分布式电源发生闪络故障对配网运行的影响

摘要：分布式电源并网运行的稳定性一直是限制其推广应用的主要因素。随着分布式电源的大规模接入，其所在电力系统发生故障的危害随之增加。为了精确计算与并网运行的高穿透分布式能源的故障电流，文章构建了具体模型，在故障点设置了电弧，重点研究分布式电源对故障等级的影响与建立电弧模型对保护整定的意义。

关键词：分布式电源；配电网；闪络故障；电弧电阻；保护整定；配网运行 文献标识码：A

中图分类号：TM761 文章编号：1009-2374（2017）06-0195-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.097

1 概述

近年许多研究表明，分布式电源大规模并网运行存在着许多技术困难及安全隐患。而故障电流的升高及对系统保护配置原则的挑战是阻碍配电网大规模接入分布式电源的主要原因之一。传统的配电网规划及运行方案基于单向电力潮流分析及放射电网技术。故障电流恒定流向下级元件有利于保护装置等二次设备配置原则相对简单。而分布式电源的引入将原本的无源网变革为有源网，彻底地改变了这一现状。保护整定原则应做出相应调整以适应有源网的变革与分布式电源并网运行对其的影响。其重点考虑因素应为以下四点：（1）灵敏度；（2）选择性；（3）重合闸动作逻辑；（4）孤岛系统问题。

在配电网运行分析工作中，短路电流的计算决定着环网柜等电气设备的设计参数及保护整定值的计算。而分布式电源的并网运行致使精确计算短路电流显得尤为重要。由于电网短路容量的限制，并网运行的分布式电源也应相应有所限制。一般情况下，如果给出配电网相关数据及分布式电源参数则可计算出系统的最大及最小短路电流。在计算最大短路电流时，应假设所有电源均有效接入、最大负荷运行并发生金属性接地故障（及故障阻抗为零）。而在计算最小短路电流时，应假设并网运行的电源点数目最少、负荷最轻并发生非金属接地故障。在这种情况下的故障阻抗应將塔基阻抗和电弧电阻考虑在内。在实际工作中，故障阻抗往往仅凭经验估算得出。而如果经验值与实际故障阻抗值具有较大差异，则此时的短路电流计算值也会具有较大误差进而造成电力系统分析及保护整定值计算的重大错误。

统计数据表明，超过80%的故障属于闪络故障，因此电弧电阻值的计算在电力系统分析中显得尤为重要。由于闪络故障的故障电流取决于电弧电阻值，而电弧电阻非纯电阻不遵循线性电阻曲线，致使精确计算电弧电阻及故障电流一直是电力系统分析工作中的重点问题。由于电弧电阻不遵循线性电阻曲线故而使用欧姆定律进行计算会产生较大误差。电弧电阻的大小取决于电弧长度及通过电弧的电流大小。电弧电阻与电弧长度成正比，与电弧电流成反比。

35kV架空输电线路发生三相闪络故障如图1所示。与输电网不同的是，配网发生闪络故障（包括分布式电源接入的配电网）没有明显的特征。

本文将重点讨论分布式电源发生闪络故障对配网造成的冲击。重点研究分布式电源对故障等级的影响与建立电弧模型对保护整定的意义。

2 故障分析及电弧电阻计算

上述公式适用于中、高压电压等级。简而言之，故障电流越大、温度越高，电弧电阻值越小。电弧电阻值越小，造成的电压降越小。在电弧长度L一定的情况下，电弧电压梯度相应越小。

如上公式所述，电弧电阻值遵循为非线性函数变化。其阻值与电弧长度成正比，与电弧电流成负相关，因此如何将非线性的电弧电阻引入现有的故障分析模型并提高其计算精确度是下一步讨论的问题。本文将构建一个新型混合故障模型，并在其故障点位置设置闪络故障，借助此模型可以快速计算出故障电流及电弧电阻。

