某35kV变电站系统单相接地故障及选线仿真建模研究

安徽京卓电气有限公司 王洪武 甘朝宏

1 引言

1.1 研究目的及意义

电力系统运行的基本要求中最重要的是保证安全可靠地持续供电。大量运行经验表明，单项接地故障是电力系统的主要故障形式之一，约占电力系统各类型故障总和的60%以上［1］。本研究目的是基于Matlab/simulink 平台仿真软件，依据某35kV 变电站高压系统实际参数，搭建系统仿真模型模拟中性点非直接接地输配电系统中单相接地故障，验证比对本系统中小电流选线和大电流选线两种方式的可靠性和准确性。验证结论提供给相关电力部门参考，以便在系统技改时采用适合当地实际情况的选线方式，强化对电力系统单相接地故障的实时在线监测能力，提升大型智能电力系统运行可靠性。

1.2 研究主要内容

中性点非直接接地的配电网系统的主要缺点是最大长期工作电压与过电压均较高，特别是存在电弧接地过电压的危险，过电压保护装置的费用较大，效果较差，整个系统的绝缘水平因而也较高。虽然中性点不接地系统发生单相接地后，不需立即断开线路（可继续运行2h 以内），但是要选择可靠、准确的检测装置来检查出接地线路，消除接地故障[2]。本研究基于电力系统输配电网中单相接地故障的产生过程、变化规律及其电气物理特性，在借鉴国内外有关配电网系统中单相接地电流建模的基础上，结合乌海市电网某35kV 变电站实际运行状况与安全需求，在虑及电网承受单相接地电流的幅值与时间长度要求的基础上，搭建变电站中性点不接地系统基于Matlab/simulink 平台的仿真模型。通过该模型仿真模拟系统单相接地故障，采集分析故障和非故障线路的波形参数，为通过符合系统运行方式的精准选线装置快速查找发生单相接地故障线路提供必要的理论与技术支持。

2 某35kV变电站单相接地仿真建模研究

2.1 某35kV变电站系统图及仿真建模说明

35kV 变电站系统仿真说明如下。一是某35kV变电站，主变为两路35kV/6kV，6kV 系统为中性点不接地（经消弧线圈接地）。6kV系统两段母线并列运行，其进出线为高压电缆和架空线。二是仿真系统图采用简化方式，仅标示出各路出线回路，包括相对应的电缆型号及长度。三是本系统原有小电流接地选线装置默认始终处于投运状态，同时通过仿真模拟大电流精准选线装置投入。四是系统仿真状态按照6 种运行方式：系统单相金属接地（消弧线圈和大电流精准选线装置不投入）小电流选线；系统单相金属接地（消弧线圈投入，大电流精准选线装置不投入）小电流选线；系统单相金属接地（消弧线圈和大电流精准选线装置均投入）小电流选线+大电流精准选线；系统单相弧光接地（消弧线圈和大电流精准选线装置不投入）小电流选线；系统单相弧光接地（消弧线圈投入，大电流精准选线装置不投入）小电流选线；系统单相弧光接地（消弧线圈和大电流精准选线装置均投入）小电流选线+大电流精准选线。乌海某变35kV 电站系统（简化结构）如图1所示。

图1 乌海某变35kV电站系统（简化结构）

2.2 某35kV变电站系统仿真模型及说明

6kV 系统单相接地故障模拟，设定系统处于6kV。I、II 段母线并列运行状态，单相接地故障位置发生在系统出线电缆末端（按照系统接地故障极限状态，暂不考虑6kV 系统母线接地），A 相接地，仿真分析时采用简化方式。电缆和架空线封装模块如图2所示，Cable_L5_2表示的是II段L5。

图2 电缆和架空线封装模块

消弧线圈与大电流发生装置如图3所示。

图3 消弧线圈（左）与大电流发生装置（右）

9 层变电所1.25KM 的电缆选用Pipe-Type cable constant 模型。架空线选用PI 型模型，T_L7_1 表示I 段的L7 新建洗煤厂的架空线。采用ZigZag变压器和一个消弧线圈，大电流发生器生成的电流是单相接地电流，在故障发生约20ms 后电流由地反送到母线（持续时间设置为60～100ms）。

