某35kV變電站系統(tǒng)單相接地故障及選線仿真建模研究

安徽京卓電氣有限公司 王洪武 甘朝宏

1 引言

1.1 研究目的及意義

電力系統(tǒng)運(yùn)行的基本要求中最重要的是保證安全可靠地持續(xù)供電。大量運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，單項(xiàng)接地故障是電力系統(tǒng)的主要故障形式之一，約占電力系統(tǒng)各類型故障總和的60%以上［1］。本研究目的是基于Matlab/simulink 平臺(tái)仿真軟件，依據(jù)某35kV 變電站高壓系統(tǒng)實(shí)際參數(shù)，搭建系統(tǒng)仿真模型模擬中性點(diǎn)非直接接地輸配電系統(tǒng)中單相接地故障，驗(yàn)證比對(duì)本系統(tǒng)中小電流選線和大電流選線兩種方式的可靠性和準(zhǔn)確性。驗(yàn)證結(jié)論提供給相關(guān)電力部門參考，以便在系統(tǒng)技改時(shí)采用適合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況的選線方式，強(qiáng)化對(duì)電力系統(tǒng)單相接地故障的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)能力，提升大型智能電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

1.2 研究主要內(nèi)容

中性點(diǎn)非直接接地的配電網(wǎng)系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是最大長(zhǎng)期工作電壓與過(guò)電壓均較高，特別是存在電弧接地過(guò)電壓的危險(xiǎn)，過(guò)電壓保護(hù)裝置的費(fèi)用較大，效果較差，整個(gè)系統(tǒng)的絕緣水平因而也較高。雖然中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地后，不需立即斷開線路（可繼續(xù)運(yùn)行2h 以內(nèi)），但是要選擇可靠、準(zhǔn)確的檢測(cè)裝置來(lái)檢查出接地線路，消除接地故障[2]。本研究基于電力系統(tǒng)輸配電網(wǎng)中單相接地故障的產(chǎn)生過(guò)程、變化規(guī)律及其電氣物理特性，在借鑒國(guó)內(nèi)外有關(guān)配電網(wǎng)系統(tǒng)中單相接地電流建模的基礎(chǔ)上，結(jié)合烏海市電網(wǎng)某35kV 變電站實(shí)際運(yùn)行狀況與安全需求，在慮及電網(wǎng)承受單相接地電流的幅值與時(shí)間長(zhǎng)度要求的基礎(chǔ)上，搭建變電站中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)基于Matlab/simulink 平臺(tái)的仿真模型。通過(guò)該模型仿真模擬系統(tǒng)單相接地故障，采集分析故障和非故障線路的波形參數(shù)，為通過(guò)符合系統(tǒng)運(yùn)行方式的精準(zhǔn)選線裝置快速查找發(fā)生單相接地故障線路提供必要的理論與技術(shù)支持。

2 某35kV變電站單相接地仿真建模研究

2.1 某35kV變電站系統(tǒng)圖及仿真建模說(shuō)明

35kV 變電站系統(tǒng)仿真說(shuō)明如下。一是某35kV變電站，主變?yōu)閮陕?5kV/6kV，6kV 系統(tǒng)為中性點(diǎn)不接地（經(jīng)消弧線圈接地）。6kV系統(tǒng)兩段母線并列運(yùn)行，其進(jìn)出線為高壓電纜和架空線。二是仿真系統(tǒng)圖采用簡(jiǎn)化方式，僅標(biāo)示出各路出線回路，包括相對(duì)應(yīng)的電纜型號(hào)及長(zhǎng)度。三是本系統(tǒng)原有小電流接地選線裝置默認(rèn)始終處于投運(yùn)狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)仿真模擬大電流精準(zhǔn)選線裝置投入。四是系統(tǒng)仿真狀態(tài)按照6 種運(yùn)行方式：系統(tǒng)單相金屬接地（消弧線圈和大電流精準(zhǔn)選線裝置不投入）小電流選線；系統(tǒng)單相金屬接地（消弧線圈投入，大電流精準(zhǔn)選線裝置不投入）小電流選線；系統(tǒng)單相金屬接地（消弧線圈和大電流精準(zhǔn)選線裝置均投入）小電流選線+大電流精準(zhǔn)選線；系統(tǒng)單相弧光接地（消弧線圈和大電流精準(zhǔn)選線裝置不投入）小電流選線；系統(tǒng)單相弧光接地（消弧線圈投入，大電流精準(zhǔn)選線裝置不投入）小電流選線；系統(tǒng)單相弧光接地（消弧線圈和大電流精準(zhǔn)選線裝置均投入）小電流選線+大電流精準(zhǔn)選線。烏海某變35kV 電站系統(tǒng)（簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)）如圖1所示。

圖1 烏海某變35kV電站系統(tǒng)（簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)）

2.2 某35kV變電站系統(tǒng)仿真模型及說(shuō)明

6kV 系統(tǒng)單相接地故障模擬，設(shè)定系統(tǒng)處于6kV。I、II 段母線并列運(yùn)行狀態(tài)，單相接地故障位置發(fā)生在系統(tǒng)出線電纜末端（按照系統(tǒng)接地故障極限狀態(tài)，暫不考慮6kV 系統(tǒng)母線接地），A 相接地，仿真分析時(shí)采用簡(jiǎn)化方式。電纜和架空線封裝模塊如圖2所示，Cable_L5_2表示的是II段L5。

