20 kV配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式切換仿真實(shí)驗(yàn)研究

韓 笑， 趙張磊， 周靈江， 劉 曦(.南京工程學(xué)院 配電網(wǎng)智能技術(shù)與裝備江蘇省協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 000；.浙江臨海市供電公司,浙江 臨海 7000； .浙江溫州市供電公司，浙江 溫州 5000)

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20 kV配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式切換仿真實(shí)驗(yàn)研究

韓 笑1， 趙張磊1， 周靈江2， 劉 曦3
(1.南京工程學(xué)院 配電網(wǎng)智能技術(shù)與裝備江蘇省協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210003；2.浙江臨海市供電公司,浙江 臨海 317000； 3.浙江溫州市供電公司，浙江 溫州 325000)

基于某地區(qū)20 kV配電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)，結(jié)合該地區(qū)電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃,采用PSCAD軟件建立相應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｖ攸c(diǎn)研究采用小電阻接地和消弧線圈接地兩種不同中性點(diǎn)接地方式下配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電氣數(shù)據(jù)，通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到其對(duì)相關(guān)設(shè)備和繼電保護(hù)的影響。為實(shí)際電網(wǎng)中性點(diǎn)采用兩種接地方式短時(shí)切換的可行性提供理論依據(jù)。

配電網(wǎng)； 中性點(diǎn)； 接地方式； 切換； 仿真

0 引 言

根據(jù)我國(guó)實(shí)際情況，20 kV電壓等級(jí)的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性已經(jīng)得到論證[1-3]。在20 kV配電網(wǎng)的運(yùn)行與改造中，中性點(diǎn)接地方式的合理選擇是影響電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與布局，電力設(shè)備設(shè)計(jì)制造，電力系統(tǒng)運(yùn)行管理，繼電保護(hù)配置，供電可靠性的關(guān)鍵技術(shù)問題。在新建的20 kV配電網(wǎng)和10 kV升壓改造的20 kV配電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中存在以下問題。由于大量電纜的應(yīng)用和線路長(zhǎng)度的不斷增加，導(dǎo)致發(fā)生永久性單相接地故障時(shí)對(duì)地電容電流過大。采用消弧線圈接地方式時(shí)，對(duì)電容電流補(bǔ)償困難加大，故障選線難，非故障相的過電壓水平高，易對(duì)部分原10 kV升壓設(shè)備造成絕緣損壞。現(xiàn)20 kV配電網(wǎng)多為大用電負(fù)荷企業(yè)用戶供電，其對(duì)電能質(zhì)量要求高，在采用小電阻接地方式下發(fā)生單相接地故障即線路保護(hù)動(dòng)作跳閘。因配電網(wǎng)架構(gòu)相對(duì)薄弱，備用電源不足，故障跳閘所造成的停電將會(huì)導(dǎo)致企業(yè)較大的經(jīng)濟(jì)損失[4-6]。

對(duì)于以上問題，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者提出的中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻的靈活接地方式，可通過兩種接地方式短時(shí)切換解決單一接地方式存在的問題[7-10]。本文對(duì)中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地、經(jīng)消弧線圈接地和前兩者短時(shí)切換接地分別進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究，以期獲得關(guān)鍵電氣節(jié)點(diǎn)的仿真數(shù)據(jù)，從而為中性點(diǎn)接地方式選擇、設(shè)備選型、接地故障選線等提供參考依據(jù)。

1 20 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)模型

1.1 建模依據(jù)

1.1.1 研究對(duì)象

以東部沿海某新興城市的20 kV配電網(wǎng)為研究對(duì)象進(jìn)行仿真建模分析，其一次簡(jiǎn)圖如圖1所示。該20 kV變電站擁有兩條110 kV進(jìn)線，兩臺(tái)容量為80 MVA的110/20 kV的主變，接線方式為Y，d11。變電站采用內(nèi)橋接線，日常運(yùn)行時(shí)母聯(lián)斷路器斷開兩母線分列運(yùn)行。20 kV側(cè)共有8條出線，其中部分出線為新建的20 kV線路，部分則由原10 kV配電網(wǎng)線路升壓改造而來(lái)。兩臺(tái)接地變壓器與各自母線相連，為20 kV側(cè)提供接地點(diǎn)。

圖1 某20 kV配電網(wǎng)一次簡(jiǎn)圖

1.1.2 主要設(shè)備參數(shù)

