中性點(diǎn)接地方式對含分布式電源配網(wǎng)單相接地故障特性的影響分析

魏 巍，張 博，胡國洪，曾洪亮，李 勃，鄒亞琴

(1.國網(wǎng)重慶市電力公司彭水供電分公司，重慶 409600；2.重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，重慶 400054)

分布式電源接入后使原來的輻射型網(wǎng)絡(luò)變?yōu)榘嚯娫?、功率雙向流動(dòng)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)分析方法不再可行，單相接地故障電流特征分布也會(huì)發(fā)生變化[1-4]，并且會(huì)引起原系統(tǒng)電能質(zhì)量、潮流分布[5-8]、短路容量、繼電保護(hù)整定等發(fā)生改變[9-10]。尤其是配網(wǎng)側(cè)和分布式電源側(cè)中性點(diǎn)接地配合方式變化時(shí)，可能會(huì)改變原系統(tǒng)各序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響單相接地故障電流特征，且故障電流特征與中性點(diǎn)接地方式關(guān)系密切[11]。在此以重慶市渝東南地區(qū)的配網(wǎng)為基礎(chǔ)，通過建立配網(wǎng)單相故障時(shí)的序網(wǎng)圖模型，分析配網(wǎng)和分布式電源中性點(diǎn)在不同接地方式配合情況下的接地故障電流、線路各序電流和各相故障電流等的特征，并將分布式電源接入前后的故障電流進(jìn)行對比，為分布式電源接入配網(wǎng)的接地方式配合提供理論依據(jù)。

1 分布式電源接入的配網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式分析

中壓配網(wǎng)中常用的接地方式均為非有效接地[12]，以重慶市彭水縣坪上站35 kV II母為例(見圖1)，其中PCC表示分布式電源接入電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)；F1、F2、F3分別表示3個(gè)不同的故障點(diǎn)，F(xiàn)1位于10 kV母線和PCC之間，F(xiàn)2位于PCC外側(cè)，F(xiàn)3位于另外一條饋線；左側(cè)開關(guān)的位置位于1、2、3、4時(shí)，分別表示中性點(diǎn)接地方式為經(jīng)消弧線圈接地、不接地、直接接地和經(jīng)小電阻接地；右側(cè)開關(guān)的位置位于1、2、3時(shí)分別表示中性點(diǎn)接地方式為不接地、直接接地和經(jīng)小電阻接地。考慮到以下因素[13]：① 分布式電源并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，若系統(tǒng)(含主網(wǎng)和分布式電源)線路對地電容電流較大，可通過主網(wǎng)側(cè)安裝消弧線圈補(bǔ)償；②故障發(fā)生后若分布式電源孤島運(yùn)行，其線路對地電容電流較小；③ 增加消弧線圈數(shù)量會(huì)增加投資和調(diào)諧復(fù)雜程度。因此，分布式電源側(cè)未考慮經(jīng)消弧線圈接地方式。

圖1 渝東南地區(qū)配網(wǎng)單相接地故障示意圖

根據(jù)單相接地故障時(shí)的邊界條件，運(yùn)用對稱分量法繪出故障時(shí)配網(wǎng)的正、負(fù)、零序網(wǎng)圖，對配網(wǎng)不接地分布式電源側(cè)不接地、配網(wǎng)經(jīng)消弧線圈接地分布式電源側(cè)不接地、配網(wǎng)直接接地分布式電源側(cè)直接接地這3種情況下的故障電流進(jìn)行分析。

2 單相接地故障電流分析

2.1 配網(wǎng)不接地分布式電源側(cè)不接地

分布式電源并網(wǎng)影響系統(tǒng)的正、負(fù)、零序阻抗，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障點(diǎn)電流水平區(qū)別于傳統(tǒng)配網(wǎng)。首先以F1點(diǎn)發(fā)生A相單相接地故障為例，繪出此時(shí)的正、負(fù)、零序網(wǎng)圖，如圖2所示。

圖2 配網(wǎng)與分布式電源側(cè)均不接地單相故障序網(wǎng)圖

為了便于進(jìn)行定量計(jì)算分析，設(shè)故障點(diǎn)距10 kV母線l，則與PCC間的距離為L-l，單位長度線路正負(fù)零序阻抗值為ZL1=ZL2，ZL0。可得，故障時(shí)的序網(wǎng)電流為

(2)

(3)

(4)

(5)

配網(wǎng)中接入分布式電源一般容量較小，且分布式電源和并網(wǎng)變壓器的阻抗較大，一般有下式成立

(6)

因此，在沒有精確計(jì)算的要求下，式(2)可近似表達(dá)為

(7)

依據(jù)單相短路故障的特征，各序網(wǎng)中流過的故障電流為

(8)

根據(jù)以上分析，此故障電流由配網(wǎng)側(cè)和分布式電源側(cè)共同提供，其在兩側(cè)的分布情況為

(9)

(10)

(11)

