中性點非有效接地系統單相接地故障仿真分析

潘馨雨， 張新慧， 哈恒旭

(山東理工大學 電氣與電子工程學院， 山東 淄博 255091)

小電流接地系統又稱為中性點非有效接地系統，其接地方式分為三種[1-2]：中性點不接地，中性點經消弧線圈接地和中性點經高阻接地.在我國中低壓配電網中，采用的是中性點不接地方式和中性點經消弧線圈接地方式[3].其中發生的故障多數是單相接地故障，由于故障電流很小，所以給檢測帶來了很大的困難[4].傳統的故障選線方法大多基于穩態信號，不適用于中性點經消弧線圈接地系統及間歇性電弧接地故障[5].與穩態信息相比，故障的暫態信息較為明顯，更能反映故障特征[6].同時，基于暫態信息的故障選線方法不僅適用于中性點不接地系統，也適用于中性點經消弧線圈接地系統及間歇性電弧接地故障[7].

本文建立了一種小電流接地系統的數學模型，用于分析發生單相接地故障和間歇性故障時故障線路和非故障線路的零模暫態能量值的特征.同時，利用電磁暫態程序ATP結合Matlab[8]作了大量的仿真研究.并討論不同接地過渡電阻、不同故障距離、不同故障初始角對故障零模暫態能量值所產生的影響.

1 利用零模暫態能量的檢測原理

零模暫態能量法是根據故障線路的零模暫態能量函數值小于零，而非故障線路零模暫態能量函數值大于零的原理進行故障選線.利用零模暫態電壓導數和零模暫態電流定義一個零模暫態能量函數P(t)如式(1)所示：

(1)

其中：V0為零模暫態電壓；I0為零模暫態電流.

2 故障選線原理的仿真及分析

2.1 仿真模型

小電流接地系統仿真模型如圖1所示，對不同位置處發生單相接地故障進行仿真分析。系統電源中性點處由開關控制，打開開關構成中性點不接地系統，閉合開關構成中性點經消弧線圈接地系統.

圖1 系統仿真模型

2.2 模型參數

電源電壓為110kV，變壓器變比為110/10.5[9].線路L1=36km，L2=3km，L3=6km，L4=12km，L5=24km.單位長度線路參數如下：正序電阻0.17Ω/km；零序電阻0.23Ω/km；正序電感0.38mH/km；零序電感1.72mH/km；正序電容3.045pF/km；零序電容1.884pF/km；消弧線圈電感2519mH，并聯電阻10Ω.

2.3 仿真條件

(1)采樣頻率取100kHz[10].

(2)接地點過渡電阻分別取5Ω、100Ω、500Ω、1 000Ω四種情況進行仿真.

(3)設故障點距離線路首端分別為1km、5km、15km、25km.

(4)故障初相角分別取0°、30°、60°、90°四種情況進行仿真.

(5)零模暫態能量值利用式(1)進行計算，通過編制Matlab應用程序調用電磁暫態程序ATP仿真得到的數據進行處理，繪制零模暫態能量波形圖.

2.4 中性點不接地系統仿真結果分析

打開中性點處開關，構成中性點不接地系統.由于篇幅所限，僅以線路1首端發生過渡電阻為5Ω的接地故障為例，比較線路1、3、5零模暫態能量值的仿真結果及數據.

(1)仿真結果.線路1、3、5零模暫態能量值的仿真波形如圖2所示.

圖2 線路1、3、5零模暫態能量值的仿真波形

各線路的零模暫態能量值見表1.

表1 各線路零模暫態能量值

注：表中P表示零模暫態能量值，下同。

(2)結果分析.通過總結大量的仿真計算結果及仿真得到的波形可以得出如下結論：中性點不接地系統中，故障線路的零模暫態能量值小于零，而非故障線路的零模暫態能量值大于零.觀察仿真圖2及數據結果表1可以看出，故障線路1的零模暫態能量值小于零，且幅值明顯大于其余線路，故障特征明顯，極易檢測.

1.2 試藥 大黃素-8-O-β-D-葡萄糖苷（批號23313-21-5，純度以98.45%計，由深圳菲斯化工有限公司提供）；大黃素甲醚-8-O-β-D-葡萄糖苷（批號131012，純度以98.41%計，由成都克洛瑪生物科技公司提供）。甲醇、磷酸為色譜純，美國Fisher公司；水為超純水，其余試劑均為分析純。

2.5 中性點經消弧線圈接地系統仿真結果分析

閉合中性點處開關，構成中性點經消弧線圈接地系統.為了與中性點不接地系統進行對比，仍以線路1首端發生過渡電阻為5Ω的接地故障為例，比較線路1、3、5的零模暫態能量值的仿真結果及數據.

(1)仿真結果.線路1、3、5零模暫態能量值的仿真波形如圖3所示.

圖3 線路1、3、5零模暫態能量值的仿真波形

各線路的零模暫態能量值見表2.

表2 各線路零模暫態能量值

(2)結果分析.通過總結大量的仿真計算結果及仿真得到的波形可以得出如下結論：中性點經消弧線圈接地系統中，消弧線圈的補償作用對故障后的零模暫態能量值無影響，同樣可得出故障線路的零模暫態能量值小于零，而非故障線路的零模暫態能量值大于零.觀察仿真圖3及數據結果表2可以看出，故障線路1的零模暫態能量值小于零，幅值同樣明顯大于其余線路，故障特征亦明顯，極易檢測.