单相接地故障如图4所示，采用一个定时断路器控制逻辑电路和一个断路器模拟单相接地故障。

图4 单相接地故障

单相电弧接地故障如图5所示，采用定时断路器控制逻辑电路，一个断路器，一个设置为0～5Ω的接地电阻和一个受控可变电阻模拟单相电弧接地故障。受控可变电阻是基于改进控制论的电弧模型，该电弧电导由电弧电流幅值，常量系数，电弧长度和经验系数β和实时测量的电弧电流共同决定。

图5 单相电弧接地故障

2.3 某变电站系统单相接地仿真过程（波形）及分析

系统单相金属接地（中性点消弧线圈和大电流精准选线装置均投入）小电流选线+大电流精准选线。系统单相弧光接地（中性点消弧线圈和大电流精准选线装置均投入）小电流选线+大电流精准选线。仿真采用波形数据为零序电流，其故障线路和非故障线路为随机选择。

2.3.1 6kV系统单相金属性接地故障仿真

中性点谐振（中性点经消弧线圈接地）接地系统+（单相接地故障：故障相A 相，接地电阻R=0Ω，故障发生时刻t=0.05s；持续时长0.20s）+（大电流发生装置：60A；注入时刻：0.07秒；持续时间：0.10s）。发生单相金属接地故障的出线设定为6kV II 段L5 1.25KM MYJV32 3×95 电缆（末端），6kV系统单相金属接地零序电流稳定最大值见表1。仿真模拟波形图如图6所示。

图6 金属性接地故障仿真模拟波形图

表1 6kV系统单相金属接地零序电流稳定最大值(单位：A)

2.3.2 6kV系统单相弧光接地故障仿真

中性点谐振（中性点经消弧线圈接地）接地系统+（弧光接地故障：故障相A 相，接地电阻R=5Ω，弧长5cm，故障发生时刻t=0.05s；持续时长0.15s） + （大电流发生装置：60A；注入时刻：0.07 秒；持续时间：0.08s）。发生单相弧光接地故障的出线设定为6kV II 段 L5 1.25KM MYJV32 3＊95 电缆末端，仿真模拟波形图如图7所示。6kV系统单相弧光接地零序电流稳定最大值见表2。

图7 弧光接地故障仿真模拟波形图

2.3.3 6kV系统单相接地故障仿真波形和数据分析

由图6、图7 的零序电流仿真波形和表1、表2零序电流数据的可知，6kV 系统在单相接地时，无论是金属接地或弧光接地，故障线路的零序电流都由于中性点消弧线圈对接地电流的补偿作用而抵消，反而小于非故障线路的零序电流。而大电流精准选线装置投入后，从故障线路采集到的接地故障零序电流远远大于非故障线路的零序电流（几十倍）。

表2 6kV系统单相弧光接地零序电流稳定最大值(单位：A)

3 结语

中性点不接地系统小电流接地选线装置判定接地线路的主要判据是电流信号（零序电流）。电流信号过小是影响电流接地选线装置正确判定接地故障线路的主要因素，在单相接地故障发生后，其故障线路中所产生零序电流属于数值较小的系统对地电容电流，经过和系统中性点消弧线圈补偿电流相互抵消后，其数值变得更小。如采取谐波电流比零序电流的方法来判断故障线路，往往会因为其电流信号太小，而导致接地回路零序电流低于非接地回路电流的现象，造成其故障线路选线不准确[3]。这个结论符合近年来对中性点不接地系统单相接地选线的研究成果。

本系统发生单相接地故障的线路，在大电流发生装置投入后，会明显增加所产生的大电流（零序电流）部分，电流值和电流方向明确，不受补偿损失，不受系统干扰，不影响系统其他设备正常运行。因此，在本系统采用此种大电流接地选线的方式，可直接保障系统单相接地故障选线的成功率（99%），其准确率远高于在本系统单独使用小电流接地选线方式。