壓器，變壓器中采用消弧線圈并聯(lián)電阻的接地方式，即在發(fā)生接地故障后的一段時間內(nèi)，短時投入并聯(lián)電阻。消弧線圈和并聯(lián)電阻的參數(shù)采用諧振接地的消弧線圈電感值和小電阻接地中電阻值。軟件仿真系統(tǒng)在0.2 s時發(fā)生永久性故障，0.3時投入并聯(lián)的電阻，0.4 s時斷開該電阻。電網(wǎng)流經(jīng)中性點故障電流見圖8。在系統(tǒng)為消弧線圈接地期間流過中性點的故障電流約為2.5 A，在0.2～0.3 s短時切換為小電阻接地時流過中性點的故障電流峰峰值將達到510 A。

圖8 中性點電流波形圖

以上仿真結(jié)果說明，在電網(wǎng)發(fā)生永久性接地故障時，切換接地方式為小電阻接地，可使故障電流達到較大值從而保證繼電保護裝置可靠動作切除故障。

5 結(jié) 語

本文對20 kV配電網(wǎng)中性點經(jīng)消弧線圈、經(jīng)小電阻以及兩者短時切換接地進行單相接地故障仿真實驗。仿真結(jié)果表明，故障將導(dǎo)致非故障相電壓大幅上升。小電阻接地方式下兩端母線分列運行，故障電流約為500 A，故障殘流大，保護裝置能夠可靠動作隔離故障。但存在一有故障即跳閘，無法區(qū)分瞬時性故障與永久性故障，對于架構(gòu)相對薄弱備用電源不足的新建20 kV配電網(wǎng)無法保證供電可靠性。消弧線圈接地方式可帶故障運行，但故障殘流低，故障線路無法準(zhǔn)確選擇，存在絕緣擊穿事故擴大的隱患。通過兩種接地方式短時切換的故障仿真實驗，驗證該方式能夠通過短時切換電阻接地增大故障電流，解決上述兩種單一接地方式的不足。本文的實驗研究為兩種接地方式短時切換提供了理論依據(jù)，對20 kV電壓等級的城鎮(zhèn)配電網(wǎng)和工業(yè)園區(qū)配電網(wǎng)的中性點接地方式選擇具有借鑒和參考作用。

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Experiment of 20 kV Distribution Network Neutral Grounding Mode Switching Simulation

HANXiao1,ZHAOZhang-lei1,ZHOULing-jiang2,LIUXi3
(1.Jiangsu Collaborative Innovation Center of Smart Distribution Network, Nanjing Institute of Technology，Nanjing 210003, China; 2. Zhejiang Linhai Power Supply Company, Linhai 317000，China; 3. Zhejiang Wenzhou Power Supply Company，Wenzhou 325000，China)

This paper uses PSCAD software to establish the corresponding simulation model based on a regional 20 kV distribution network operating parameters and the region's power grid development plan. This paper highlights electrical data in key nodes when low resistance grounding system and arc suppression coil grounding system occur and lead to single-phase ground fault. This paper also analyzes the impact of related equipment and relay protection, and provide the theoretical basis of short-term switching grounding mode.

distribution network； the neutral point; grounding mode; switching; simulation

2014-06-29

韓 笑(1969-)，男，江蘇揚州人，碩士，教授，主要研究方向：電力系統(tǒng)保護與控制，配網(wǎng)自動化。E-mail：hxslqc@sina.com

TM 711

A

1006-7167(2015)02-0088-04