由式(6)可知，此時(shí)M1和M2的值均近似為1，即此時(shí)正序和負(fù)序故障電流主要由配網(wǎng)側(cè)提供，分布式電源側(cè)采用不接地方式零序電流無法流通，因此零序故障電流完全由配網(wǎng)側(cè)提供。隨著故障點(diǎn)遠(yuǎn)離10 kV母線，故障電流在配網(wǎng)側(cè)的分配比例減小，在分布式電源側(cè)的分配比例增大。并且結(jié)合式(7)、(9)和(10)可以發(fā)現(xiàn)，正、負(fù)序故障電流在配網(wǎng)側(cè)和分布式電源側(cè)的分流比例相同，且此時(shí)主網(wǎng)側(cè)零序電流幅值達(dá)到最大值。

當(dāng)F2點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，設(shè)F2點(diǎn)與PCC間的距離為m，此時(shí)的正、負(fù)、零復(fù)合序網(wǎng)圖見圖3。

圖3 F2點(diǎn)單相故障序網(wǎng)圖

圖中ZM(1)、ZM(2)和ZM(0)分別為故障點(diǎn)與PCC間的正、負(fù)、零序阻抗，滿足ZM(1)=ZM(2)=mZl1，ZM(0)=mZl0。此時(shí)以PCC為分界點(diǎn)，PCC與10 kV母線側(cè)為配網(wǎng)側(cè)，PCC與分布式電源側(cè)為分布式電源側(cè)。各序網(wǎng)中流過的故障電流為

(12)

參考式(3)～(8)，可以得到此時(shí)故障電流在配網(wǎng)側(cè)與分布式電源側(cè)的分布情況為

(13)

(14)

(15)

從式(13)和式(14)中可以看出，此時(shí)正序和負(fù)序故障電流在配網(wǎng)側(cè)和分布式電源側(cè)的分配比例與故障點(diǎn)距PCC間的距離無關(guān)，為一固定值，且正、負(fù)序網(wǎng)的故障電流分流比例相同。分布式電源側(cè)未接地零序故障電流依然完全由配網(wǎng)側(cè)提供。

F3點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)與F2點(diǎn)故障分析方法相同，所得到的結(jié)果總體上也類似，不再贅述。

2.2 配網(wǎng)經(jīng)消弧線圈接地分布式電源側(cè)不接地

以F1點(diǎn)發(fā)生A相單相接地故障為例，繪出此時(shí)的正、負(fù)、零序網(wǎng)圖，如圖4所示。

圖4 配網(wǎng)側(cè)消弧線圈接地分布式電源側(cè)不接地序網(wǎng)圖

圖4中ZC為配網(wǎng)側(cè)接地消弧線圈的阻抗值。在配網(wǎng)中使用消弧線圈接地方式時(shí)通常為過補(bǔ)償方式，使故障時(shí)的接地電流呈感性，避免串聯(lián)諧振情況的發(fā)生。對于電容電流的補(bǔ)償程度，通常用補(bǔ)償度P來表示

(16)

一般選擇P取5%～10%，以不大于10%為宜。IC為全系統(tǒng)對地電容電流，IL為消弧線圈的電流，L為其電感，且存在

(17)

式中：UA為A相的相電壓?？紤]到重慶市渝東南山區(qū)基本都為架空線路，僅給出架空線路對地電容電流的計(jì)算式為

(18)

式中：Ul為電網(wǎng)線電壓，kV；C為單相對地電容，一般架空線路C的取值為5～6 pF/m。3條10 kV線路總長度(包括主線和支線)為64.249 km，且全為架空線路，則由式(18)計(jì)算可以得到單相故障時(shí)對地電容電流為5.244 kA，代入式(16)且補(bǔ)償度P取5%得到補(bǔ)償?shù)碾姼须娏鳛?.506 kA，再代入式(17)中得到補(bǔ)償電抗值為3.338 mH。

此時(shí)各序網(wǎng)中流過的故障電流為

(19)

式中，除Za(0)外其余各阻抗均與式(2)中相同，且

Za(0)=ZL1(0)+ZS(0)+ZC

同樣，隨著故障點(diǎn)靠近10 kV母線，故障電流增大；靠近PCC，故障電流減小。但由于ZC的存在，故障電流的幅值大小和變化速率都小于2.1節(jié)中討論的情況。故障電流在各序網(wǎng)中配網(wǎng)側(cè)和分布式電源側(cè)的分流比例與式(9)和式(10)相同，不再贅述，所不同的僅是故障電流的幅值大小。

2.3 配網(wǎng)直接接地分布式電源側(cè)直接接地

對于某些配網(wǎng)也可能采用中性點(diǎn)直接接地的接地方式，這種系統(tǒng)中一相接地時(shí)，出現(xiàn)除中性點(diǎn)以外的另一個(gè)接地點(diǎn)，構(gòu)成了短路回路，接地故障相電流很大，為了防止設(shè)備損壞，必須迅速切斷電源，因而供電可靠性低，易發(fā)生停電事故。但這種系統(tǒng)上發(fā)生單相接地故障時(shí)，系統(tǒng)中性點(diǎn)的鉗位作用使非故障相的對地電壓不會(huì)有明顯的上升，因而對系統(tǒng)絕緣是有利的，可以降低在線路對地絕緣上的造價(jià)。此時(shí)當(dāng)F1點(diǎn)發(fā)生單相接地故障時(shí)，系統(tǒng)的正、負(fù)、零序網(wǎng)圖如圖5所示。

