配電網靈活接地方式運行特性的仿真研究

馬 勇 ，魏 旭 ，周志成 ，付 慧 ，陶風波 ，陳俊武

（1.江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103；2.華中科技大學電氣與電子工程學院，湖北武漢430074）

配電網中性點接地方式的選擇直接影響著系統的安全運行。靈活接地（即消弧線圈并聯小電阻）方式集合了消弧線圈和小電阻接地方式的優點[1-3]，既可以降低系統過電壓水平，提高故障選線準確性，又可以減少線路跳閘率，提高系統運行可靠性，故逐漸應用在配電網中，特別是在升壓改造的老舊線路中，能提高設備的可利用率。

本文建立配電網仿真模型，深入分析故障接地電阻值、小電阻并入時間、控制策略對靈活接地方式運行特性的影響，為靈活接地方式在配電網中的應用提供了參考依據。

1 工作原理

消弧線圈并聯小電阻接地方式（即靈活接地方式）由自動調諧消弧線圈、小電阻、控制器等部分組成，如圖1所示[4]。

圖1 靈活接地方式結構圖

電網正常運行時，消弧線圈通過中性點與電網相連，控制器隨時計算電網的電容電流，將消弧線圈調至相應的檔位，小電阻未并入中性點。當發生單相接地故障時，消弧線圈發揮補償電網電容電流的作用，使故障電流減小，經過一定時間，瞬時故障消失，若為永久接地故障，則并入小電阻，利用小電阻抑制過電壓，進而故障選線[4-6]。

2 仿真模型

對應圖1在PSCAD中建立20 kV配電網模型，采用110 kV電源，變壓器的變比為110/22.2，線路均為電纜線路，各線路長度如表1所示。

表1 各線路長度 km

直接采用BREAKERS&FAULTS模塊模擬金屬和非金屬接地故障，用SEQUENCERS模塊模擬間歇性電弧接地中電弧的熄滅和重燃，用Multiple Run Component模塊進行不同相位下發生故障的多次的重復性仿真。

通過計算[1]，線路的電容電流為59 A左右。再加上負荷、電源處的對地電容，實際系統中的電容電流會大于線路電容電流的計算值。消弧線圈直接用電感代替，通過改變電感的大小改變消弧線圈補償度，并聯的小電阻取10 Ω。

3 靈活接地方式的仿真

靈活接地方式運行的暫態過程一般和以下幾個因素有關：單相接地故障的形式，短路故障發生時刻，小電阻的并入時刻以及短路故障相等[7，8]。

3.1 故障過渡電阻的影響分析

單相接地故障的形式主要有永久金屬性接地故障、非金屬性接地故障、間歇性弧光接地等[9]。仿真中金屬性接地的故障過渡電阻取5 Ω，非金屬性接地的故障過渡電阻分別取100 Ω和800 Ω，間歇性電弧接地的電弧電阻分別取5 Ω和100 Ω。均假定在0.3 s時線路Lf1與Lf2之間發生A相接地故障，故障發生時A相的相位為0°，延長一定時間后并入小電阻，仿真結果如表2和圖2所示。其中，Ua，Ub，Uc，Uo分別為故障點 A，B，C 三相和中性點電壓，υ為失諧度

表2 不同故障類型在并聯小電阻前后系統最大電壓p.u.標幺值（υ=-5%）

由圖2和表2分析可知：

（1）當故障發生后延時并入小電阻，不同故障類型下的系統過電壓均會有明顯降低。5種故障條件下，小電阻的并入可使系統電壓降低的范圍為[0.26 p.u.，1.48 p.u.]。

（2）發生的故障類型不同，并入小電阻后使系統過電壓降低的效果也不同。其中，間歇性弧光接地的故障過渡電阻為5 Ω時，系統過電壓可從3.6倍降低到2.12倍，效果最為明顯，如圖2（d）所示。

（3）由于故障過渡電阻的阻尼作用，同種故障類型下，故障過渡電阻越大，系統過電壓越小。例如圖2（d）中的電壓波形振蕩幅度就比圖2（e）要大，電壓幅值也高出幾乎2倍；并入小電阻后，與圖2（b）相比，圖2（c）的中性點電壓幾乎為0，波動較小，三相電壓接近正常平衡狀態。

3.2 小電阻并入時刻的影響分析

小電阻不同的并入時刻對應著系統電壓不同的幅值，因此，小電阻并入時刻的差異也會帶來大小不同的過電壓。仿真中，同樣故障發生時A相的相位為0°，延長一段時間在一個工頻周期內取20個時間點并入小電阻，計算每個情況下的系統電壓情況，結果如圖 3所示。Uam，Ubm，Ucm，Uom分別表示并入小電阻后故障點A，B，C三相和中性點電壓的最大幅值的標幺值。

