高壓線路單相接地故障中性點不接地系統(tǒng)的特性分析

張 旭

（同煤集團機電裝備公司， 山西 大同 037000）

引言

隨著電力系統(tǒng)容量的日漸增加，系統(tǒng)中發(fā)生故障時的單相短路電流也在不斷增加，其數(shù)值極有可能超過三相短路電流，對斷路器的遮斷容量產(chǎn)生進一步的影響，將會產(chǎn)生變電站設(shè)備的損壞后果[1-3]。在電力系統(tǒng)中，通常將三相短路電流作為斷路器的遮斷容量基準，所以，在實際的運行中會出現(xiàn)斷路器不能夠切斷單相短路電流的情況，使系統(tǒng)的正常運行受到了嚴重的影響。其中，由于單相短路電流值過大，將會嚴重的影響到變壓器繞組的安全。110 kV變電站是電力系統(tǒng)的重要組成部分，選擇變壓器的單相接地故障中性點不接地方式對電網(wǎng)起著至關(guān)重要的作用，特別是安全性和經(jīng)濟性[4-5]。

1 110 kV變電站概述

變電站110 kV側(cè)為進線發(fā)生單相接地故障，對側(cè)線路開關(guān)跳開后，本站110 kV側(cè)變?yōu)椴唤拥叵到y(tǒng)，此時，系統(tǒng)的三相電壓與中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時的三相電壓特性相符合。

若連接到電源中性點的開關(guān)K打開時，此時系統(tǒng)為中性點不接地系統(tǒng)。中性點非有效接地系統(tǒng)中單相接地故障示意圖如圖1所示。

圖1 單相接地故障穩(wěn)態(tài)分析

圖1 中：=3Uφω（C0∑-C0II）；、分別表示等效的三相電源電動勢；COS表示電源的單相對地分布電容；C0I、C0II分別表示線路 I、II的單相對地分布電容。

正常運行下的中性點不接地系統(tǒng)中，三相電壓對稱且三相對地電容電流之和等于零。假設(shè)在線路II上發(fā)生A相接地故障，則此相對地電壓降為零，其對地電容被短接，B相和C相的電壓分別升高為原來的倍，此時電網(wǎng)中有零序電壓的出現(xiàn)，且大小等于電網(wǎng)正常運行時的相電壓。

線路I為非故障線路，其中，A相中電流為零，B相和C相中都流有自身的電容電流，所以零序電流為：

該零序電流的有效值的大?。?/p>

即零序電流為本身的電容電流。非故障線路II上的B相與C相流過的電流是它本身的對地電容電流、，與非故障的線路一樣，但是不相同的是全系統(tǒng)的B相和C相對地電容電流之總和與接地點流回的電流相同，其值是：

其有效值的大?。?/p>

式（4）中：C0∑為系統(tǒng)每相對地電容的總和。

上述的電流要從故障相A流回去，則線路II始端所流過的零序電流是：

其有效值的大?。?/p>

全系統(tǒng)非故障元件對地電容電流的總和（不包括故障線路本身）與故障線路流向母線的零序電流的大小相等。

2 線路空載

線路正常運行時，本站110 kV為接地系統(tǒng)。規(guī)定變壓器接受功率一側(cè)的繞組為一次繞組，輸出功率一側(cè)的繞組為二次繞組，二次繞組的作用相當于供電設(shè)備，額定電壓規(guī)定比系統(tǒng)的額定電壓高10%，因此變壓器變比設(shè)為220/121，空載正常運行下三相電壓的瞬時值計算為98.78 kV。經(jīng)PSCAD仿真，其三相電壓瞬時值為98.32 kV，仿真波形如圖2所示：

圖2 空載正常運行下三相電壓的瞬時值

若線路上的故障為單相接地永久性故障，將模型中的重合閘元件進行仿真，斷路器的動作如圖3所示：

圖3 重合閘斷路器動作情況

由圖3可見，斷路器在1 s跳開切除故障，經(jīng)0.3 s的延時于1.3 s重合，因重合于永久性故障，再經(jīng)0.1 s的延時動作于斷路器，再次切除故障。

110 kV進線由于距離保護和零序保護，跳開斷路器。此時本站110 kV變?yōu)橹行渣c不接地系統(tǒng)，經(jīng)PSCAD仿真，其信號仿真波形如圖4所示：

分析圖4可知：故障線路發(fā)生A相接地故障，該相對地電壓降為零，B相和C相的電壓升高。由于架空線的作用，導(dǎo)致B相和C相的電壓開始衰減。

3 線路末端負荷側(cè)為大型異步電機

根據(jù)礦方統(tǒng)計可知，該110 kV變電站的負荷側(cè)，線路末端負荷側(cè)主要為異步電機，總負荷約10000 kW。因此本文仿真模型中，負荷側(cè)選用PSCAD庫中的鼠籠式感應(yīng)式電機模型元件，電壓為10 kV（線電壓有效值），頻率為50 Hz（工頻），額定功率為10 MW。

圖4 單相接地故障空載三相電壓

與線路空載時相同，發(fā)生單相接地故障，設(shè)置A相接地故障，故障的開始時間設(shè)置為1 s。故障在1 s發(fā)生時，斷路器正確動作（如圖4）。此時對于距離保護模型，其整定的方向阻抗圓及保護安裝處所測量到的阻抗變化曲線（如圖3），距離保護模塊所測量的阻抗值小于距離I段整定值而進入阻抗圓內(nèi)，保護動作于斷路器以切除故障。

110 kV進線由于保護動作于斷路器切除故障，經(jīng)PSCAD仿真，此時其信號仿真波形如圖5所示：

圖5 負載側(cè)為大型異步電機時單相接地故障三相電壓

4 結(jié)論

1）通過仿真當線路空載和線路末端負荷側(cè)為大型異步電機兩種情況，設(shè)置單相接地故障，分析仿真波形圖，驗證了該110 kV變電站距離保護、零序電流保護的正確整定，從而使斷路器正確跳開。

2）對比并分析兩種情況下，故障三相電壓的瞬時值，由于大型異步電機突然停電后，會產(chǎn)生反電動勢，從而使非故障相的電壓升高幅值大于線路空載時非故障相的電壓幅值大小。