配網(wǎng)電纜中性點(diǎn)小電阻接地故障及選線研究

雷健新　張　浩　彭道剛

(上海電力學(xué)院自動(dòng)化工程學(xué)院，上?！?00090)

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配網(wǎng)電纜中性點(diǎn)小電阻接地故障及選線研究

雷健新張浩彭道剛

(上海電力學(xué)院自動(dòng)化工程學(xué)院，上海200090)

為確保電網(wǎng)的安全運(yùn)行，對(duì)配網(wǎng)電纜接地故障特征及選線方法進(jìn)行研究。首先對(duì)中性點(diǎn)小電阻接地模式進(jìn)行理論分析，利用Matlab/Simulink軟件平臺(tái)，建立電纜故障仿真模型。針對(duì)性地研究了單相接地和兩相接地短路故障的特性以及不同故障因素對(duì)故障特征的影響。結(jié)合電纜故障選線系統(tǒng)存在的不足，提出了一種基于零序電流的群體比幅比相法。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性與有效性。

電纜故障小電阻接地Matlab/Simulink零序電流群體比幅比相法故障選線

0　引言

隨著城鎮(zhèn)配網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，以電纜輸電線路為主的配網(wǎng)模式日漸完善；與此同時(shí)，電纜路徑的日益復(fù)雜以及電容電流的不斷增大，使得電網(wǎng)故障日益頻繁，甚至引發(fā)大面積斷電事故，威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行[1]。此外，常見的中性點(diǎn)消弧線圈接地模式使得故障點(diǎn)容性電流得到補(bǔ)償，從而大幅減小殘流，不利于對(duì)故障線路零序分量的大小、方向辨別。這不僅影響故障選線方法的準(zhǔn)確性，而且使選線裝置面臨更大的挑戰(zhàn)。

配網(wǎng)電纜系統(tǒng)故障的仿真研究，不僅從技術(shù)層面上為故障選線提供數(shù)據(jù)支撐，利于后續(xù)故障的識(shí)別與定位，還有助于快速恢復(fù)系統(tǒng)供電，維護(hù)電網(wǎng)安全運(yùn)行。同時(shí),對(duì)配網(wǎng)系統(tǒng)供電的可靠性和經(jīng)濟(jì)性也起著重要作用[2-12]。針對(duì)配網(wǎng)電纜系統(tǒng)接地故障，本文提出了一種基于零序電流的群體比幅比相法。

1　中性點(diǎn)小電阻接地

實(shí)際配網(wǎng)系統(tǒng)中，發(fā)生單相接地故障的概率最大[7]。配網(wǎng)電纜單相接地故障特征與中性點(diǎn)接地形式密切相關(guān)。目前，電纜比例的上升，使得中性點(diǎn)不接地和消弧線圈接地方式均無(wú)法滿足系統(tǒng)要求，而中性點(diǎn)小電阻接地方式則具有諸多優(yōu)勢(shì)[3,6]，可有效避免間歇性弧光接地過(guò)電壓或諧振過(guò)電壓，限制系統(tǒng)中性點(diǎn)電位偏移。因此，本文選擇中性點(diǎn)小電阻接地方式。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，配網(wǎng)電纜系統(tǒng)的中性點(diǎn)小電阻可根據(jù)式(1)求取。

(1)

式中：Rn為中性點(diǎn)電阻，Ω；Ux為相電壓，V；Ic為電容電流，A。

配網(wǎng)電纜系統(tǒng)中性點(diǎn)小電阻接地方式的單相接地故障示意圖如圖1所示[4,8]。

圖1　單相接地故障示意圖

圖1中：Ea、Eb、Ec分別為A相、B相、C相的電動(dòng)勢(shì)，V；Rn為中性點(diǎn)接地電阻，Ω；Rf為故障點(diǎn)過(guò)渡電阻，Ω；C0、C1、C2為三相對(duì)地電容，F(xiàn)；Ib和Ic分別為對(duì)應(yīng)相的電容電流(或非故障相零序電流)，A；F為故障點(diǎn)；虛線表示配網(wǎng)多回出線；If為流經(jīng)故障點(diǎn)電流，A。

Ic+IR

(2)

