配电网10 kV线路单相接地故障特征分析

李 童,宋玉琴,段俊瑞

(西安工程大学 电子信息学院,陕西 西安 710048)

0 引 言

单相接地故障是小电流接地系统中最常见的故障[1].由于故障电流小,其故障选线一直是电力系统的难题之一[2-4]．目前,小电流接地故障选线主要依据是故障参数的稳态分量和暂态分量[5-6]．全面、准确把握故障特征,不仅为故障选线技术的发展提供理论依据[7-10],对智能电网的研究也是一项基础工作[11-12]．文献[13]搭建了Simulink的10 kV仿真模型,对单相接地故障电压、电流进行仿真,但缺乏必要的故障电气量计算,仿真故障量与理论计算值之间的误差无法估算．文献[14]通过MATLAB软件建立了谐振接地系统单相接地故障仿真模型,分析了在几种极端情况下线路零序电流波形的特征,但模型准确性以及其假设条件是否适用于工程实践有待商榷．

针对小电流接地故障,文中建立了配电网10 kV线路网络仿真模型,依据小电流接地故障零序等效网络,详细计算了系统零序电压、健全线路及故障线路始端零序电流．基于仿真模型设置接地方式、故障类型、接地电阻、故障位置,进一步绘制基于Simulink小电流接地故障波形,并针对暂态和稳态的选线方法,仿真分析了不同故障位置对故障分量的影响,总结出一般的故障规律特征,为小电流接地故障选线提供参考．

1 模型建立与故障分析

1.1 模型建立

利用Simulink搭建10 kV配电网仿真模型,如图1所示．其中,电源电压为10 kV．图1中,3条输电线路长度分别为130 km，175 km，151 km．线路参数为:R1=0.081 2 Ω,L1=1.21 mH/km,C1=9.697 nF/km,R0=0.286 4 Ω,L0=5.48 mH/km,C0=6.124 nF/km．Load1～Load5负载功耗分别为0.6 MW，1.0 MW，1.2 MW，1.4 MW，1.7 MW．选用“三相故障”模块模拟线路故障,设置仿真结束时间为0.2 s,系统在0.04 s时发生A相金属性接地故障[15-16]．

1.2 故障分析

小电流接地故障零序等效网络[17-18]如图2所示.为了量化分析零序网络的模拟精度,需要先确定合理参数的计算方法.

图 1 仿真原理图 图 2 小电流接地故障零序等效网络 Fig.1 Simulation schematic diagram Fig.2 Zero sequence equivalent network for small current grounding fault

(1) 零序电容C0Σ.

C0Σ=Cu0L.

式中:Cu0为单位长度线路对地分布电容;L为该系统出线长度．

(3) 取过补偿度为10%时,消弧线圈电感参数L的计算[19-20]为

L=0.9/(3w2CΣ).

式中:CΣ为系统三相对地电容．

各条出线始端零序电流为

同理可得

I0Ⅲ=I0Ι+I0Ⅱ=5.75+7.75=13.5A.

系统零序电容电流为

I0c=I0Ι+I0Ⅱ+I0Ⅲ=5.75+7.75+6.68=20.18A.

不接地系统故障点接地电流为

I0k=I0c+Ixh=20.18+0=20.18A.

经消弧线圈接地系统故障点接地电流为

I0k=Ixh-I0c=22.4-20.18=2.22A.

2 仿真结果及分析

2.1 中性点不接地系统

A相接地故障在0.04 s时发生于线路L3距离母线1 km处,仿真波形如图3所示．而线路L3末端发生故障的波形图如图4所示．

(a)电源侧三相电压 (b) 零序电压波形 (c) L1零序电流波形

(d) L2零序电流波形 (e) L3零序电流波形 (f) 故障点接地电流Id波形图 3 中性点不接地系统首端故障特征Fig.3 Characteristics of the first end fault of neutral point ungrounded system

由图3,4可知,系统发生接地故障,会产生明显的过渡,直至系统趋于稳态,故障特点如下:

(2) 从图3(c)，3(d)，3(e)可知,各出线口的工频零序电流中故障线路L3零序健全线路L1,L2幅值大且相位相差180°．系统零序电压与故障线路L3电流存在超前90°的相位关系,而滞后L1,L2健全线路90°．同时，系统在0.04 s发生故障,系统零序电压的突变方向与线路L1,L2电流突变方向相同,与故障线路L3相反．可以利用故障发生瞬间电气分量的突变方向不同进行选线．

(4) 从图3，4对比可知,线路在首末两端发生故障系统零序电压、零序电流仿真波形会有明显差别,但故障电气量故障特征规律基本保持一致．

(5) 各出线零序电流仿真测量值I0Ι=5.91A,I0Ⅱ=8.03A,I0Ⅲ=13.89A,I0k=20.82A与理论计算值相比,在误差允许3%范围内．

(a) 电源侧三相电压 (b) 零序电压波形 (c) L1零序电流波形

(d) L2零序电流波形 (e) L3零序电流波形 (f) 故障点接地电流Id波形 图 4 中性点不接地系统末端故障特征Fig.4 Terminal fault characteristics of neutral point ungrounded system

2.2 中性点经消弧线圈接地系统

消弧线圈的接入改变了单相接地故障的稳态电气特征量的分布．图5,6分别为L3线路首末两端发生单相接地故障时的故障波形．

(a)电源侧三相电压 (b) 零序电压波形 (c) L1零序电流波形

(d) L2零序电流波形 (e) L3零序电流波形 (f) 故障点接地电流Id波形图 5 经消弧线圈接地系统首端故障特征Fig.5 The characteristics of the first end fault of the grounding system through the arc suppression coil

(a) 电源侧三相电压 (b) 零序电压波形 (c) L1零序电流波形

(d) L2零序电流波形 (e) L3零序电流波形 (f) 故障点接地电流Id波形图 6 经消弧线圈接地系统末端故障特征Fig.6 Terminal fault characteristics of grounding system through arc suppression coil

中性点经消弧线圈接地系统故障特征:

(1) 系统采用不同中性点接地方式电源侧三相电压波形并无明显差异，见图3(a)，图5(a):A相电压降为0,B、C相电压升高；单相接地故障零序电压波形相同，见图3(b)，图5(b)．

(2) 从图5(c)，5(d)，5(e)可知,各出线口的工频零序电流中,接地点电流经消弧线圈补偿,故障线路L3电流幅值可能小于线路L1，L2,且故障发生时刻,电流突变方向也与线路L1，L2相反，见图5(c)，5(d)，5(e)．

(3) 从图3，5比较可知,故障线路L3电流明显小于不接地系统的故障电流,得出采用中性点经消弧线圈接地方式可以减小故障点接地电流,但故障电流小难以检测,这对传统的选线方法又提出新的挑战．

(4) 图6波形分析表明,故障发生时刻,零序电流、零序电压的突变方向与图5一致,由此得出改变故障位置不影响故障特征规律．

3 结束语

文中在单相接地故障理论分析的基础上,通过建立系统发生故障的零序等效网络,详细计算了每条线路始端的零序电流以及故障点接地电流．基于MATLAB仿真软件,建立了配电网10 kV线路模型,对不同接地方式下发生单相接地故障进行了仿真分析,更加清晰、直观了解发生单相接地故障下的故障波形,验证了理论分析与仿真波形的基本一致．从不同故障位置对故障电气分量的仿真分析得出，故障位置不影响小电流接地故障特征规律,提取明显的故障特征有利于故障选线．