電網(wǎng)電容電流值由接入的線路總長(zhǎng)度確定，因此可通過對(duì)20 kV出線的導(dǎo)線類型及其長(zhǎng)度的統(tǒng)計(jì)對(duì)電容電流值進(jìn)行估算。該20 kV配電網(wǎng)共8條出線，主要采用JKLYJ-20/240型架空絕緣導(dǎo)線和YJLV22-18/20-3*400型電纜。其實(shí)際長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果為I段母線II段母線各有JKLYJ-20/240型架空絕緣導(dǎo)線23.9 km，YJLV22-18/20-3*400型電纜5.9 km，各饋線均為典型架空線—電纜混合出線。該兩類導(dǎo)線相關(guān)電氣參數(shù)如表1所示。

表1 導(dǎo)線電氣參數(shù)表

根據(jù)導(dǎo)線統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可計(jì)算出系統(tǒng)等效對(duì)地電容。根據(jù)式(1)，可對(duì)線路總的電容電流進(jìn)行估算。計(jì)算結(jié)果為56.2 A。依此可通過式(2)對(duì)消弧線圈的容量進(jìn)行計(jì)算， 得到其容量為1 000 kVA，電感值為0.65 H。

(1)

式中:Ic為導(dǎo)線對(duì)地電容電流(A)；Ul為額定線電壓(V)；C0為單相對(duì)地電容(F/km)；L為線路長(zhǎng)度(km)。

(2)

式中:Q為消弧線圈補(bǔ)償容量(kVA)；K為系數(shù)(過補(bǔ)償取1.35，裝在電網(wǎng)變壓器中性點(diǎn)的消弧線圈采用過補(bǔ)償方式)；UN為電網(wǎng)額定線電壓(kV)。

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⑴c參數(shù)設(shè)置

利用PSCAD軟件進(jìn)行該配電網(wǎng)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇罱ā４四Ｐ头譃殡娫茨K、雙繞組變壓器模塊、π型線路模塊、接地變壓器模塊、故障模塊和測(cè)量模塊。其中使用三相電壓源模型模擬兩變電站110 kV進(jìn)線，使用上述雙繞組變壓器模型模擬主變，使用π型等值模型對(duì)20 kV出線的線路參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，建立仿真模型如圖2所示，模型中的參數(shù)按表2。設(shè)置(I段母線和II段母線的主變與接地變參數(shù)相同)。對(duì)系統(tǒng)在不同接地方式下，兩段母線并列運(yùn)行與分列運(yùn)行分別進(jìn)行單相接地故障仿真。

圖2 仿真模型圖

參數(shù)數(shù)值電源電壓值/kV110電源等效阻抗值/H0．037741#主變?nèi)萘?MVA801#主變變比/kV/kV110/211#主變短路電壓百分?jǐn)?shù)/%12．81#主變接線方式Y(jié)，d111#接地變?nèi)萘?MVA1．21#接地變短路電壓百分?jǐn)?shù)%6．9

2 小電阻接地方式故障仿真

小電阻接地方式仿真模型，即在20 kV配電網(wǎng)側(cè)接入接地變壓器，并在接地變壓器中性點(diǎn)接入一個(gè)小電阻，從而加入一個(gè)有效的接地點(diǎn)，在發(fā)生單相接地故障時(shí)，應(yīng)保證使零序過流保護(hù)可靠動(dòng)作。

2.1 兩母線分列運(yùn)行仿真

系統(tǒng)采用20 Ω小電阻接地，模型中變電站I段母線II段母線分列運(yùn)行且兩臺(tái)接地變壓器均投入，其參數(shù)按表2設(shè)置，對(duì)母線發(fā)生單相接地故障進(jìn)行仿真。故障時(shí)的主變低壓側(cè)的電壓如圖3所示。小電阻接地方式下，發(fā)生A相接地故障時(shí)故障相電壓降為1.1 kV，非故障相電壓峰峰值上升至24 kV。

圖3 三相電壓波形圖

中性點(diǎn)電流和電壓如圖4所示，中性點(diǎn)電壓值由正常時(shí)接近于0上升至12.8 kV，流過中性點(diǎn)的故障電流峰峰值約為560 A。

圖4 中性點(diǎn)電壓電流波形圖

以上仿真結(jié)果說明，由于故障所導(dǎo)致三相電壓不平衡，中性點(diǎn)電壓將上升至額定相電壓的50%以上。該特征量的顯著變化可作為電網(wǎng)是否發(fā)生故障的判據(jù)使用。流過中性點(diǎn)的故障電流約為560 A，能夠保證零序電流保護(hù)啟動(dòng)切除故障。

