基于Matlab的小电流接地选线技术仿真研究

陈珊

(国网新邵县供电公司，湖南 新邵 422900)

基于Matlab的小电流接地选线技术仿真研究

陈珊

(国网新邵县供电公司，湖南 新邵 422900)

介绍了小电流接地系统几种接线方式，论述了目前小电流接地系统故障选线技术的工作原理，搭建了基于Matlab仿真软件的10kV小电流接地系统，并对该模型进行单相接地故障仿真，仿真结果表明，该模型能有效地反映10kV中性点非有效接地系统单相接地故障的特征量，为小电流选线技术的研究提供一种有效的参考材料。

Matlab仿真；小电流接地；故障选线；电力系统

1 引言

在我国电网中性点接地方式分类有多种，其中最常用的一种是根据电网发生单相接地短路时流经短路点电流大小分为大电流接地系统与小电流接地系统，大电流接地系统中又可分为中性点直接接地系统和中性点经小电阻接地系统等。小电流接地系统分为中性点不接地系统，中性点经高阻接地系统以及中性点经消弧线圈接地系统[1-2]。在我国，35kV及以下配电系统一般采用小电流接地系统运行，其最常见的故障形式是单相接地故障，约占配网全部故障的70%。当小电流接地系统发生单相接地故障，由于流过故障点的短路电流小，三相间线电压仍然对称，因此对负荷供电影响不大，所以允许系统带故障运行一段时间。但是非故障相的相电压升高到原来的倍，若长时间运行，可能会使故障扩大成两点或者多点接地，此外当发生弧光间歇性接地，由于中性点没有电荷释放通路，导致暂态过电压[3-4]。因此当系统发生单相接地故障时应尽快确定故障线路，消除故障。多年的运行情况表明，目前的小电流接地选线装置的技术和原理尚不成熟，不能很好地选出故障线路，电力工作人员大多数情况只能依靠逐一拉合线路的方式寻找故障线路，所以对小电流接地系统单相接地故障进行深入研究具有重要的意义。

2 中性点非有效接地接线方式介绍

2.1 中性点不接地系统

图1所示为中性点不接地系统，当系统发生单相接地故障后，由于中性点N不接地，因此没有短路电流通路，三相线路仍然流过正常的负荷电流，线电压仍然对称，系统可以运行一段时间，然而非故障相相电压上升为线电压，会对电气设备绝缘造成威胁，所以系统不能长期运行，在此期间应尽快的查明并排除故障，或者进行倒负荷操作。

图1 中性点不接地系统图

实际上，对于中性点不接地系统，由于线路存在对地电容，线路对地电容与接地故障点会形成容性电流通路，所以存在一个容性电流在导线和大地之间流通，而对地电容值很小，容抗很大，因此该电容性电流值不大。

2.2 中性点经高阻接地系统

图2所示为中性点经高阻接地系统，其接地电阻值一般为数百欧姆至上千欧姆。中性点经高阻接地系统能消除大部分的谐振过电压，对单相间歇性弧光接地过电压过电压具有一定抑制作用。然而流过中性点的零序电容性电流值很小。

图2 中性点经高阻接地系统

2.3 中性点经消弧线圈接地系统

图3所示为中性点经消弧线圈接地系统，对固定调整抽头的消弧线圈一般采用过过补偿工作状态，这样是为了避免电网运行发生变化，使消弧线圈处于全补偿工作状态，从而使得电网对地电容与消弧线圈的电感发生串联谐振，造成谐振过电压，使中性点位移电压过高。

3 小电流接地选线原理

小电流接地系统中发生单相接地故障，如何快速准确地找出故障线路是国内外一直未能有效解决的难题。现有的小电流接地选线原理如下：

图3 中性点经消弧线圈接地系统

3.1 零序电流基波比幅、比相法

由于小电流接地系统发生单相接地故障时，理论上流过故障线路的零序电流幅值数值上等于所有非故障线路对地零序电容电流之和，电流方向是故障线路由线路流向母线，非故障线路由母线流向线路。因此，根据这个特点，可以判别出故障线路[5]。这类方法容易受线路长度、过渡电阻大小以及系统运行方式等因素的影响。

3.2 零序谐波电流法

这种方法主要针对中性点经消弧线圈接地系统，消弧线圈是针对系统中零序基波分量进行补偿，因此对五次谐波分量不会进行补偿，即ωL=1/ωC而5ωL≠1/5ωC。

零序电流基波分量与零序电流五次谐波分量在中性点不同接地方式系统中均有着相同的特点，因此，利用零序电流比幅、比相法可以找出故障线路。该方法受负荷电流中五次谐波分量、过渡电阻大小等因素影响。

3.3 零序能量法

零序能量函数作如下定义：

线路中零序电流与零序电压乘积的积分，即：

(1)

