相位法配电网故障定位系统的仿真分析

2012-12-17李宝兰温正阳

电子科技 2012年12期

张欣，李宝兰，温正阳

(1.湖南省电力公司常德电业局，湖南常德 415001;2.湖北省宜昌市供电公司调度通信中心，湖北宜昌 443000;3.华北电力大学电子与通信工程系，河北保定 071003)

在我国中低压(60 kV及以下)配电网大都采用中性点不接地或中性点经消弧线圈接地的方式。在小电流接地方式系统中，配电网80%以上的故障是单相接地故障［1］。而这种方式的优点在于其发生单相接地故障时故障电流微小，三相之间的线电压仍然保持对称，对负荷的供电没有影响，因此，保护不必立即动作与断路器跳闸，系统可继续运行1～2 h［2］，这就为在线故障定位的研究提供了可能性。

文中根据零序电流相位法故障定位的原理，利用Matlab对系统进行仿真分析，验证了该方法的可行性，从而为实际应用奠定了基础。

1 相位法故障定位的理论依据

当中性点不接地系统中发生单相接地故障时，中性点电压U·

0不为零，相当于在故障点处有一个电压源，向线路提供零序电流，并通过对地电容形成回路，其零序等效网络如图1所示。由图可知故障点两侧零序电流的方向相反，即相位相差180°，这是系统故障定位的主要理论依据。

图1 零序等效网络图

系统在进行故障判断时，首先将三相线路上产生的零序电流瞬时值相加求和，若，则说明线路无故障，若，则说明有故障;然后比较相邻两个监测点零序电流的相位信息，若相位相反，说明其间有故障，反之，则无故障［3］。

2 仿真模型的搭建

如图2所示为10 kV配电网单相接地故障的仿真模型［4－6］。通过 Three － Phase Fault模块将系统设置为A相接地故障，故障点设在线路3上。根据零序电流定位的理论依据，故障点两侧的电流相位应相反。

图2 10 kV配电网仿真模型

2.1 仿真参数设置

根据我国电力系统交流电的频率，系统将频率统一为50 Hz;三相电压源设置为10 kV，接地方式为中心点不接地;线路采用分布参数型输电线路，各线路长度分别为40 km、60 km和70 km，线路各序参数使用元件固有参数，即正序电阻=0.012 73Ω/km，正序感抗=0.933 7 mH/km，正序容抗 =12.74 pF/km，零序电阻=0.386 4Ω/km，零序感抗=4.126 4 mH/km，零序容抗=7.751 pF/km;线对地的电容均为1μF;且不考虑负载的情况。

2.2 接地故障的实现

系统中单相接地故障是通过三相故障(Three－Phase Fault)模块实现。它可以选择不同相的接地故障，而且能实现各种相间短路故障。通过调节三相故障模块的过渡电阻的阻值来模拟不同的接地电阻对零序电流波形的影响。同时利用这个模块还可以设置故障的发生时间及切除时间，以便于对仿真波形的分析。模型将系统设为0.03 s发生A相接地故障，接地电阻为200Ω，0.15 s故障排除，总模拟时间为0.2 s。

2.3 零序电流相位的测量

仿真模型搭建最重要的部分是零序电流的测量实现。首先，在各线路的首端串联三相电流电压测量模块(Three－Phase V－I Measurement)，它有两个输出端分别为三相电压和三相电流信号;然后用分路器模块Demux将输出电流信号端分成3个单一信号，再用加法器将3个单一信号合成一个信号;最后，经过一个1/3增益的模块Gain，从而得到零序电流的波形，并通过示波器Scope显示。

3 仿真分析

运行搭建的仿真模型，可以在各个示波器中显示零序电流的波形。为便于观察，用Matlab中的命令将示波器中的图形画出，并显示在同一张图上，如图3所示。

分析图3可知0～0.03 s时系统无故障，因为三相电路对称，所以，即零序电流为零。0.03～0.15 s发生单相接地故障，零序电流不为零，通过比较图中零序电流波形可知线路3故障点前的相位与故障点后相位相反，且与非故障线路1、2的相位也相反;同时，可看出故障点前零序电流的幅值相对较大。0.15～0.2 s故障排除，零序电流幅值又趋向于零。

为验证不同状况下的接地故障对相位法故障定位的影响，设置了如表1所示的各种情况。