式中：U0為中性點(diǎn)電壓，V；Ic為總電容電流，A；IR為中性點(diǎn)小電阻電流，Ω。

2　配網(wǎng)電纜故障仿真建模

本文采用Matlab/Simulink軟件對(duì)配網(wǎng)電纜進(jìn)行仿真建模。

考慮到線路長(zhǎng)度與電磁波波長(zhǎng)的比例，采用π型參數(shù)模塊作為輸電線路模型[4,7,10]。長(zhǎng)度分別取10km、20km、30km、30km和40km。電源模塊采用理想三相電源，額定頻率為50Hz，初始相角為0°；降壓變壓器采用Y/Y型聯(lián)接，變比取110kV/10.5kV，中性點(diǎn)接地電阻設(shè)置為10Ω；三相負(fù)載用阻感負(fù)荷等效，等效負(fù)荷功率因數(shù)取0.85，并采用等效三角形接線方式。

配網(wǎng)輸電線路參數(shù)具體如表1所示。

表1　配網(wǎng)輸電線路參數(shù)

3　配網(wǎng)電纜故障仿真分析

3.1單相接地故障

單相接地故障電壓與電流波形如圖2所示。

圖2　單相接地故障電壓與電流波形

仿真模型中，設(shè)定在0～0.03s時(shí)間段內(nèi)，系統(tǒng)處于對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)t=0.03s時(shí)，電纜線路L5的A相距離母線6km處發(fā)生單相低阻接地故障，故障采用電阻與開關(guān)串聯(lián)的形式。為使故障特征更加鮮明，故障過(guò)渡電阻設(shè)置為1Ω(近似于金屬接地)。

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，三相系統(tǒng)電壓和電流均處于對(duì)稱狀態(tài)，中性點(diǎn)電壓為零，并不存在零序電流；當(dāng)t=0.03s時(shí)，電纜L5發(fā)生A相接地故障，三相電壓和電流均處于非對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài)，中性點(diǎn)電壓不再為零，且產(chǎn)生零序電流。由于接地電阻和過(guò)渡電阻的故障回路阻值很小，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障相電壓瞬間趨于零，而非故障相對(duì)地電壓顯著升高，暫態(tài)過(guò)程很短，較好地抑制了過(guò)電壓的發(fā)生。電纜故障回路A相電流值遠(yuǎn)大于非故障相電流值，瞬間出現(xiàn)明顯的沖擊波(包含豐富的暫態(tài)分量)，并能較快趨于穩(wěn)定。

3.2接地故障因素的影響

影響故障特征的因素很多，改變?nèi)魏我粋€(gè)相關(guān)因素都會(huì)不同程度地影響故障特征[4]，因而有必要對(duì)常見的故障因素進(jìn)行研究。下面通過(guò)改變故障點(diǎn)距離和故障點(diǎn)過(guò)渡電阻等因素，對(duì)配網(wǎng)電纜故障特征作進(jìn)一步分析。

3.2.1故障距離的影響

故障點(diǎn)距離母線端的位置明顯影響了故障暫態(tài)過(guò)程，一般距離母線越近，對(duì)故障的影響越大；反之則越小。考慮到故障點(diǎn)位置變化對(duì)非故障相電壓幾乎無(wú)影響[4]，分別取故障距離為1km、10km、20km和30km進(jìn)行仿真分析，其余參數(shù)均一致，僅比較不同故障距離的A相故障電流波形，如圖3所示。

圖3　不同故障距離的A相電流波形

由圖3可以看出，在故障距離從1km到30km的過(guò)渡過(guò)程中，故障電流的暫態(tài)幅值逐漸減小，暫態(tài)過(guò)程趨于平緩。

3.2.2故障過(guò)渡電阻的影響

接地故障一般可分為金屬性接地故障、低阻故障和高阻故障等。不同阻值的過(guò)渡電阻對(duì)應(yīng)不同的故障類型和波形特征。

過(guò)渡電阻為1Ω、10Ω、100Ω、1kΩ的不同故障相電流波形如圖4所示。對(duì)比分析可知，當(dāng)故障過(guò)渡電阻為1Ω或者更小時(shí)，流經(jīng)A相故障點(diǎn)的電流幅值將取最大值，此時(shí)配網(wǎng)系統(tǒng)將面臨最大危脅；隨著過(guò)渡電阻的增大，流經(jīng)A相故障點(diǎn)電流幅值將逐漸減小，當(dāng)取值為1kΩ甚至更高數(shù)值而形成高阻故障時(shí)，故障電流幾乎趨近于零且波形更為平緩。