圖5 配網(wǎng)側(cè)與分布式電源側(cè)均直接接地接地序網(wǎng)圖

此時(shí)序網(wǎng)中流過的故障電流計(jì)算式與式(2)相同，所不同的是零序網(wǎng)絡(luò)配網(wǎng)側(cè)和分布式電源側(cè)的零序阻抗變?yōu)?/p>

(20)

與2.1節(jié)中討論的兩側(cè)均不接地的情況相比，故障電流的幅值稍大?？紤]到式(6)和ZS(0)=ZTG，此時(shí)的故障電流近似計(jì)算式，仍與式(7)相同，隨著故障點(diǎn)遠(yuǎn)離10 kV母線，故障電流逐漸減小，且減小速率與2.1節(jié)中相同。同樣，故障電流在正、負(fù)序網(wǎng)兩側(cè)的分配比例、變化規(guī)律也與式(9)和式(10)相同，以下僅給出此時(shí)零序電流的分配情況

(21)

除了配網(wǎng)側(cè)外，分布式電源側(cè)也會(huì)提供一部分的零序電流。

當(dāng)F2點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，此時(shí)的正、負(fù)、零序網(wǎng)圖如圖6所示。

圖6 兩側(cè)均直接接地F2點(diǎn)單相故障序網(wǎng)圖

(22)

同樣，此時(shí)正序和負(fù)序故障電流在配網(wǎng)側(cè)和分布式電源側(cè)的分配比例與故障點(diǎn)距PCC間的距離無關(guān)，為一固定值，且與F1點(diǎn)故障時(shí)相同，正、負(fù)序網(wǎng)的故障電流分流比例相同，僅零序電流不再由配網(wǎng)側(cè)單獨(dú)提供。

F3點(diǎn)故障時(shí)的分析方法與F2類似，得到的結(jié)論相差不多，此處不再單獨(dú)進(jìn)行分析。

3 仿真驗(yàn)證

對圖1所示的含分布式電源接入的重慶市渝東南地區(qū)配網(wǎng)單相接地故障進(jìn)行模擬，在本文所討論的3種配網(wǎng)側(cè)與分布式電源側(cè)接地配合方式下，單相接地故障電流幅值隨故障點(diǎn)與10 kV母線間距離變化情況如圖7所示。

正序故障電流在配網(wǎng)側(cè)的分配比例隨故障點(diǎn)與10 kV母線距離變化情況如圖8所示。由于正序和負(fù)序網(wǎng)絡(luò)中故障電流在配網(wǎng)側(cè)與分布式電源側(cè)分配比例相同，且F3點(diǎn)故障時(shí)變化規(guī)律與F2點(diǎn)相同，此處僅給出F1點(diǎn)和故障時(shí)F2正序電流的分配情況。

(a)F1和F2點(diǎn)發(fā)生單相接地故障(b)F3點(diǎn)發(fā)生單相接地故障圖7 故障電流幅值隨故障點(diǎn)變化情況

圖8 正序故障電流分配比例隨故障點(diǎn)變化情況

零序故障電流在配網(wǎng)側(cè)的分配比例隨故障點(diǎn)變化情況如圖9所示。

圖9 零序故障電流分配比例隨故障點(diǎn)變化情況

從仿真結(jié)果可以看出，在配網(wǎng)側(cè)和分布式電源側(cè)不同接地方式配合情況下，單相接地故障電流幅值大小、變化規(guī)律和速率及其在各序網(wǎng)絡(luò)中配網(wǎng)側(cè)與分布式電源側(cè)分配比例都與理論分析相符合。

4 結(jié)論

配網(wǎng)側(cè)與分布式電源側(cè)采用不同的接地方式配合時(shí)，不同故障位置下，單相接地故障電流所表現(xiàn)出的特征也不相同。配網(wǎng)側(cè)接地方式變化時(shí)，主要影響故障電流的幅值變化，不改變故障零序網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，不會(huì)對其在配網(wǎng)側(cè)與分布式電源側(cè)的分配比例產(chǎn)生影響，對繼電保護(hù)產(chǎn)生的影響較小。分布式電源側(cè)接地方式變化時(shí)，由于改變了故障零序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此故障電流的幅值和其在配網(wǎng)側(cè)與分布式電源側(cè)的分配比例都產(chǎn)生了變化，尤其是分布式電源側(cè)會(huì)出現(xiàn)零序電流從無到有的情況，給分布式電源接入后配網(wǎng)繼電保護(hù)的整定與故障選線帶來困難。