由于故障线路与非故障线路中零序电流方向相反，假设非故障线路中电流为正，那么故障线路中电流为负，非故障线路的能量函数总是正值，故障线路能量函数总是负值，并且故障线路能量绝对值等于其他非故障线路能量函数的总和，因此可以通过判断零序能量函数的大小和方向选出故障线路。

4 基于Matlab的小电流接地系统仿真模型搭建

利用Matlab中的Simulink元件库建立一个10kV中性点不接地系统，一个10kV中性点经消弧线圈接地系统，一个10kV中性点经高阻接地系统的模型，并利用该模型进行仿真研究[6]。

(1)10kV中性点不接地系统

10kV中性点不接地系统仿真图如图4所示。

本模型采用三个单相电压源作为电源，三相电压相位互差120°，输出线电压为10kV,内部接线为Y型接线。该模型共有四条馈线线路，每条馈线各带1个负载，即Load1、Load2、Load3、Load4，负载有功分别为2MW、1MW、0.5MW、1.5MW，参数设置不影响结果的正确性。将线路3设为故障线路，设A相发生金属性接地短路，仿真时间0.3s，A相短路时间0.1～0.2s,仿真结果如下所示：①母线三相电压与三相电流，其波形如图5、图6所示。

图4 10kV中性点不接地系统仿真图

图5 母线三相电压波形

由图5可知，线路未发生短路故障时三相电压平衡对称，0.1～0.2s期间发生A相短路故障时，A相电压几乎降为0，B、C相电压上升为线电压，0.2s后，故障切除，三相电压恢复对称。由图6可知，整个仿真期间，三相电流平衡，保持不变。无论是故障线路还是非故障线路，其三相电压与电流波形图均与图5、图6一致。

②中性点电压波形图

由图7可知，中性点电压在故障期间约为相电压，非故障期间为0。

③故障相零序电流波形

由图8可知，发生单相接地故障时，故障线路的存

图7 中性点电压波形图

图8 故障相零序电流图

在的零序电流，故障切除后，零序电流也消失。

(2)10kV中性点经消弧线圈接地系统

中性点经消弧线圈接地系统仿真图如图9所示：

① 非故障线路三相电流波形图

由图10可知，非故障线路三相电流基本平衡。

②故障线路三相电流波形图

由图11可知，线路发生故障后，故障相电流，稍高于非故障相电流。

③故障相零序电流

由图12 可知，经消弧线圈补偿后，故障电流幅值有明显的降低。

(3)10kV中性点经高阻接地系统

图9 中性点经消弧线圈接地系统仿真图

图10 非故障线路三相电流波形图

图11 故障线路三相电流波形图

图12 故障相零序电流波形图

即将图9中的中性点接消弧线圈改为电阻即可，电阻值一般为几百欧至上千欧。本文取中性点电阻为1000Ω。

①非故障线路的电流波形如图13所示。

由图13可知，故障相电流值比非故障相要大。

②故障相零序电流波形如图14所示。

图13 中性点经高阻接地系统非故障相电流波形图

图14 中性点经高阻接地系统故障相零序电流波形图

③故障相三相电流波形图

由图14、15可知，故障相电流值比非故障相要大，零序电流量也很明显，因此可以作为故障选线的判据。

图15 中性点经高阻接地系统非故障相电流波形图

5 结论

对小电流接地系统单相接地故障进行准确的仿真对推进小电流选线技术的进步具有重要的意义。本文采用搭建小电流接地系统的Matlab仿真模型的方式模拟该系统的单相接地故障，仿真结果表明，本文搭建的仿真系统能准确的反应小电流接地系统的单相接地故障，为研究小电流接地选线技术提高了一个有力的研究模型。

[1] 贺家李，宋从矩.电力系统继电保护原理[M].3版，中国电力出版社,1994.

[2] 要焕年，曹梅月.电力系统谐振接地[M].中国电力出版社,2000.

[3] 李福寿.中性点非有效接地电网的运行[M].水利电力出版社,1993.

[4] 方瑜.配电网过电压[M].中国电力出版社,1994.

[5] 贺家李，宋从矩.电力系统继电保护原理[M].3版，中国电力出版社,1994.

[6] 于群，曹娜.MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真[M].机械工业出版社,2011.

Simulation Research on Small Current Earth Selecting Technology Based on Matlab

CHENShan

(Xinshao Power Supply Company of State Grid,Xinshao 422900,China)

The paper presents several connection wire ways of a small current earth system,expunds the working principle of the selecting technique of the small cuurrent earth system fault,sets up 10kV small current earth system based on matlab simulation software and carries out single-phase earth fault simulation for the model.The simulation shows that the model can offectively reflect the single-phase earth characteristic amount of 10kV neutral point non-effective earth system.It is effective reference information for small current selecting wire technique research.

matlab simulation;small current earth;fault selecting wire;power system

1004-289X(2015)05-0073-05

TM71

B