基于MATLAB仿真的小电流接地系统中单相接地故障特征分析

王华磊 徐超 陈磊 赵媛媛

(国网青岛供电公司,山东青岛 266000)

1 小电流接地系统仿真

图1 母线零序电压

图2 Line3的各相对地电压和线电压

为研究中性点不接地与经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时系统中电流的特征参数,本文以M A T L A B/Simulink为仿真软件,搭建了一个小电流接地系统,对故障电流特征信息进行了对比分析。仿真系统中电源采用“Three-phase source”模块,输出电压为10.5kV,内部接线为Y n型。开关K连接电源模块和消弧线圈,当K打开时,系统为中性点不接地方式,当K闭合时,系统为中性点经消弧线圈接地方式。

图3 系统零序电压和各线路零序电流

图4 Line3的各相对地电压和线电压

图5 系统零序电压和各线路零序电流

系统中共有3条10kV线路,Line1、Line2、Line3,长度均为15km,线路采用“Three-phase PI Section Line”,参数设置一致。 系统共有3个负荷：Load1、Load2、Load3,其有功负荷分别为：1 M W、0.2 M W、2 M W。消弧线圈采用过补偿方式。假设故障发生在Line3的A相,为金属性接地故障。

1.1 中性点不接地方式

Line3 A相发生金属性接地故障,故障地点在距离母线侧10km处,故障时间0.1s-0.2s,母线的零序电压波形图如图1所示。由图1可以看出,在故障发生前系统三相电压对称,零序电压为0;在0.1s发生故障时,各相电压不再对称,线路出现零序电压。中性点经消弧线圈接地系统的零序电压特征和中性点不接地系统相同,在现有的小电流接地选线方法中,常把零序电压作为启动选线的条件。

图2为Line3的相电压和线电压,由图中可见当0.1S发生A相金属性接地故障后,A相对地电压变为零,B、C两相对地电压升高倍,系统中线电压依然保持对称,对负荷没有影响。

图3为各线路的零序电流和系统的零序电压,由图中可见,非故障相得零序电流超前零序电压90°,说明电容电流的方向由母线侧流向负荷侧。故障相得零序电流为全系统对地电容电流之和,零序电流滞后零序电压90°,说明电容电流方向由负荷侧流向母线侧。故障相的零序电流与非故障相得零序电流相位相差180°。

1.2 中性点经消弧线圈接地方式

中性点经消弧线圈接地系统中,Line3 A相发生金属性接地故障,故障地点在距离母线侧10km处,故障时间0.1s-0.2s,其故障线路的各相电压分布如图4所示,由于有消弧线圈的加入,故障后A相得对地电压没有完全变为零,非故障相得对地电压升高倍。

各线路的零序电流和系统的零序电压如图5所示。由图中可见非故障相得零序电流仍是其本身对地电容电流,零序电流超前零序电压90°,这与中性点不接地系统是相同的。

故障相的零序电流幅值较非故障相零序电流幅值大,由于消弧线圈的加入,故障线路零序电流的幅值与相位与非故障零序电流的幅值与相位之间没有特定的关系。在中性点经消弧线圈接地系统中,由于消弧线圈电感电流的补偿作用,采用零序电流幅值与相位的选线方法将不再适用。

2 结语

本文通过M A T L A B搭建了一个小电流接地系统,对其中性点不接地方式和经消弧线圈接地方式发生单相金属性接地故障进行了仿真,对其故障特征信息进行了分析。

在两种接地方式的系统中,发生金属性单相接地故障时,各线路均出现了零序电压。在中性点不接地系统中,故障相的零序电流与非故障相的零序电流相位相反;对于中性点经消弧线圈接地系统,故障相零序电流幅值和相位与非故障相零序电流幅值和相位没有特定的关系。

因此,对中性点不接地系统,可以利用零序电流的幅值或相位进行选线;对中性点经消弧线圈接地系统,不能利用零序电流的幅值或相位进行选线。