配网电缆中性点小电阻接地故障及选线研究

雷健新　张　浩　彭道刚

(上海电力学院自动化工程学院，上海　200090)



配网电缆中性点小电阻接地故障及选线研究

雷健新张浩彭道刚

(上海电力学院自动化工程学院，上海200090)

为确保电网的安全运行，对配网电缆接地故障特征及选线方法进行研究。首先对中性点小电阻接地模式进行理论分析，利用Matlab/Simulink软件平台，建立电缆故障仿真模型。针对性地研究了单相接地和两相接地短路故障的特性以及不同故障因素对故障特征的影响。结合电缆故障选线系统存在的不足，提出了一种基于零序电流的群体比幅比相法。仿真结果验证了该方法的可行性与有效性。

电缆故障小电阻接地Matlab/Simulink零序电流群体比幅比相法故障选线

0　引言

随着城镇配网规模的不断扩大，以电缆输电线路为主的配网模式日渐完善；与此同时，电缆路径的日益复杂以及电容电流的不断增大，使得电网故障日益频繁，甚至引发大面积断电事故，威胁电网安全运行[1]。此外，常见的中性点消弧线圈接地模式使得故障点容性电流得到补偿，从而大幅减小残流，不利于对故障线路零序分量的大小、方向辨别。这不仅影响故障选线方法的准确性，而且使选线装置面临更大的挑战。

配网电缆系统故障的仿真研究，不仅从技术层面上为故障选线提供数据支撑，利于后续故障的识别与定位，还有助于快速恢复系统供电，维护电网安全运行。同时,对配网系统供电的可靠性和经济性也起着重要作用[2-12]。针对配网电缆系统接地故障，本文提出了一种基于零序电流的群体比幅比相法。

1　中性点小电阻接地

实际配网系统中，发生单相接地故障的概率最大[7]。配网电缆单相接地故障特征与中性点接地形式密切相关。目前，电缆比例的上升，使得中性点不接地和消弧线圈接地方式均无法满足系统要求，而中性点小电阻接地方式则具有诸多优势[3,6]，可有效避免间歇性弧光接地过电压或谐振过电压，限制系统中性点电位偏移。因此，本文选择中性点小电阻接地方式。根据运行经验，配网电缆系统的中性点小电阻可根据式(1)求取。

(1)

式中：Rn为中性点电阻，Ω；Ux为相电压，V；Ic为电容电流，A。

配网电缆系统中性点小电阻接地方式的单相接地故障示意图如图1所示[4,8]。

图1　单相接地故障示意图

图1中：Ea、Eb、Ec分别为A相、B相、C相的电动势，V；Rn为中性点接地电阻，Ω；Rf为故障点过渡电阻，Ω；C0、C1、C2为三相对地电容，F；Ib和Ic分别为对应相的电容电流(或非故障相零序电流)，A；F为故障点；虚线表示配网多回出线；If为流经故障点电流，A。

Ic+IR

(2)

式中：U0为中性点电压，V；Ic为总电容电流，A；IR为中性点小电阻电流，Ω。

2　配网电缆故障仿真建模

本文采用Matlab/Simulink软件对配网电缆进行仿真建模。

考虑到线路长度与电磁波波长的比例，采用π型参数模块作为输电线路模型[4,7,10]。长度分别取10km、20km、30km、30km和40km。电源模块采用理想三相电源，额定频率为50Hz，初始相角为0°；降压变压器采用Y/Y型联接，变比取110kV/10.5kV，中性点接地电阻设置为10Ω；三相负载用阻感负荷等效，等效负荷功率因数取0.85，并采用等效三角形接线方式。

配网输电线路参数具体如表1所示。

表1　配网输电线路参数

3　配网电缆故障仿真分析

3.1单相接地故障

单相接地故障电压与电流波形如图2所示。

图2　单相接地故障电压与电流波形

仿真模型中，设定在0～0.03s时间段内，系统处于对称运行状态；当t=0.03s时，电缆线路L5的A相距离母线6km处发生单相低阻接地故障，故障采用电阻与开关串联的形式。为使故障特征更加鲜明，故障过渡电阻设置为1Ω(近似于金属接地)。

系统正常运行时，三相系统电压和电流均处于对称状态，中性点电压为零，并不存在零序电流；当t=0.03s时，电缆L5发生A相接地故障，三相电压和电流均处于非对称运行状态，中性点电压不再为零，且产生零序电流。由于接地电阻和过渡电阻的故障回路阻值很小，当发生单相接地故障时，故障相电压瞬间趋于零，而非故障相对地电压显著升高，暂态过程很短，较好地抑制了过电压的发生。电缆故障回路A相电流值远大于非故障相电流值，瞬间出现明显的冲击波(包含丰富的暂态分量)，并能较快趋于稳定。

3.2接地故障因素的影响

影响故障特征的因素很多，改变任何一个相关因素都会不同程度地影响故障特征[4]，因而有必要对常见的故障因素进行研究。下面通过改变故障点距离和故障点过渡电阻等因素，对配网电缆故障特征作进一步分析。