圖2 電纜和架空線封裝模塊

消弧線圈與大電流發(fā)生裝置如圖3所示。

圖3 消弧線圈（左）與大電流發(fā)生裝置（右）

9 層變電所1.25KM 的電纜選用Pipe-Type cable constant 模型。架空線選用PI 型模型，T_L7_1 表示I 段的L7 新建洗煤廠的架空線。采用ZigZag變壓器和一個(gè)消弧線圈，大電流發(fā)生器生成的電流是單相接地電流，在故障發(fā)生約20ms 后電流由地反送到母線（持續(xù)時(shí)間設(shè)置為60～100ms）。

單相接地故障如圖4所示，采用一個(gè)定時(shí)斷路器控制邏輯電路和一個(gè)斷路器模擬單相接地故障。

圖4 單相接地故障

單相電弧接地故障如圖5所示，采用定時(shí)斷路器控制邏輯電路，一個(gè)斷路器，一個(gè)設(shè)置為0～5Ω的接地電阻和一個(gè)受控可變電阻模擬單相電弧接地故障。受控可變電阻是基于改進(jìn)控制論的電弧模型，該電弧電導(dǎo)由電弧電流幅值，常量系數(shù)，電弧長(zhǎng)度和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)β和實(shí)時(shí)測(cè)量的電弧電流共同決定。

圖5 單相電弧接地故障

2.3 某變電站系統(tǒng)單相接地仿真過(guò)程（波形）及分析

系統(tǒng)單相金屬接地（中性點(diǎn)消弧線圈和大電流精準(zhǔn)選線裝置均投入）小電流選線+大電流精準(zhǔn)選線。系統(tǒng)單相弧光接地（中性點(diǎn)消弧線圈和大電流精準(zhǔn)選線裝置均投入）小電流選線+大電流精準(zhǔn)選線。仿真采用波形數(shù)據(jù)為零序電流，其故障線路和非故障線路為隨機(jī)選擇。

2.3.1 6kV系統(tǒng)單相金屬性接地故障仿真

中性點(diǎn)諧振（中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地）接地系統(tǒng)+（單相接地故障：故障相A 相，接地電阻R=0Ω，故障發(fā)生時(shí)刻t=0.05s；持續(xù)時(shí)長(zhǎng)0.20s）+（大電流發(fā)生裝置：60A；注入時(shí)刻：0.07秒；持續(xù)時(shí)間：0.10s）。發(fā)生單相金屬接地故障的出線設(shè)定為6kV II 段L5 1.25KM MYJV32 3×95 電纜（末端），6kV系統(tǒng)單相金屬接地零序電流穩(wěn)定最大值見表1。仿真模擬波形圖如圖6所示。

圖6 金屬性接地故障仿真模擬波形圖

表1 6kV系統(tǒng)單相金屬接地零序電流穩(wěn)定最大值(單位：A)

2.3.2 6kV系統(tǒng)單相弧光接地故障仿真

中性點(diǎn)諧振（中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地）接地系統(tǒng)+（弧光接地故障：故障相A 相，接地電阻R=5Ω，弧長(zhǎng)5cm，故障發(fā)生時(shí)刻t=0.05s；持續(xù)時(shí)長(zhǎng)0.15s） + （大電流發(fā)生裝置：60A；注入時(shí)刻：0.07 秒；持續(xù)時(shí)間：0.08s）。發(fā)生單相弧光接地故障的出線設(shè)定為6kV II 段 L5 1.25KM MYJV32 3＊95 電纜末端，仿真模擬波形圖如圖7所示。6kV系統(tǒng)單相弧光接地零序電流穩(wěn)定最大值見表2。

圖7 弧光接地故障仿真模擬波形圖

2.3.3 6kV系統(tǒng)單相接地故障仿真波形和數(shù)據(jù)分析

由圖6、圖7 的零序電流仿真波形和表1、表2零序電流數(shù)據(jù)的可知，6kV 系統(tǒng)在單相接地時(shí)，無(wú)論是金屬接地或弧光接地，故障線路的零序電流都由于中性點(diǎn)消弧線圈對(duì)接地電流的補(bǔ)償作用而抵消，反而小于非故障線路的零序電流。而大電流精準(zhǔn)選線裝置投入后，從故障線路采集到的接地故障零序電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非故障線路的零序電流（幾十倍）。

表2 6kV系統(tǒng)單相弧光接地零序電流穩(wěn)定最大值(單位：A)

3 結(jié)語(yǔ)

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)小電流接地選線裝置判定接地線路的主要判據(jù)是電流信號(hào)（零序電流）。電流信號(hào)過(guò)小是影響電流接地選線裝置正確判定接地故障線路的主要因素，在單相接地故障發(fā)生后，其故障線路中所產(chǎn)生零序電流屬于數(shù)值較小的系統(tǒng)對(duì)地電容電流，經(jīng)過(guò)和系統(tǒng)中性點(diǎn)消弧線圈補(bǔ)償電流相互抵消后，其數(shù)值變得更小。如采取諧波電流比零序電流的方法來(lái)判斷故障線路，往往會(huì)因?yàn)槠潆娏餍盘?hào)太小，而導(dǎo)致接地回路零序電流低于非接地回路電流的現(xiàn)象，造成其故障線路選線不準(zhǔn)確[3]。這個(gè)結(jié)論符合近年來(lái)對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地選線的研究成果。

本系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障的線路，在大電流發(fā)生裝置投入后，會(huì)明顯增加所產(chǎn)生的大電流（零序電流）部分，電流值和電流方向明確，不受補(bǔ)償損失，不受系統(tǒng)干擾，不影響系統(tǒng)其他設(shè)備正常運(yùn)行。因此，在本系統(tǒng)采用此種大電流接地選線的方式，可直接保障系統(tǒng)單相接地故障選線的成功率（99%），其準(zhǔn)確率遠(yuǎn)高于在本系統(tǒng)單獨(dú)使用小電流接地選線方式。