基于暂态仿真模型的不接地配电系统故障检测研究

山西昊翔能源集团有限公司 郝建文

不接地配电系统被广泛应用于电力系统中，是一种可靠性良好、接地故障发生率低的典型配电系统。但不接地配电系统运行条件复杂，仍有可能发生故障，存在检测难度大、结果不准确等问题，若错过最佳故障处理时机，易造成严重危害。因此，采取科学可行的故障检测技术具有重要意义，本文提出基于暂态仿真模型的故障检测方案，进行理论分析和仿真检验，旨在提高不接地配电系统故障检测水平。

1 PSCAD/EMTDC 仿真软件功能分析

1.1 PSCAD

PSCAD 由机电系统和电磁系统组成，可建立适用性良好的电路模型，测量结果在不同参数时的变化规律均可通过模型直观呈现。PSCAD 具有开放性和可视化特点，是EMTDC 的图形用户界面，人机交互水平高，易于操作；构图和输出数据方式便捷；仿真操作难度低、效率高。

1.2 EMTDC

EMTDC 用于求解电力系统及微分方程，是仿真计算的核心，输入数据和输出数据便捷高效，数据处理能力强。

PSCAD 和EMTDC 均具有特定功能，两者相结合构成功能完善的电磁暂态图形数据处理软件[1]。模型库中含有丰富电气元件可供选择，方便用户建立模型，提供数据仿真功能。

2 暂态仿真模型构建

于10kV 配电变压器高压侧安装绝缘子内置电容分压检测装置，用C1、C2表示高压臂、低压臂的电容，分别为100pF、20nF。

通过PSCAD/EMTDC 软件对不接地系统进行单相接地故障仿真，仿真总时长为0.2s，检验仿真过程中L1、L2、L3架空线路的工作状态，仿真结果表明L1架空线路在仿真至0.1s 时存在线路故障。

3 不接地系统仿真结果及分析

3.1 短路故障仿真

3.1.1 单相接地故障

以不接地配电系统中的线路L1为验证对象，过渡电阻考虑1Ω、100Ω、1000Ω 三种情况，分别验证电容分压器检测装置测定电压信号的仿真结果，具有故障相电压随着过渡电阻减小而减小的变化规律。

从线路电压波形特征来看，在不接地配电系统发生单相接地故障后，将产生大量暂态高频信号，考虑不同的过渡电阻值、故障距离，以及故障初相角，设置3个算例，分别进行仿真分析，检验本文所提方法的可行性。仿真算例信息见表1。

表1 仿真算例

根据各算例的仿真结果，做如下分析。

算例1。故障距离10km、故障初相角0°，两项参数固定，对比分析A 相电压波形在不同过渡电阻（1Ω、100Ω、500Ω、1000Ω）时的变化规律。故障线路L1的A 相的电压UA1在过渡电阻为1Ω 时快速衰减至零，此时L2、L3的电压UA2、UA3欠阻尼振荡衰减至零，电压暂态高频分量特征明显，可以作为判断不接地配电系统健全线路和故障线路的依据。算例1过渡电阻设为500Ω 和1000Ω时，暂态分量随着过渡电阻增加而降低，暂态分量频率与工频无过大差异，由于两者缺乏显著的差异性特征，难以检测不接地配电系统的故障线路和健全线路。

算例2。过渡电阻1Ω、故障初相角0°，两项参数固定，对比分析A 相电压波形在不同故障距离（5km、10km、15km）时的变化规律。UA1快速降低至零，回路电阻随着故障点与母线距离的增加而加大，线路在该变化过程中由欠阻尼向过阻尼转变，UA2和UA3周期型振荡降低至零，电压暂态高频分量随着距离增加而加大，对应振荡衰减次数减少。仿真结果表明，线路电压信号特征明显，可作为线路故障检测的关键依据，表明电容分压检测装置测定的电压信号在线路故障检测中具有利用价值。

第三，算例3。过渡电阻1Ω、故障距离10km，两项参数固定，对比分析A 相电压波形在不同故障初相角（0°、30°、60°、90°）时的变化规律。仿真结果表明，线路电压幅值不为零时，UA1、UA2、UA3在故障状态下的变化具有先后顺序，前期UA1开始振荡衰减，UA2和UA3在经过一个时延后开始振荡衰减。故障初相角、故障点与母线间距离是影响衰减速度和时延的重要因素[2]。

