新能源電站小電流接地系統(tǒng)故障分析與仿真

竇 晴，田 斐

（南陽理工學(xué)院 智能制造學(xué)院，河南 南陽 473004）

0 引 言

我國新能源電站的建立有利于產(chǎn)生更多的電能。但如何保證安全可靠地供電，是一直以來人們都需要考慮的問題。研究新能源電站的小電流接地系統(tǒng)的系統(tǒng)故障，能降低故障發(fā)生時帶來的危害，對我國新能源電站小電流接地系統(tǒng)的發(fā)展來說具有一定的意義。

為了有效減少因系統(tǒng)產(chǎn)生的電弧對電網(wǎng)造成的危害，確保系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地故障時保護(hù)裝置能夠及時動作，可以在新能源電站的小電流接地系統(tǒng)中采用接地變壓器經(jīng)小電阻接地的方式，并且配備零序電流。文中運用MATLAB仿真軟件對這種接地方式在發(fā)生單相接地故障時的現(xiàn)象進(jìn)行仿真分析，通過觀察故障發(fā)生前后以及故障發(fā)生一段時間內(nèi)波形圖的變化，總結(jié)規(guī)律，從而得出結(jié)論。

1 經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)與經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)

1.1 經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)

在中性點未設(shè)置消弧線圈發(fā)生系統(tǒng)接地故障時，由于導(dǎo)線與地之間有電容的連接，導(dǎo)致接地相電流為容性電流。電流隨著電網(wǎng)的延伸而不斷變大，完全有可能引起接地點的電弧不易熄滅從而導(dǎo)致弧光過電壓，以至于對電網(wǎng)造成危害，發(fā)生重大的系統(tǒng)事故，影響電網(wǎng)安全運行。在中性點與地之間設(shè)置消弧線圈后，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，由于中性點經(jīng)消弧線圈接地將構(gòu)成另一個回路，從而可以減小接地點的短路電流，使得產(chǎn)生的電弧易于自行熄滅，提高了系統(tǒng)供電的可靠性。但隨著輸電線路的不斷增多，經(jīng)消弧線圈接地的方式所出現(xiàn)的不足之處也在不斷的被放大，具體情況如下。

隨著用電需求的增多、輸電線路的增長以及城市電纜線路使用的增多導(dǎo)致電容電流不斷地增大，非故障相電壓不斷地升高。如果此時的消弧線圈容量不夠大就不能夠滿足接地需求，這就使得所需要的消弧線圈容量不斷增大，但會需要更多的花費，不滿足電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的要求[1]。同時，電壓的升高會引起過電壓從而影響電氣設(shè)備的絕緣，甚至?xí)谠O(shè)備絕緣薄弱處造成擊穿，嚴(yán)重的情況下單相故障會發(fā)展成為相間故障更難保障供電的可靠性。

發(fā)生單相接地故障時，消弧線圈中的感性電流盡管能夠在一定程度上補(bǔ)償容性電流，使對地電流得以減小，但該系統(tǒng)不利于發(fā)現(xiàn)哪一相是故障相，保護(hù)裝置動作情況復(fù)雜，不利于保護(hù)裝置及時發(fā)現(xiàn)故障并動作。若工作人員采用手動進(jìn)行故障的切除，將會影響電網(wǎng)供電的連續(xù)性[2]。

電力系統(tǒng)發(fā)生接地故障時電流中出現(xiàn)零序分量。零序電流流經(jīng)故障元件與非故障元件時的方向一致，都是由母線流向元件，因此無法利用零序電流與零序方向區(qū)分故障元件與非故障元件，故該系統(tǒng)不能應(yīng)用零序電流保護(hù)和零序功率方向保護(hù)。

1.2 經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)

將小電阻接到接地變壓器的中性點，從而形成的經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)替代經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，不僅有利于抑制系統(tǒng)發(fā)生過電壓和絕緣現(xiàn)象，而且也易于發(fā)現(xiàn)故障點。應(yīng)用零序電流有利于繼電保護(hù)裝置的動作。

當(dāng)單相接地故障發(fā)生在小電流接地系統(tǒng)時，因為對地電容電流的增大，電弧假如不能可靠的熄滅，就會由于電弧間歇性的熄滅與重燃，造成弧光過電壓，使得電氣設(shè)備的絕緣性能受到破壞導(dǎo)致電氣設(shè)備無法正常運轉(zhuǎn)，也可能會引起相間短路和鐵磁諧振過電壓[3]。接地變壓器的出現(xiàn)就是為了減少這些狀況的出現(xiàn)，并可以提供足夠的零序電流和零序電壓。

接地變壓器采用Z型接線方式（或稱曲折型接線方式），可以細(xì)為ZNyn11接線方式和ZNyn1接線方式。與其他變壓器相比較，Z型接線的好處是零序磁通能夠流經(jīng)磁柱，接地變壓器的一次側(cè)鐵芯柱上的每一相線圈均分為兩個匝數(shù)相等的線圈反向連接在一起，而一般的變壓器的零序磁通為漏磁通。電磁特性是接地變壓器的一種特性，繞阻在經(jīng)過正序、負(fù)序電流時為高阻抗，在經(jīng)過零序電流時為低阻抗。接地變壓器在系統(tǒng)正常運行的情況下相當(dāng)于空載，不起作用，但當(dāng)發(fā)生系統(tǒng)接地故障時，只是在很短的時間內(nèi)起作用，通常認(rèn)為是故障發(fā)生到保護(hù)裝置動作這一時間段，接地變壓器流經(jīng)零序電流，短時間內(nèi)過載。