为计算故障电流及电弧电阻，模型参数如下设置（k为相干指数）：（1）设定电弧电阻初始值为0，即；（2）故障点初始故障电流计算由得出；（3）相干参数以自然数增长；（4）故障电流的计算需引入戴维南等效阻抗矩阵。的大小与故障点（k）有关；（5）设定逻辑判断语句，“if”。

上述算法可应用于计算取决于故障电流的电弧电阻阻值。

根据设备类型及并网协议，分布式电源可有以下三种情况：（1）保持并网运行，可供给较大符合并为电网持续输入有功、无功；（2）在一定的功率因数下并网运行；（3）在一定的终端电压下并网运行。

在潮流分布方面，前两种情况的分布式电源的节点可使用PQ节点模型。在分析这种类型分布式电源潮流分布时，需要将原有的潮流算法调整为电流流向母线。在第三种情况下，由于控制因素为该节点电压值，其归属于PV节点模型。如果无功输出的计算值超过无功输出限制，则此时该设备应采用PQ节点模型进行模拟。

本文所展示的故障电流算法适用于大多数中压配电线路：三股、四股，接地或不接地。不同的变压器配置（中性点接地方式）及负荷类型同样对短路电流计算产生不同影响。所以在开展故障电流、电弧电阻分析计算时，合理、恰当的选择电网参数显得尤为重要。

3 模型验证

上文所述之故障电流及电弧电阻算法在如图2所示34节点放射结构架空配电网模型中进行验证。总体负荷需求为1770kW。同时，72%的负载集中在距离供电节点56km处。距离该节点最远一处负载约为59km。该电网的初始电压。在19-20节点间设置配电变压器24.9kV/4.16kV。本配网模型仅由单一电压进行模拟并给出等效系统阻抗69kV/24.9kV（角形接线或星形接线中性点接地），2500kVA为/相。

为了分析分布式电源在此配网中发生故障的故障电流及电弧电阻，在23节点处设置分布式电源电并以PV节点模式进行模拟。此分布式电源参数如下：有功=300kW，额定电压=25.100kV，内部电阻为=（0.6+j1.5）Ω/相。在下述模拟中电弧长度均设定为L=1m。电弧长度越长，电弧电阻阻值越大从而对故障电流造成影响。下一节将重点研究有无分布式电源接入的配网发生短路故障的现象。

4 模型验证

在如下模拟中，均忽略接地故障电阻（均视为金属性接地）。为了模拟系统发生相间故障及两相接地故障，本文给出不同算法得出两组故障电流及电弧电阻值。

如图3和图4所示，在分布式能源不同接入状态下、不同节点发生单相接地故障及三相接地故障电弧电阻计算值。

如图5和图6所示，在分布式能源不同接入状态下、不同节点发生单相接地故障及三相接地故障故障电流计算值。

通过分析上述实验结果可以得出，在电力系统发生接地故障时，分布式能源的接入会降低电弧电阻阻值从而提升故障电流大小，同样的实验结果出现在相间故障模拟中。为了进一步分析分布式电源对电弧电阻的影响，本文引入无分布式电源故障时电弧电阻及接入分布式电源的电弧电阻。二者作差为。如图7所示，模拟发生单相接地时分布式电源对电弧电阻的影响在不同节点计算值。如前文所述，设置节点0为母线。则可从图中得出，离电源越远（即馈线末端），分布式电源的接入对电弧电阻影响越大。

5 结语

本文重点研究了分布式电源的接入对配网故障电流及电弧电阻的影响。通过建立34节点配网模型进行故障模拟得出结论，分布式电源的接入明显升高故障电流，降低了电弧电阻值。越靠近馈线末端的节点受到分布式电源接入的影响越大。

参考文献

[1] Hadjsaid，N.，Canard，J.-F.R.，Dumas.Dispersedgenerationimpacton distributionnetworks[J].IEEE Computer Applications in Power，1999，（20）.

作者简介：孙阔（1990-），男，山东莒南人，供职于国网天津市电力公司城西供电分公司，硕士，研究方向：电网运行。

（责任编辑：小 燕）