對(duì)饋線1～4的末端發(fā)生單相接地短路進(jìn)行仿真，對(duì)流經(jīng)饋線保護(hù)安裝處的零序電流進(jìn)行采集與統(tǒng)計(jì)如下：饋線1為502.4 A，饋線2為503.2 A，饋線3為495.1 A，饋線4為438.5 A。其檢測(cè)到的故障電流均為500 A左右，能夠滿足相關(guān)設(shè)備的耐流要求和繼電保護(hù)設(shè)備的動(dòng)作要求。對(duì)于系統(tǒng)選擇20 Ω小電阻接地能夠保證零序保護(hù)可靠動(dòng)作于單相接地故障。部分10 kV設(shè)備能夠滿足該接地方式的運(yùn)行要求。

2.2 兩段母線并列運(yùn)行說明

針對(duì)電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中可能存在的變電站兩條母線并列運(yùn)行且接地變壓器均投入的極端情況，對(duì)該情況下發(fā)生單相接地故障進(jìn)行軟件仿真。三相電壓波形與圖3相近，中性點(diǎn)電流如圖5所示。此時(shí)發(fā)生單相接地故障，流過兩臺(tái)接地變中性點(diǎn)電流相加即故障電流峰峰值將達(dá)到810 A。

圖5 中性點(diǎn)電流波形圖

以上仿真結(jié)果說明，由于故障時(shí)系統(tǒng)中存在兩個(gè)接地點(diǎn)，系統(tǒng)等效接地電阻變?yōu)樵瓉?lái)的一半為10 Ω，饋線保護(hù)處檢測(cè)到的故障電流約為原來(lái)的兩倍。過大的故障電流將會(huì)對(duì)繼電保護(hù)設(shè)備造成影響。按照《浙江電網(wǎng) 20 kV系統(tǒng)繼電保護(hù)配置及整定運(yùn)行規(guī)范》和江蘇省電力公司《20 kV配電系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定小電阻接地方式運(yùn)行時(shí)，兩段母線不能并列運(yùn)行。

3 消弧線圈接地的故障仿真

系統(tǒng)采用消弧線圈接地方式運(yùn)行，消弧線圈電感值為0.65 H，接地變壓器容量選擇為1 200 kVA，其他參數(shù)按表2設(shè)置。在電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，消弧線圈應(yīng)能夠補(bǔ)償電網(wǎng)中電容電流，將故障殘流控制在10 A以內(nèi)。

3.1 兩端母線分列運(yùn)行仿真分析

兩段母線分列運(yùn)行各自接地變壓器均投入，對(duì)饋線末端發(fā)生單相接地故障進(jìn)行仿真。故障時(shí)主變低壓側(cè)的電壓如圖6所示，消弧線圈接地方式下，電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障將導(dǎo)致故障相電壓降低至0.1 kV，非故障相電壓峰峰值將到達(dá)26 kV。

圖6 三相電壓波形圖

中性點(diǎn)電流和電壓如圖7所示。故障將導(dǎo)致中性點(diǎn)電壓升高至12.1 kV，而流過中性點(diǎn)的故障電流僅為2.6 A。

圖7 中性點(diǎn)電壓電流波形圖

以上仿真結(jié)果說明，由于消弧線圈的補(bǔ)償作用導(dǎo)致故障殘流大幅降低，但同時(shí)也將會(huì)對(duì)饋線保護(hù)可靠動(dòng)作造成影響。無(wú)法切除故障導(dǎo)致的非故障相過電壓，從而將對(duì)原部分10 kV升壓改造設(shè)備造成絕緣安全隱患。

3.2 對(duì)相關(guān)設(shè)備的影響

現(xiàn)變電站中使用的集合式并聯(lián)電容器絕緣耐壓水平為42/75 kV，ABB三工位開關(guān)額定短時(shí)耐受電流為25 kA，ABB氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備額定短時(shí)工頻耐壓為65 kV，耐流為25 kA，LMZ6-0.5/250型電流互感器短時(shí)耐受熱電流為25/4 kA/s，耐受動(dòng)穩(wěn)定電流為63 kA，均能滿足消弧線圈接地方式運(yùn)行下的耐壓耐流要求。但是針對(duì)部分仍在使用的10 kV電纜，由于其是按照10 kV電壓等級(jí)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，存在絕緣薄弱環(huán)節(jié)被擊穿，發(fā)展成為相間短路使事故擴(kuò)大的隱患。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，中性點(diǎn)故障殘流為2.6 A，現(xiàn)階段使用的1 200 kVA容量的接地變壓器能夠滿足電容電流補(bǔ)償要求。

對(duì)于小電阻接地方式中對(duì)接地類型故障配置的主保護(hù)(零序電流保護(hù))，在消弧線圈接地方式中由于故障殘流小，將使原有的保護(hù)失效，需重新配置小電流接地系統(tǒng)選線保護(hù)裝置。