電阻是高耗能元件，電阻的阻尼作用可以有效地抑制諧振過電壓（鐵磁、高頻、分頻諧振等）和弧光過電壓，而且當(dāng)電弧被熄滅時，所殘留的零序電荷的能量能夠經(jīng)電阻釋放到大地，就算電弧再次燃燒，也不會產(chǎn)生更大的電壓[4]。過電壓的抑制使電氣設(shè)備的絕緣性不被嚴(yán)重破壞，不至于將單相接地故障變?yōu)橄嚅g短路。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，經(jīng)接地變壓器經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)能夠配備零序電流保護(hù)，保護(hù)裝置可快速動作，提高電網(wǎng)供電的可靠性。

2 結(jié)果分析

Simulink是基于MATLAB的圖形化仿真設(shè)計環(huán)境，擁有大量的模塊庫，可以從中選擇仿真模型圖所需要的模塊。本文分別將單相接地故障設(shè)置在母線與30 Ω線路阻抗處，對照分析仿真結(jié)果。

2.1 小電流接地系統(tǒng)故障仿真

電力系統(tǒng)分析計算時，選擇fN=50 Hz，SN=100 MVA，UN=35 kV。三相電源的線電壓有效值設(shè)為36.75 kV，接地變壓器的零序阻抗設(shè)為0 Ω，接地電阻Rg設(shè)為100 Ω。以A相發(fā)生故障為例，故障發(fā)生的時間設(shè)置為0.05～0.15 s，仿真模型如圖1所示[5]。

圖1 仿真模型圖

單相接地發(fā)生在母線處的仿真波形如圖2所示。從仿真波形圖中能夠發(fā)現(xiàn)，在0.05～0.15 s發(fā)生A相接地故障時，其中圖2（a）、圖2（b）兩幅仿真波形圖可以看出故障前后波形是相同的，在發(fā)生故障的一段時間內(nèi)波形與故障前后的波形發(fā)生了變化。

對圖2中3幅波形圖進(jìn)行分析，具體如下。

圖2 仿真波形圖

圖（a）為母線處三相電流波形圖，從圖中能夠得出故障前A、B、C三相電流大小為IA=IB=IC=0 A，在0.05 s發(fā)生單相接地故障時三相中故障相A相出現(xiàn)短路電流，大小為IA=300 ，直至0.15 s故障消失，A相電流恢復(fù)到IA=0 A，非故障相B、C相中沒有短路電流的出現(xiàn)，電流大小一直為IB=IC=0 A。圖（b）為三相電壓波形圖，從圖中能夠得出故障前后三相電壓成正弦波變化，在0.05～0.15 s發(fā)生單相接地故障的一段時間內(nèi)故障相A相電壓降低為UA=0 V，非故障相B、C相電壓升高為原先的倍，即升高為線電壓。圖（c）為母線線電壓波形圖，從圖中可以看出在故障前后線電壓不變，線電壓保持對稱。

2.2 單相接地故障點在線路阻抗處

當(dāng)單相接地故障點發(fā)生在線路阻抗為30 Ω處時，仍以A相故障為例，仿真波形如圖3所示。

圖3中單相接地故障發(fā)生的時間仍然是0.05～0.15 s，故障相也仍是A相。其中，圖3（a）和圖3（b）兩幅仿真波形圖故障前后波形變化仍是相同的，仍只是在故障發(fā)生的一段時間內(nèi)波形與故障前后的波形發(fā)生了變化，圖3（c）中的仿真波形無論是故障發(fā)生還是不發(fā)生波形都沒有變化，母線線電壓仍是對稱的。

圖3 仿真波形圖

比較圖2與圖3的3幅仿真波形圖可以發(fā)現(xiàn)，圖3（a）圖中的故障相A相的短路電流值小于圖2（a）圖中的故障相A相的短路電流值，圖3（b）圖中的故障相A相的電壓值仍是有所降低，但不再為UA=0 V，而是大于圖2（b）圖中的故障相A相的電壓值，圖3（c）與圖2（c）是相同的。

通過波形圖的比較可以得出如下結(jié)論。在新能源電站中，采用經(jīng)小電阻接地方式的小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，故障點離母線處越近，故障相的短路電流越大，在母線處達(dá)到最大，故障相的電壓越小，在母線處時達(dá)到最小，其值為0 V。

3 結(jié) 論

依據(jù)觀察波形可以知道，在經(jīng)小電阻接地的小電流接地系統(tǒng)中，根據(jù)電流大小和電壓大小的不同，就可以發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生在哪里，以及是哪一相發(fā)生的故障，因而繼電保護(hù)裝置能夠快速確認(rèn)故障的位置，以至于快速切除系統(tǒng)的故障。

接地變壓器經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時會產(chǎn)生零序電流。可利用零序電流保護(hù)作為系統(tǒng)線路的主保護(hù)及后備保護(hù)，及時切除故障，不至于使故障持續(xù)的時間過久。