3.1.2 相间短路故障

单相接地故障是常见的短路故障形式，若处理不善或未及时采取处理措施，均有可能引起相间故障，对配电系统运行状态造成严重影响。数据窗取80ms～140ms，不接地配电系统的L1线路发生故障时的电压波形如图1所示。其中，不接地配电系统L1、L2、L3三条线路的电压分别用U1、U2、U3表示。

图1 L1相间短路故障

根据图1（a）可知，非故障相C 相的电压在AB 两相相间短路故障时仍维持稳定，中性点电压无偏移，C 相电压并未因为A、B 相发生故障而发生变化。A、B 两相的相位与C 相相反，电压均为C 相电压的1/2，A、B 两相电压相同。

根据图1（b）可知，非故障相C 相的相位在AB 两相短路接地故障时维持不变，电压幅值增加至故障前的3倍，中性点电压在A、B 相电压衰减至零时不再为零。对于不接地配电系统健全线路，C相的电压与故障线路C 相电压一致，A、B 相的方向相反，电压大小一致。

根据图1（c）可知，故障线路三相电压在ABC三相相间短路故障时衰减至零，健全线路的三相电压未受到影响，中性点电压并未因为故障而出现偏移。

在上述分析中，故障条件考虑的是过渡电阻、故障距离，以及故障初相角，单相接地故障同时Rg＜500Ω 时，电压信号中的暂态高频成分具有参考意义，可以据此判断被测不接地配电系统线路故障；故障线路和健全线路的相电压在相间短路故障时有较大差异，此条件下的线路故障检测可根据稳态电压波形特征进行[3]。

3.2 单相断线故障仿真

以L1线路单相断线故障为例，数据窗取80～140ms，L1、L2、L3线路的电压分别用U1、U2、U3表示，故障状态下的电压波形如图2所示。电容分压检测装置测定的是邻近负荷侧的电压信号，此检测结果主要与装置安装于配电变压器高压侧有关。对比分析故障线路的三相电压，相比两个非故障相的电压合成分量，故障相为该值的1/2，同时具有A 相相位超前C 相，B 相相位超前A 相的规律。

图2 单相断线故障

根据图2（a）可知，故障线路的B、C 非故障相电压在A 相短线不接地故障时未发生变化，健全线路的A、B、C 三相电压保持稳定，未受到故障线路的影响。

根据图2（b）可知，健全线路A 相电压在接地电阻极小的A 相断线且母侧接地故障时衰减至零，B、C 相的电压增加至正常状态时的倍，表现为电压值发生变化但相位维持原状的规律。

根据图2（c）可知，故障线路A 相的电压在接地电阻极小的A 相断线且负荷侧接地故障时衰减至零，健全线路A 相的电压增加。综合故障线路和健全线路的B、C 相，发现各自的相位均未发生变化，电压幅值呈降低的变化规律。

3.3 仿真结论

根据多种故障仿真分析结果，做如下总结。

第一，低阻接地故障，健全线路的电压欠阻尼衰减至低值后不再发生变化，故障线路的故障相电压衰减至零，暂态高频分量特征因线路是否发生故障而存在显著区别；无论线路是否发生故障，暂态分量频率均随着过渡电阻增加而接近工频，幅值持续减小。

第二，接地故障，中性点电压偏移，从而影响健全线路三相的电压；相间短路故障，故障相的电压保持一致；单相断线故障，由非故障相的电压合成故障相的电压，两类线路的三相电压差异大。

第三，电容分压检测装置在不接地配电系统故障检测中发挥出重要作用，同时波形特征具有参考价值，能够检测的不接地配电系统故障包含低阻接地、相间短路、单相断线等，故障检测面广，检测效率高，检测结果可作为故障处理的依据。

综上所述，本文提出绝缘子内置电容分压装置的检测方案，将其安装于10KV 配电变压器高压侧，作为故障检测装置进行使用，仿真分析结果表明，故障检测结果准确，检测效率高，能够给故障处置提供依据。研究认为，采用电容分压器的故障检测技术在不接地配电系统故障检测中具有应用价值，值得深入研究和推广。