4 兩接地方式短時(shí)切換仿真

針對(duì)上述仿真分析，對(duì)于現(xiàn)階段的20 kV配電網(wǎng)，采用小電阻接地方式，發(fā)生故障即保護(hù)動(dòng)作造成線路短時(shí)停電，供電可靠性低；但采用消弧線圈接地方式，由于現(xiàn)有技術(shù)暫無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確快速的故障選線與定位，若長(zhǎng)時(shí)間帶故障運(yùn)行，部分原10 kV升壓改造設(shè)備無(wú)法滿足絕緣要求。本節(jié)對(duì)采用兩種接地方式短時(shí)切換的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，即電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，采用消弧線圈接地方式，若發(fā)生瞬時(shí)性接地故障，系統(tǒng)可通過消弧線圈補(bǔ)償故障電流接地電弧自行熄滅，保證電網(wǎng)連續(xù)可靠供電；若發(fā)生永久性接地故障，可通過切換至小電阻接地方式，保證保護(hù)動(dòng)作隔離故障線路。

在PSCAD軟件中將模型20 kV側(cè)母線連上接地變壓器，變壓器中采用消弧線圈并聯(lián)電阻的接地方式，即在發(fā)生接地故障后的一段時(shí)間內(nèi)，短時(shí)投入并聯(lián)電阻。消弧線圈和并聯(lián)電阻的參數(shù)采用諧振接地的消弧線圈電感值和小電阻接地中電阻值。軟件仿真系統(tǒng)在0.2 s時(shí)發(fā)生永久性故障，0.3時(shí)投入并聯(lián)的電阻，0.4 s時(shí)斷開該電阻。電網(wǎng)流經(jīng)中性點(diǎn)故障電流見圖8。在系統(tǒng)為消弧線圈接地期間流過中性點(diǎn)的故障電流約為2.5 A，在0.2～0.3 s短時(shí)切換為小電阻接地時(shí)流過中性點(diǎn)的故障電流峰峰值將達(dá)到510 A。

圖8 中性點(diǎn)電流波形圖

以上仿真結(jié)果說明，在電網(wǎng)發(fā)生永久性接地故障時(shí)，切換接地方式為小電阻接地，可使故障電流達(dá)到較大值從而保證繼電保護(hù)裝置可靠動(dòng)作切除故障。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)20 kV配電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈、經(jīng)小電阻以及兩者短時(shí)切換接地進(jìn)行單相接地故障仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果表明，故障將導(dǎo)致非故障相電壓大幅上升。小電阻接地方式下兩端母線分列運(yùn)行，故障電流約為500 A，故障殘流大，保護(hù)裝置能夠可靠動(dòng)作隔離故障。但存在一有故障即跳閘，無(wú)法區(qū)分瞬時(shí)性故障與永久性故障，對(duì)于架構(gòu)相對(duì)薄弱備用電源不足的新建20 kV配電網(wǎng)無(wú)法保證供電可靠性。消弧線圈接地方式可帶故障運(yùn)行，但故障殘流低，故障線路無(wú)法準(zhǔn)確選擇，存在絕緣擊穿事故擴(kuò)大的隱患。通過兩種接地方式短時(shí)切換的故障仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該方式能夠通過短時(shí)切換電阻接地增大故障電流，解決上述兩種單一接地方式的不足。本文的實(shí)驗(yàn)研究為兩種接地方式短時(shí)切換提供了理論依據(jù)，對(duì)20 kV電壓等級(jí)的城鎮(zhèn)配電網(wǎng)和工業(yè)園區(qū)配電網(wǎng)的中性點(diǎn)接地方式選擇具有借鑒和參考作用。

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Experiment of 20 kV Distribution Network Neutral Grounding Mode Switching Simulation

HANXiao1,ZHAOZhang-lei1,ZHOULing-jiang2,LIUXi3
(1.Jiangsu Collaborative Innovation Center of Smart Distribution Network, Nanjing Institute of Technology，Nanjing 210003, China; 2. Zhejiang Linhai Power Supply Company, Linhai 317000，China; 3. Zhejiang Wenzhou Power Supply Company，Wenzhou 325000，China)

This paper uses PSCAD software to establish the corresponding simulation model based on a regional 20 kV distribution network operating parameters and the region's power grid development plan. This paper highlights electrical data in key nodes when low resistance grounding system and arc suppression coil grounding system occur and lead to single-phase ground fault. This paper also analyzes the impact of related equipment and relay protection, and provide the theoretical basis of short-term switching grounding mode.

distribution network； the neutral point; grounding mode; switching; simulation

2014-06-29

韓 笑(1969-)，男，江蘇揚(yáng)州人，碩士，教授，主要研究方向：電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，配網(wǎng)自動(dòng)化。E-mail：hxslqc@sina.com

TM 711

A

1006-7167(2015)02-0088-04