圖4　不同故障過(guò)渡電阻的故障相電流波形

3.3兩相接地短路故障

配網(wǎng)電纜中，兩相接地短路故障概率低于單相接地故障，但長(zhǎng)時(shí)間的單相接地故障運(yùn)行，很可能致使其余相發(fā)生故障，進(jìn)而演變成兩相接地短路故障[1,4,10]。兩相接地短路故障電壓和電流波形如圖5所示。

圖5中：A、C相為故障相，短路電阻取5Ω，其余參數(shù)設(shè)置不變，故障發(fā)生時(shí)刻仍為0.03s。故障發(fā)生后，故障相電壓下降幅度很大。與圖2比較可知，非故障相電壓升高的幅值大于單相接地故障非故障相電壓幅值；短路故障母線處故障電流明顯升高，非故障電流(Ib)變化不大，而且短路故障電流的幅值也高于單相接地故障的電流幅值，暫態(tài)過(guò)程維持較短。

圖5　兩相接地短路故障電壓和電流波形

4　配網(wǎng)電纜故障選線

配網(wǎng)中性點(diǎn)小電阻接地方式可以避免諸多不足，其優(yōu)勢(shì)在于故障特征明顯，零序電流大小和相位易于檢測(cè)[6,11]。本文在此基礎(chǔ)上提出一種適用于配網(wǎng)電纜系統(tǒng)的故障選線方法，即基于零序電流的群體比幅比相法。

群體比幅比相法利用所有支路零序電流的比幅法和相對(duì)相位法，進(jìn)行故障選線[2,8-9]。

圖6為5回出線單相接地低阻故障的零序電流波形，故障過(guò)渡電阻為10Ω。在0～0.03s時(shí)間段內(nèi)，配網(wǎng)線路正常運(yùn)行，三相電流對(duì)稱，零序電流為0；當(dāng)t=0.03s時(shí)，配網(wǎng)5回線路均出現(xiàn)零序電流，線路L5的電流幅值明顯大于其他線路，且滿足線路L5零序電流幅值等于其余線路零序電流之和；選取同一時(shí)刻比較5回出線的相對(duì)相位，發(fā)現(xiàn)唯有線路L5的極性與其他不同，因此可判斷線路L5為故障線路；進(jìn)一步分析線路L5的電壓和電流波形，可判斷配網(wǎng)電纜線路L5的A相發(fā)生故障。因此，利用該方法進(jìn)行電纜故障選線是可行的。

圖6　低阻故障零序電流波形

高阻故障的零序電流波形與低阻故障具有相同的趨勢(shì)，其電流方向一致，幅值大小存在差異，但能有效地進(jìn)行故障的判斷和識(shí)別。因此，在選擇配網(wǎng)電纜系統(tǒng)中性點(diǎn)小電阻接地形式的前提下，基于零序電流的群體比幅比相法，無(wú)論對(duì)于電纜低阻接地故障選線，還是高阻接地故障選線,都具備較高的準(zhǔn)確率。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文首先指出，中性點(diǎn)小電阻接地方式相較其他接地模式更適合目前以電纜出線為主的配網(wǎng)系統(tǒng)。然后選取Matlab/Simulink平臺(tái)構(gòu)建仿真模型，進(jìn)行接地故障的仿真分析，有助于對(duì)故障特征的了解。最后提出基于零序電流的群體比幅比相法，驗(yàn)證了在配網(wǎng)電纜中性點(diǎn)小電阻接地方式的前提下，進(jìn)行故障選線的可行性和有效性。

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Study on the Neutral Point Low Resistance Grounding Mode and Fault Line Selection for Distribution Network Cable

In order to ensure the safe operation of pouler grid,fault features and the method of fault line selection for distribution network cable are studied,firstly,the low resistance grounding mode of neutral point is selected for researching,then the MATLAB/Simulink software platform is adopted to build the fault simulation model,and the short cut fault features of single phase grounding and two phase grounding,and the influence of different fault factor are studied pertinently.In addition,considering the deficiency of fault line selection,the method of group amplitude comparison and phase comparison based on zero sequence current is proposed.The result of simulation verifies the feasibility and effectiveness of this method.

Cable faultLow resistance groundingMatlab/SimulinkZero-sequence currentMethod of group amplitude comparison and phase comparisonFault line selection

雷健新(1989—)，男，現(xiàn)為上海電力學(xué)院電機(jī)與電器專業(yè)在讀碩士研究生;主要從事電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷、電力電纜故障診斷方向的研究。

TH89；TP27

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201609012

修改稿收到日期：2015-10-01。