含分布式電源的配電網單相接地故障分析

黑帥　盧廣旗　宋曉龍

【摘要】：隨著分布式發電技術的成熟，DG在正常運行下以及在配電網故障狀態下的控制策略，會對配電網的暫態過程和穩態過程造成影響。另一方面，DG接入后，對故障電流的大小和方向也會造成影響，DG對配電網故障電流的貢獻以及在故障條件下DG的響應特性也會隨之變化。分析含DG配電網故障狀態下故障電流的變化情況，有助于研究能夠適應含DG配電網故障定位方法。

【關鍵詞】：分布式電源；配電網；故障電流

1 故障分析模型

如圖1為含DG經消弧線圈接地方式配電網系統接線圖。逆變型DG經公共連接點（簡稱PCC）與主電網相連接，其PCC距離母線的長度為M，故障點F位于10kV母線與PCC之間。配電網主電源側中性點接地方式選擇經消弧線圈接地，為了保證配電網運行的安全性，國內電網選擇消弧線圈時將其運行在過補償情形下；對于DG接入配電網的中性點接地方式，國家電網公司《反措》以及石魏等人在文獻[1]《分布式電源接地方式的探討》均指出，DG并網時與電網接地方式不一致時，其接入點與DG之間需要接入隔離變壓器，以保證電網正常運行和DG側設備安全可靠的運行。本節討論DG接入配電網對故障電流的影響時，DG中性點采用不接地方式。

圖1 含DG經消弧線圈接地方式配電網系統圖

在分析不對稱故障特征時，目前國內外研究學者主要采用戴維寧定理或對稱分量法兩種分析方法。本文采用對稱分量法進行故障特征分析時，根據單相接地故障的邊界條件，建立含DG配電網單相接地故障的復合序網，根據電路串并聯等效相關知識，求解各個節點電壓和各條支路電流。本節采用DG為逆變型，配電網發生故障時，根據文獻[2]中DG可以等效為恒壓源串阻抗的電源模型。復合序網僅接地點有附加電壓源作用，輸出電壓幅值為接地點故障前電壓，系統正、負、零序阻抗分別為故障點上游和下游正、負、零序阻抗的并聯[3]。以故障點F點發生單相接地故障為例，其接地電阻為Rf；根據對稱分量法可得到復合序網等效電路圖如圖2所示。

圖2 故障點F故障復合序網

圖中：ZS（1）和ZS（2）分別為主電源與變壓器的正序、負序阻抗之和，ZS（1）=ZS（2）；ZS（0）為主電源接地變壓器零序阻抗；ZT為DG側并網變壓器阻抗；ZL1（1）和ZL1（2）分別為故障點到主網電源的線路正序、負序阻抗，ZL1（1）=ZL1（2；ZL2（1）和ZL2（2）分別為故障點到DG接入點的線路正序、負序阻抗；ZL1（0）和ZL2（0）分別為故障點到主電源、DG接入點的線路正序、負序阻抗；ZDG（1）和ZDG（2）分別是DG的正序、負序阻抗； 、 、 、 、 、 分別是為主網側和DG側的正序、負序、零序故障電流； 為故障點正（負或零）序電流，等于故障點電流 的1/3；箭頭表示了各電流的參考方向； 為故障點附加電壓源； 主電網側消弧線圈的阻抗值；Rf為過渡電阻。

2 故障點電流的分析

DG接入配電網后會影響系統的正序、負序、零序阻抗的大小、進而影響故障時故障電流的大小。對于故障點F1來說，設故障點F1距離母線出口處x，單位長度的線路正、負序阻抗均為 、零序阻抗為 ?？傻玫街麟娫磦群虳G側的正序、負序、零序阻抗Za（1）、Za（2）、Za（0）、Za（1）、Za（2）、Za（0）分別為：

則DG并網狀態下的故障點F1的故障電流 為：

根據分布式電源典型設計手冊可知，分布式電源并網容量與主電源容量相比小的多，因此并網變壓器和DG自身的阻抗相對較大，在工程上一般選?。?/p>

在短路計算中一般默認為正序阻抗和負序阻抗是相等的，根據以上的條件，則式2-2可化簡為：

當DG接地方式為不接地時，此時的 將會變為無窮大，則故障點的電流為：

由式（5）可知，此時的故障點電流約等于不含DG配電網時F點的故障電流，隨著故障點逐漸遠離母線，其正、負、零序阻抗均增大，故障點的電流呈現減小的趨勢；隨著過渡電阻的增大，故障點的電流呈現減小的趨勢。

3 線路各序電流分析

故障點電流 的正序、負序、零序分量分別為 、 、 ，在計算中一般將三者約等于故障點電流的三分之一，即

但是實際計算中， 、 、 的大小是取決于主網側與DG側的正序、負序、零序阻抗之比。下面以F1故障點為例進行分析說明。

當F1點發生單相接地短路時，其主網側線路正、負序電流 、 、 與DG側線路正、負序電流 、 、 分別為：

式中：K1、K2、K0分別為主網側正序、負序、零序電流占故障點正序、負序、零序電流的比例，一般情況下K1、K2均接近于1，即絕大多數故障點正序、負序電流在主網側線路中流通，但K0一般情況下不等于1，故障點零序電流的大小是與系統電源中性點接地方式有關系的。DG側采用不接地方式時， 無窮大， 、 可以簡化為：

通過式13可知，線路中零序電流與DG未接入時相同，即DG接入配電網運行并不會影響線路零序電流的大小。

4 結論

由于DG采用經隔離變壓器接入配電網運行方式，其中性點不接地，因此當系統發生單相接地故障時，DG側零序阻抗并沒有構成回路，所以DG接入配電網并不影響線路零序電流的大??；正序、負序電流會有變化，其變化趨勢和故障點與接入DG相對位置有關。

【參考文獻】：

[1] 石巍，胡凌波，張彥昌.分布式電源接地方式的探討[J].電力勘測設計，2016（05）：52-54.

[2] 楊杉，同向前，劉健，等.含分布式電源配電網的短路電流計算方法研究[J].電網技術，2015，39（07）：1977-1982.

[3] 郭麗偉，薛永端，張林利，等.含分布式電源的小電阻接地方式配電網單相接地故障分析[J].電力系統自動化，2015，39（20）：116-123.