含分布式電源的配電網(wǎng)單相接地故障分析

黑帥　盧廣旗　宋曉龍

【摘要】：隨著分布式發(fā)電技術(shù)的成熟，DG在正常運(yùn)行下以及在配電網(wǎng)故障狀態(tài)下的控制策略，會(huì)對配電網(wǎng)的暫態(tài)過程和穩(wěn)態(tài)過程造成影響。另一方面，DG接入后，對故障電流的大小和方向也會(huì)造成影響，DG對配電網(wǎng)故障電流的貢獻(xiàn)以及在故障條件下DG的響應(yīng)特性也會(huì)隨之變化。分析含DG配電網(wǎng)故障狀態(tài)下故障電流的變化情況，有助于研究能夠適應(yīng)含DG配電網(wǎng)故障定位方法。

【關(guān)鍵詞】：分布式電源；配電網(wǎng)；故障電流

1 故障分析模型

如圖1為含DG經(jīng)消弧線圈接地方式配電網(wǎng)系統(tǒng)接線圖。逆變型DG經(jīng)公共連接點(diǎn)（簡稱PCC）與主電網(wǎng)相連接，其PCC距離母線的長度為M，故障點(diǎn)F位于10kV母線與PCC之間。配電網(wǎng)主電源側(cè)中性點(diǎn)接地方式選擇經(jīng)消弧線圈接地，為了保證配電網(wǎng)運(yùn)行的安全性，國內(nèi)電網(wǎng)選擇消弧線圈時(shí)將其運(yùn)行在過補(bǔ)償情形下；對于DG接入配電網(wǎng)的中性點(diǎn)接地方式，國家電網(wǎng)公司《反措》以及石魏等人在文獻(xiàn)[1]《分布式電源接地方式的探討》均指出，DG并網(wǎng)時(shí)與電網(wǎng)接地方式不一致時(shí)，其接入點(diǎn)與DG之間需要接入隔離變壓器，以保證電網(wǎng)正常運(yùn)行和DG側(cè)設(shè)備安全可靠的運(yùn)行。本節(jié)討論DG接入配電網(wǎng)對故障電流的影響時(shí)，DG中性點(diǎn)采用不接地方式。

圖1 含DG經(jīng)消弧線圈接地方式配電網(wǎng)系統(tǒng)圖

在分析不對稱故障特征時(shí)，目前國內(nèi)外研究學(xué)者主要采用戴維寧定理或?qū)ΨQ分量法兩種分析方法。本文采用對稱分量法進(jìn)行故障特征分析時(shí)，根據(jù)單相接地故障的邊界條件，建立含DG配電網(wǎng)單相接地故障的復(fù)合序網(wǎng)，根據(jù)電路串并聯(lián)等效相關(guān)知識(shí)，求解各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓和各條支路電流。本節(jié)采用DG為逆變型，配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[2]中DG可以等效為恒壓源串阻抗的電源模型。復(fù)合序網(wǎng)僅接地點(diǎn)有附加電壓源作用，輸出電壓幅值為接地點(diǎn)故障前電壓，系統(tǒng)正、負(fù)、零序阻抗分別為故障點(diǎn)上游和下游正、負(fù)、零序阻抗的并聯(lián)[3]。以故障點(diǎn)F點(diǎn)發(fā)生單相接地故障為例，其接地電阻為Rf；根據(jù)對稱分量法可得到復(fù)合序網(wǎng)等效電路圖如圖2所示。

圖2 故障點(diǎn)F故障復(fù)合序網(wǎng)

圖中：ZS（1）和ZS（2）分別為主電源與變壓器的正序、負(fù)序阻抗之和，ZS（1）=ZS（2）；ZS（0）為主電源接地變壓器零序阻抗；ZT為DG側(cè)并網(wǎng)變壓器阻抗；ZL1（1）和ZL1（2）分別為故障點(diǎn)到主網(wǎng)電源的線路正序、負(fù)序阻抗，ZL1（1）=ZL1（2；ZL2（1）和ZL2（2）分別為故障點(diǎn)到DG接入點(diǎn)的線路正序、負(fù)序阻抗；ZL1（0）和ZL2（0）分別為故障點(diǎn)到主電源、DG接入點(diǎn)的線路正序、負(fù)序阻抗；ZDG（1）和ZDG（2）分別是DG的正序、負(fù)序阻抗； 、 、 、 、 、 分別是為主網(wǎng)側(cè)和DG側(cè)的正序、負(fù)序、零序故障電流； 為故障點(diǎn)正（負(fù)或零）序電流，等于故障點(diǎn)電流 的1/3；箭頭表示了各電流的參考方向； 為故障點(diǎn)附加電壓源； 主電網(wǎng)側(cè)消弧線圈的阻抗值；Rf為過渡電阻。