2.6 間歇性接地故障

以線路1首端發生間歇性接地故障為例，檢測線路1、3、4的零模暫態能量值.

(1)仿真結果.中性點不接地系統發生間歇性接地故障的零模暫態能量值仿真波形如圖4所示.中性點經消弧線圈接地系統發生間歇性接地故障的零模暫態能量值仿真波形如圖5所示.

圖4 中性點不接地系統間歇性接地故障仿真波形

圖5 中性點經消弧線圈接地系統間歇性接地故障仿真波形

(2)結果分析.通過總結大量的仿真計算結果及仿真得到的波形可以得出如下結論：零模暫態能量法同樣適用于間歇性接地故障.觀察仿真圖4和圖5可以發現，對于中性點不接地系統和中性點經消弧線圈接地系統在0.025～0.04和0.06～0.08之間發生故障時，故障特征明顯，且與發生一次性故障時具有同樣特征.

2.7 過渡電阻的影響

以線路1首端分別經過渡電阻為5Ω、100Ω、500Ω、1 000Ω接地故障為例，檢測各線路的零模暫態能量值.

表3 中性點不接地系統不同接地過渡電阻時零模暫態能量值

(2)結果分析.通過仿真計算結果及仿真得到的波形可以得出如下結論：

1)故障點的接地過渡電阻不同，測得的零模暫態能量值出現很大的差別，接地過渡電阻值越小，故障線路的零模暫態能量值越大，檢測靈敏度越高.

2)隨著接地過渡電阻的增大，故障線路的零模暫態能量值降低，檢測靈敏度也降低.

觀察表3可知,當接地過渡電阻達到一定數值時，如當R=1 000Ω時，故障線路的零模暫態能量值僅為-5.96，幅值太小，不易檢測.

對于中性點經消弧線圈接地系統也作了大量仿真，得到了相同的結論.

2.8 故障距離的影響

以接地點距離線路1首端為1km、5km、15km、25km時過渡電阻為5Ω接地故障為例，檢測各線路的零模暫態能量值.

(1)仿真結果.中性點不接地系統不同故障距離時測得的零模暫態能量值在表4中列出.

表4 中性點不接地系統不同故障距離時零模暫態能量值

(2)仿真分析.通過仿真計算結果及仿真得到的波形可以得出如下結論：接地故障點距線路首端距離不同，測得的零模暫態能量值變化不大，當故障距離較大時仍能通過數據可靠選出故障線路，且在中性點經消弧線圈接地系統中得到相同的結論.

2.9 故障初相角的影響

以線路1首端故障初相角為0°、30°、60°、90°時過渡電阻為5Ω接地故障為例，檢測各線路的零模暫態能量值.

(1)仿真結果.中性點不接地系統不同故障初相角時測得的零模暫態能量值在表5中列出.

表5 中性點不接地系統不同故障初相角時零模暫態能量值

(2)仿真分析.通過仿真計算結果及仿真得到的波形可以得出如下結論：故障初相角不同時，測得零模暫態能量值有一定的變化，但在各種故障初相角的情況下，故障線路與非故障線路的零模暫態能量值區別明顯，仍能以此準確的判別出故障線路.中性點經消弧線圈接地系統中可得到同樣的結論.

3 結束語

本文構造了中性點不接地系統和中性點經消弧線圈接地系統的仿真模型，針對不同故障情況下的單相接地故障，應用電磁暫態程序ATP進行了大量仿真。仿真結果表明: 零模暫態能量法檢測靈敏度高，除了接地過渡電阻過大時檢測靈敏度有所降低外，幾乎不受其他故障因素影響；零模暫態能量法可用于檢測間歇性接地故障.

[1]賀家李,宋從矩.電力系統繼電保護原理[M].北京:中國電力出版社,2004．

[2]Wellstone T, Leitloff V ,Feuillet R,etal. Location strategies and evaluation of detection algorithms for earth faults in compensated MV distribution systems[J]. IEEE Trans Power Delivery , 2000,15(4):1 121-1 128.

[3]周羽生,彭琢,韋肖燕,等.小電流接地系統單相故障的Matlab仿真[J].電力系統及其自動化學報,2009,21(4):50-53.

[4]劉萬順.電力系統故障分析[M].北京:水利電力出版社,1992.

[5]王振浩,周文姝,李國慶,等.基于暫態行波的配電網故障仿真分析[J].電力系統及其自動化,2011(1):69-72.

[6]王艷松,解飛.配電網單相接地故障的仿真分析[J],高電壓技術，2008,34(1):123-128.

[7]楊麗娜,辛雷,辛鵬.小電流接地系統故障仿真分析與研究[J].東北電力大學學報，2010,30(1):57-61.

[8]艾琳,羅龍.基于MATLAB的小電流接地系統仿真研究[J].華中電力,2008,21(3):18-21.

[9]張新慧,薛永端,潘貞存,等.單相接地故障零模暫態能量特征的仿真[J].電力自動化設備，2007,27(12):39-43.

[10]張新慧,潘貞存,徐丙垠,等.基于暫態零序電流的小電流接地故障選線仿真[J].繼電器,2008,36(3):5-9.