配電網(wǎng)10 kV線路單相接地故障特征分析

李 童,宋玉琴,段俊瑞

(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

單相接地故障是小電流接地系統(tǒng)中最常見的故障[1].由于故障電流小,其故障選線一直是電力系統(tǒng)的難題之一[2-4]．目前,小電流接地故障選線主要依據(jù)是故障參數(shù)的穩(wěn)態(tài)分量和暫態(tài)分量[5-6]．全面、準(zhǔn)確把握故障特征,不僅為故障選線技術(shù)的發(fā)展提供理論依據(jù)[7-10],對(duì)智能電網(wǎng)的研究也是一項(xiàng)基礎(chǔ)工作[11-12]．文獻(xiàn)[13]搭建了Simulink的10 kV仿真模型,對(duì)單相接地故障電壓、電流進(jìn)行仿真,但缺乏必要的故障電氣量計(jì)算,仿真故障量與理論計(jì)算值之間的誤差無(wú)法估算．文獻(xiàn)[14]通過(guò)MATLAB軟件建立了諧振接地系統(tǒng)單相接地故障仿真模型,分析了在幾種極端情況下線路零序電流波形的特征,但模型準(zhǔn)確性以及其假設(shè)條件是否適用于工程實(shí)踐有待商榷．

針對(duì)小電流接地故障,文中建立了配電網(wǎng)10 kV線路網(wǎng)絡(luò)仿真模型,依據(jù)小電流接地故障零序等效網(wǎng)絡(luò),詳細(xì)計(jì)算了系統(tǒng)零序電壓、健全線路及故障線路始端零序電流．基于仿真模型設(shè)置接地方式、故障類型、接地電阻、故障位置,進(jìn)一步繪制基于Simulink小電流接地故障波形,并針對(duì)暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)的選線方法,仿真分析了不同故障位置對(duì)故障分量的影響,總結(jié)出一般的故障規(guī)律特征,為小電流接地故障選線提供參考．

1 模型建立與故障分析

1.1 模型建立

利用Simulink搭建10 kV配電網(wǎng)仿真模型,如圖1所示．其中,電源電壓為10 kV．圖1中,3條輸電線路長(zhǎng)度分別為130 km，175 km，151 km．線路參數(shù)為:R1=0.081 2 Ω,L1=1.21 mH/km,C1=9.697 nF/km,R0=0.286 4 Ω,L0=5.48 mH/km,C0=6.124 nF/km．Load1～Load5負(fù)載功耗分別為0.6 MW，1.0 MW，1.2 MW，1.4 MW，1.7 MW．選用“三相故障”模塊模擬線路故障,設(shè)置仿真結(jié)束時(shí)間為0.2 s,系統(tǒng)在0.04 s時(shí)發(fā)生A相金屬性接地故障[15-16]．

1.2 故障分析

小電流接地故障零序等效網(wǎng)絡(luò)[17-18]如圖2所示.為了量化分析零序網(wǎng)絡(luò)的模擬精度,需要先確定合理參數(shù)的計(jì)算方法.

圖 1 仿真原理圖 圖 2 小電流接地故障零序等效網(wǎng)絡(luò) Fig.1 Simulation schematic diagram Fig.2 Zero sequence equivalent network for small current grounding fault

(1) 零序電容C0Σ.

C0Σ=Cu0L.

式中:Cu0為單位長(zhǎng)度線路對(duì)地分布電容;L為該系統(tǒng)出線長(zhǎng)度．

(3) 取過(guò)補(bǔ)償度為10%時(shí),消弧線圈電感參數(shù)L的計(jì)算[19-20]為

L=0.9/(3w2CΣ).

式中:CΣ為系統(tǒng)三相對(duì)地電容．

各條出線始端零序電流為

同理可得

I0Ⅲ=I0Ι+I0Ⅱ=5.75+7.75=13.5A.

系統(tǒng)零序電容電流為

I0c=I0Ι+I0Ⅱ+I0Ⅲ=5.75+7.75+6.68=20.18A.

不接地系統(tǒng)故障點(diǎn)接地電流為

I0k=I0c+Ixh=20.18+0=20.18A.

經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)故障點(diǎn)接地電流為

I0k=Ixh-I0c=22.4-20.18=2.22A.