2 故障點(diǎn)電流的分析

DG接入配電網(wǎng)后會(huì)影響系統(tǒng)的正序、負(fù)序、零序阻抗的大小、進(jìn)而影響故障時(shí)故障電流的大小。對于故障點(diǎn)F1來說，設(shè)故障點(diǎn)F1距離母線出口處x，單位長度的線路正、負(fù)序阻抗均為 、零序阻抗為 ?？傻玫街麟娫磦?cè)和DG側(cè)的正序、負(fù)序、零序阻抗Za（1）、Za（2）、Za（0）、Za（1）、Za（2）、Za（0）分別為：

則DG并網(wǎng)狀態(tài)下的故障點(diǎn)F1的故障電流 為：

根據(jù)分布式電源典型設(shè)計(jì)手冊可知，分布式電源并網(wǎng)容量與主電源容量相比小的多，因此并網(wǎng)變壓器和DG自身的阻抗相對較大，在工程上一般選?。?/p>

在短路計(jì)算中一般默認(rèn)為正序阻抗和負(fù)序阻抗是相等的，根據(jù)以上的條件，則式2-2可化簡為：

當(dāng)DG接地方式為不接地時(shí)，此時(shí)的 將會(huì)變?yōu)闊o窮大，則故障點(diǎn)的電流為：

由式（5）可知，此時(shí)的故障點(diǎn)電流約等于不含DG配電網(wǎng)時(shí)F點(diǎn)的故障電流，隨著故障點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離母線，其正、負(fù)、零序阻抗均增大，故障點(diǎn)的電流呈現(xiàn)減小的趨勢；隨著過渡電阻的增大，故障點(diǎn)的電流呈現(xiàn)減小的趨勢。

3 線路各序電流分析

故障點(diǎn)電流 的正序、負(fù)序、零序分量分別為 、 、 ，在計(jì)算中一般將三者約等于故障點(diǎn)電流的三分之一，即

但是實(shí)際計(jì)算中， 、 、 的大小是取決于主網(wǎng)側(cè)與DG側(cè)的正序、負(fù)序、零序阻抗之比。下面以F1故障點(diǎn)為例進(jìn)行分析說明。

當(dāng)F1點(diǎn)發(fā)生單相接地短路時(shí)，其主網(wǎng)側(cè)線路正、負(fù)序電流 、 、 與DG側(cè)線路正、負(fù)序電流 、 、 分別為：

式中：K1、K2、K0分別為主網(wǎng)側(cè)正序、負(fù)序、零序電流占故障點(diǎn)正序、負(fù)序、零序電流的比例，一般情況下K1、K2均接近于1，即絕大多數(shù)故障點(diǎn)正序、負(fù)序電流在主網(wǎng)側(cè)線路中流通，但K0一般情況下不等于1，故障點(diǎn)零序電流的大小是與系統(tǒng)電源中性點(diǎn)接地方式有關(guān)系的。DG側(cè)采用不接地方式時(shí)， 無窮大， 、 可以簡化為：

通過式13可知，線路中零序電流與DG未接入時(shí)相同，即DG接入配電網(wǎng)運(yùn)行并不會(huì)影響線路零序電流的大小。

4 結(jié)論

由于DG采用經(jīng)隔離變壓器接入配電網(wǎng)運(yùn)行方式，其中性點(diǎn)不接地，因此當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，DG側(cè)零序阻抗并沒有構(gòu)成回路，所以DG接入配電網(wǎng)并不影響線路零序電流的大?。徽?、負(fù)序電流會(huì)有變化，其變化趨勢和故障點(diǎn)與接入DG相對位置有關(guān)。

【參考文獻(xiàn)】：

[1] 石巍，胡凌波，張彥昌.分布式電源接地方式的探討[J].電力勘測設(shè)計(jì)，2016（05）：52-54.

[2] 楊杉，同向前，劉健，等.含分布式電源配電網(wǎng)的短路電流計(jì)算方法研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2015，39（07）：1977-1982.

[3] 郭麗偉，薛永端，張林利，等.含分布式電源的小電阻接地方式配電網(wǎng)單相接地故障分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2015，39（20）：116-123.