3.2.1故障距离的影响

故障点距离母线端的位置明显影响了故障暂态过程，一般距离母线越近，对故障的影响越大；反之则越小。考虑到故障点位置变化对非故障相电压几乎无影响[4]，分别取故障距离为1km、10km、20km和30km进行仿真分析，其余参数均一致，仅比较不同故障距离的A相故障电流波形，如图3所示。

图3　不同故障距离的A相电流波形

由图3可以看出，在故障距离从1km到30km的过渡过程中，故障电流的暂态幅值逐渐减小，暂态过程趋于平缓。

3.2.2故障过渡电阻的影响

接地故障一般可分为金属性接地故障、低阻故障和高阻故障等。不同阻值的过渡电阻对应不同的故障类型和波形特征。

过渡电阻为1Ω、10Ω、100Ω、1kΩ的不同故障相电流波形如图4所示。对比分析可知，当故障过渡电阻为1Ω或者更小时，流经A相故障点的电流幅值将取最大值，此时配网系统将面临最大危胁；随着过渡电阻的增大，流经A相故障点电流幅值将逐渐减小，当取值为1kΩ甚至更高数值而形成高阻故障时，故障电流几乎趋近于零且波形更为平缓。

图4　不同故障过渡电阻的故障相电流波形

3.3两相接地短路故障

配网电缆中，两相接地短路故障概率低于单相接地故障，但长时间的单相接地故障运行，很可能致使其余相发生故障，进而演变成两相接地短路故障[1,4,10]。两相接地短路故障电压和电流波形如图5所示。

图5中：A、C相为故障相，短路电阻取5Ω，其余参数设置不变，故障发生时刻仍为0.03s。故障发生后，故障相电压下降幅度很大。与图2比较可知，非故障相电压升高的幅值大于单相接地故障非故障相电压幅值；短路故障母线处故障电流明显升高，非故障电流(Ib)变化不大，而且短路故障电流的幅值也高于单相接地故障的电流幅值，暂态过程维持较短。

图5　两相接地短路故障电压和电流波形

4　配网电缆故障选线

配网中性点小电阻接地方式可以避免诸多不足，其优势在于故障特征明显，零序电流大小和相位易于检测[6,11]。本文在此基础上提出一种适用于配网电缆系统的故障选线方法，即基于零序电流的群体比幅比相法。

群体比幅比相法利用所有支路零序电流的比幅法和相对相位法，进行故障选线[2,8-9]。

图6为5回出线单相接地低阻故障的零序电流波形，故障过渡电阻为10Ω。在0～0.03s时间段内，配网线路正常运行，三相电流对称，零序电流为0；当t=0.03s时，配网5回线路均出现零序电流，线路L5的电流幅值明显大于其他线路，且满足线路L5零序电流幅值等于其余线路零序电流之和；选取同一时刻比较5回出线的相对相位，发现唯有线路L5的极性与其他不同，因此可判断线路L5为故障线路；进一步分析线路L5的电压和电流波形，可判断配网电缆线路L5的A相发生故障。因此，利用该方法进行电缆故障选线是可行的。

图6　低阻故障零序电流波形

高阻故障的零序电流波形与低阻故障具有相同的趋势，其电流方向一致，幅值大小存在差异，但能有效地进行故障的判断和识别。因此，在选择配网电缆系统中性点小电阻接地形式的前提下，基于零序电流的群体比幅比相法，无论对于电缆低阻接地故障选线，还是高阻接地故障选线,都具备较高的准确率。

5　结束语

本文首先指出，中性点小电阻接地方式相较其他接地模式更适合目前以电缆出线为主的配网系统。然后选取Matlab/Simulink平台构建仿真模型，进行接地故障的仿真分析，有助于对故障特征的了解。最后提出基于零序电流的群体比幅比相法，验证了在配网电缆中性点小电阻接地方式的前提下，进行故障选线的可行性和有效性。

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Study on the Neutral Point Low Resistance Grounding Mode and Fault Line Selection for Distribution Network Cable

In order to ensure the safe operation of pouler grid,fault features and the method of fault line selection for distribution network cable are studied,firstly,the low resistance grounding mode of neutral point is selected for researching,then the MATLAB/Simulink software platform is adopted to build the fault simulation model,and the short cut fault features of single phase grounding and two phase grounding,and the influence of different fault factor are studied pertinently.In addition,considering the deficiency of fault line selection,the method of group amplitude comparison and phase comparison based on zero sequence current is proposed.The result of simulation verifies the feasibility and effectiveness of this method.

Cable faultLow resistance groundingMatlab/SimulinkZero-sequence currentMethod of group amplitude comparison and phase comparisonFault line selection

雷健新(1989—)，男，现为上海电力学院电机与电器专业在读硕士研究生;主要从事电站设备状态监测与故障诊断、电力电缆故障诊断方向的研究。

TH89；TP27

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201609012

修改稿收到日期：2015-10-01。