小接地電流系統(tǒng)單相接地故障的仿真和研究

侯云海++李小飛++張立金

摘 要：小接地電流系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)電壓、電流零序電壓和零序電流等電氣量尤其變化的特殊性，一直都是研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。以MATLAB軟件為平臺(tái)，為小接地電流系統(tǒng)單相故障進(jìn)行建模，并利用零序電流的幅值、相位判別出故障線(xiàn)路和故障相，對(duì)分析電力系統(tǒng)故障特性以及保護(hù)方案的選擇都有著重要的作用。

關(guān)鍵詞：小接地電流系統(tǒng) 單相接地故障 MATLAB軟件 零序電流

中圖分類(lèi)號(hào)：TM727 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）12（b）-0094-02

1 小接地電流系統(tǒng)仿真模型

1.1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的仿真及理論分析

利用MATLAB/Simulink建立一個(gè)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的仿真模型，如圖1所示，電源采用模塊“Three-phase source”， 三相電源電壓37kV，頻率50Hz，內(nèi)部Y型鏈接。輸電線(xiàn)路L1～L4，均采用“PI Section Line”模型，線(xiàn)路的長(zhǎng)度分別為1km、200km、120km、165km，線(xiàn)路其他參數(shù)：

正序電阻，

正序感抗，

正序容抗，

負(fù)序電阻，

負(fù)序感抗，

負(fù)序容抗。

負(fù)荷Load1、Load2、Load3、Load4均采用“Three-phase Series RLC Load"模塊，有功負(fù)荷分別為3MW、0.5MW、6MW，2MW負(fù)荷其他參數(shù)：線(xiàn)電壓37kV，頻率50Hz。

選擇在第1條線(xiàn)路出線(xiàn)的1km（即L1與L2之間）處發(fā)生C相接地（接地電阻忽略不計(jì)）。

根據(jù)以上設(shè)置的參數(shù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，系統(tǒng)在第1條線(xiàn)路出線(xiàn)的1km處（L1與L2之間）發(fā)生C相金屬性接地時(shí)各線(xiàn)路始端的零序電流有效值為：

同理可得

，

接地點(diǎn)的電流為

1.2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)的仿真與理論分析

在圖1的基礎(chǔ)上，在電源的中性點(diǎn)上接入一個(gè)電感線(xiàn)圈，其他參數(shù)不變。（如圖2）

要使接地點(diǎn)的電流近似為0（即完全補(bǔ)償），應(yīng)滿(mǎn)足

式中，L為消弧線(xiàn)圈的電感；為系統(tǒng)三相對(duì)地電容。

可求得

要實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償應(yīng)有

完全補(bǔ)償和欠補(bǔ)償都可能出現(xiàn)串聯(lián)諧振過(guò)電壓的問(wèn)題，實(shí)際工程應(yīng)用中常采用過(guò)補(bǔ)償方式并且過(guò)補(bǔ)償度一般為10%，則消弧線(xiàn)圈的電感應(yīng)為

2 仿真結(jié)果分析

仿真時(shí)間設(shè)置為0.5s，選擇0de15s算法，利用Powergui模塊設(shè)置采樣時(shí)間為，系統(tǒng)在0.1s時(shí)發(fā)生C相接地（接地電阻不計(jì)）。

2.1 不接地系統(tǒng)的仿真結(jié)果及理論分析

系統(tǒng)在0.1s時(shí)發(fā)生C相接地，C相電壓為零，AC、BC相間電壓升高倍，仍然保持對(duì)稱(chēng)，所以對(duì)負(fù)荷并沒(méi)有影響。各電氣量的變化情況如圖3所示

由圖3可知，各線(xiàn)路始端零序電流以及故障點(diǎn)接地電流的有效值為

，

，

，

與理論計(jì)算值大致相等。

從圖3可以看出，在中性點(diǎn)不接地方式下，非故障線(xiàn)路上的零序電壓滯后零序電流90°；故障線(xiàn)路上的零序電流等于全系統(tǒng)非故障元件對(duì)地電容電流之總和，且滯后零序電壓90°；由此可以得出故障線(xiàn)路和非故障線(xiàn)路上的零序電流方向相反，與理論分析相一致，如圖4所示。

2.2 經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)的仿真結(jié)果及理論分析

從圖可知，當(dāng)單相接地故障的暫態(tài)過(guò)程結(jié)束后，故障點(diǎn)的接地電流的有效值在9.3A左右，遠(yuǎn)小于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的接地電流，因此補(bǔ)償效果十分明顯。

由圖6可知，非故障線(xiàn)路上的零序電流仍是其電容電流，方向由母線(xiàn)流向線(xiàn)路，滯后于零序電壓90°，這與中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)是相同的。（如圖5）

但是在這種情況下故障線(xiàn)路上的零序電流遠(yuǎn)大于其電容電流，方向也由母線(xiàn)流向線(xiàn)路。因此，無(wú)法根據(jù)零序電流方向的不同來(lái)判斷故障線(xiàn)路。

3 保護(hù)措施

3.1 零序電壓保護(hù)

在小接地電流系統(tǒng)中出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，同一電壓等級(jí)母線(xiàn)上將出現(xiàn)很大的零序電壓，根據(jù)此特點(diǎn)，一般在母線(xiàn)上裝設(shè)單相接地的監(jiān)視裝置，其原理接線(xiàn)如圖7所示。

3.2 零序電流保護(hù)

當(dāng)某一條線(xiàn)路上發(fā)生故障時(shí)，非故障線(xiàn)路和故障線(xiàn)路上的零序電流相差很大，而非故障線(xiàn)路上的零序電流僅為其電容電流，遠(yuǎn)小于故障線(xiàn)路上的零序電流，零序電流保護(hù)正是基于此差異來(lái)保證動(dòng)作的選擇性，保護(hù)裝置的動(dòng)作整定值為：

其中每相線(xiàn)路對(duì)地電容。

3.3 零序功率方向保護(hù)

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中故障線(xiàn)路與非故障線(xiàn)路零序電流的方向相反，零序功率的流向也相反，而零序功率方向保護(hù)就是基于此特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)線(xiàn)路的選擇性保護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

由以上可知，利用MATLAB軟件對(duì)中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)的單相接地故障進(jìn)行建模和仿真，能夠快速而準(zhǔn)確地反映出故障線(xiàn)路和非故障線(xiàn)路上電壓、電流、零序電壓和零序電流的變化情況，并根據(jù)它們之間的差異提出相應(yīng)的保護(hù)方案。

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