從圖3可以看出：

（1）任何故障下系統過電壓大小均受小電阻并入時間的影響，最大電壓主要是非故障相的電壓，但大小有不同。間歇性弧光接地下的影響最大，金屬性接地故障下的影響最小。其中，電壓變化的最大和最小倍數分別為1.48倍和0.26倍。

（2）一個工頻周期內不同時間點并入小電阻，系統過電壓不同，當中性點電壓為0時并入小電阻，對系統影響最小，因此，這個時間點的過電壓最小。金屬性接地故障和非金屬性接地故障下中性點電壓波形近似正弦波，一個周期內電壓為0的時刻較少，而間歇性弧光接地故障下，中性點為0的時刻較多，因此不同故障類型下能使系統過電壓最小的并入時刻差別較大。

3.3 故障發生時刻的影響分析

短路故障發生時刻主要是考慮故障發生時故障相的相位不同帶來的影響，這里以金屬性接地故障為例進行說明。仿真中故障時間從0.3 s開始到0.32 s，每次增加0.000 1 s，共仿真201次，具體結果如圖4所示。

圖4 系統過電壓最大時電壓波形（υ=-5%)

在故障相電壓為峰值附近時發生金屬性接地故障，故障相電壓瞬間為0，非故障相電壓振蕩很大，高達4倍以上[10]。從仿真結果中可以看出，一個周期內系統過電壓最大的時刻有2個。改變失諧度，所得到的最大電壓倍數的時刻都對應著故障相電壓為峰值。

4 控制策略分析

當發生單相接地故障時，關心的主要問題是：故障類型、并聯小電阻的控制等。

故障類型可以通過故障相電壓的波形判斷，故障相電壓波形幅值很小，近似一條水平線的為永久金屬性接地故障，故障相電壓半個周期為0，半個周期升高到峰值的為間歇性電弧接地故障，介于兩者之間，故障相電壓有一定幅值，周期性變化的為非金屬性接地故障，電壓幅值隨著故障過渡電阻的增大而增大。從以上仿真中可以找到使系統過電壓幅值最小時所對應的并聯小電阻的時刻，這些時刻隨著故障初始條件的不同而發生變化，但是都對應著中性點電壓為0，間歇性弧光接地故障時，中性點電壓為0的時刻較多，但在故障發生后1/4周期左右并入可以使系統過電壓最小。

在故障相電壓為峰值時發生接地故障，系統過電壓最大，當中性點電壓為0時并入小電阻，系統過電壓最小。因為小電阻并入后，其上所加電壓即為中性點電壓，電壓越小，帶來的影響越小。

由以上分析可知，正常狀態下，靈活接地裝置中僅消弧線圈與中性點連接，隨時跟蹤電網調至相應檔位；單相接地故障發生時，由于消弧線圈的補償作用，可使故障電流減小，瞬時故障則消失；若為永久故障，可根據故障相電壓波形判斷故障類型，金屬性接地和非金屬性接地故障時，在中性點電壓為0時并入小電阻，弧光接地故障時，在熄弧時并入小電阻，從而達到降低系統過電壓的最佳效果。

5 結束語

（1）靈活接地方式在不同故障下并入小電阻均會降低系統過電壓，故障類型不同，過電壓的水平不同，其中間歇性弧光接地故障下效果最好。（2）小電阻的并入時刻對系統電壓最大倍數有影響，雖然不同故障類型，不同故障過渡電阻下會有區別，但在中性點電壓為0時并入小電阻，帶來沖擊最小，系統過電壓最小，可根據此對靈活接地方式中的小電阻控制。（3）故障發生的時刻不同，系統過電壓大小也不同，當故障相電壓為峰值時發生接地故障，系統過電壓最大。

[1]要煥年，曹梅月.電力系統諧振接地[M].北京：中國電力出版社，2001.

[2]熊信銀，張步涵.電氣工程基礎[M].武漢：華中科技大學出版社，2005.

[3]張同洲.20 kV配電網中性點接地方式的選擇[J].電網技術，2008(S1).

[4]陳維江，蔡國雄，蔡雅萍，等.10 kV配電網中性點經消弧線圈并聯電阻接地方式[J].電網技術，2004(24)：56-60.

[5]張 海.6～35 kV電網中性點靈活接地及其控制的研究[D].保定：華北電力大學，2006.

[6]蔡雅萍.10 kV配電網中性點靈活接地方式及接地故障檢測系統的研究[D].北京：中國電力科學研究院，2002.

[7]謝彥斌.山區35 kV電網中性點新型運行方式研究[D].重慶：重慶大學，2008.

[8]王 杰.獨立電力系統中壓電網接地方式和過電壓問題研究[D].武漢：華中科技大學，2008.

[9]韓愛芝，曾定文，魯鐵成.配電網間歇性電弧接地過電壓的仿真分析與對策[J].高壓電器，2010(1)：72-75.

[10]張 海，徐玉琴，白 嘉，等.10 kV配電網中性點靈活接地方式在單相金屬性接地故障下的ATP仿真及其研究[J].繼電器，2006(7)：18-23.