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)

A相接地故障在0.04 s時(shí)發(fā)生于線路L3距離母線1 km處,仿真波形如圖3所示．而線路L3末端發(fā)生故障的波形圖如圖4所示．

(a)電源側(cè)三相電壓 (b) 零序電壓波形 (c) L1零序電流波形

(d) L2零序電流波形 (e) L3零序電流波形 (f) 故障點(diǎn)接地電流Id波形圖 3 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)首端故障特征Fig.3 Characteristics of the first end fault of neutral point ungrounded system

由圖3,4可知,系統(tǒng)發(fā)生接地故障,會(huì)產(chǎn)生明顯的過(guò)渡,直至系統(tǒng)趨于穩(wěn)態(tài),故障特點(diǎn)如下:

(2) 從圖3(c)，3(d)，3(e)可知,各出線口的工頻零序電流中故障線路L3零序健全線路L1,L2幅值大且相位相差180°．系統(tǒng)零序電壓與故障線路L3電流存在超前90°的相位關(guān)系,而滯后L1,L2健全線路90°．同時(shí)，系統(tǒng)在0.04 s發(fā)生故障,系統(tǒng)零序電壓的突變方向與線路L1,L2電流突變方向相同,與故障線路L3相反．可以利用故障發(fā)生瞬間電氣分量的突變方向不同進(jìn)行選線．

(4) 從圖3，4對(duì)比可知,線路在首末兩端發(fā)生故障系統(tǒng)零序電壓、零序電流仿真波形會(huì)有明顯差別,但故障電氣量故障特征規(guī)律基本保持一致．

(5) 各出線零序電流仿真測(cè)量值I0Ι=5.91A,I0Ⅱ=8.03A,I0Ⅲ=13.89A,I0k=20.82A與理論計(jì)算值相比,在誤差允許3%范圍內(nèi)．

(a) 電源側(cè)三相電壓 (b) 零序電壓波形 (c) L1零序電流波形

(d) L2零序電流波形 (e) L3零序電流波形 (f) 故障點(diǎn)接地電流Id波形 圖 4 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)末端故障特征Fig.4 Terminal fault characteristics of neutral point ungrounded system

2.2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)

消弧線圈的接入改變了單相接地故障的穩(wěn)態(tài)電氣特征量的分布．圖5,6分別為L(zhǎng)3線路首末兩端發(fā)生單相接地故障時(shí)的故障波形．

(a)電源側(cè)三相電壓 (b) 零序電壓波形 (c) L1零序電流波形

(d) L2零序電流波形 (e) L3零序電流波形 (f) 故障點(diǎn)接地電流Id波形圖 5 經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)首端故障特征Fig.5 The characteristics of the first end fault of the grounding system through the arc suppression coil

(a) 電源側(cè)三相電壓 (b) 零序電壓波形 (c) L1零序電流波形

(d) L2零序電流波形 (e) L3零序電流波形 (f) 故障點(diǎn)接地電流Id波形圖 6 經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)末端故障特征Fig.6 Terminal fault characteristics of grounding system through arc suppression coil

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)故障特征:

(1) 系統(tǒng)采用不同中性點(diǎn)接地方式電源側(cè)三相電壓波形并無(wú)明顯差異，見圖3(a)，圖5(a):A相電壓降為0,B、C相電壓升高；單相接地故障零序電壓波形相同，見圖3(b)，圖5(b)．

(2) 從圖5(c)，5(d)，5(e)可知,各出線口的工頻零序電流中,接地點(diǎn)電流經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償,故障線路L3電流幅值可能小于線路L1，L2,且故障發(fā)生時(shí)刻,電流突變方向也與線路L1，L2相反，見圖5(c)，5(d)，5(e)．

(3) 從圖3，5比較可知,故障線路L3電流明顯小于不接地系統(tǒng)的故障電流,得出采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式可以減小故障點(diǎn)接地電流,但故障電流小難以檢測(cè),這對(duì)傳統(tǒng)的選線方法又提出新的挑戰(zhàn)．

(4) 圖6波形分析表明,故障發(fā)生時(shí)刻,零序電流、零序電壓的突變方向與圖5一致,由此得出改變故障位置不影響故障特征規(guī)律．

3 結(jié)束語(yǔ)

文中在單相接地故障理論分析的基礎(chǔ)上,通過(guò)建立系統(tǒng)發(fā)生故障的零序等效網(wǎng)絡(luò),詳細(xì)計(jì)算了每條線路始端的零序電流以及故障點(diǎn)接地電流．基于MATLAB仿真軟件,建立了配電網(wǎng)10 kV線路模型,對(duì)不同接地方式下發(fā)生單相接地故障進(jìn)行了仿真分析,更加清晰、直觀了解發(fā)生單相接地故障下的故障波形,驗(yàn)證了理論分析與仿真波形的基本一致．從不同故障位置對(duì)故障電氣分量的仿真分析得出，故障位置不影響小電流接地故障特征規(guī)律,提取明顯的故障特征有利于故障選線．