含分布式電源的小電阻接地系統故障定位方法

牛艷利，孫伯龍，邢 悅，楊明華，李 靜

(北京市電力公司，北京 100031)

0 引言

現階段，分布式電源在配電網中的滲透率逐漸升高，在利用可再生能源發電的同時，也給配電網帶來了很多新的問題，其中分布式電源對配電網故障特征的影響便是近年來的研究熱點。

配電系統中，中性點接地方式主要有中性點不接地、中性點小電阻接地以及消弧線圈接地。目前，針對大部分城市以及含有較多電纜線路的系統，通常采用小電阻接地方式。當該系統發生單相接地故障時，故障電流可以通過零序阻抗以及零序電流進行分析[1-6]。

為此，根據小電阻接地系統的網絡分析，結合零序等值網絡，針對含有分布式電源的配電網建立了故障分析模型，對不同接線形式的變壓器進行了零序網絡分析，最后根據實際系統驗證了本文系統的有效性。

1 小電阻接地系統建模

在小電阻接地系統中發生單相接地故障時，系統的零序等值網絡如圖1所示，其中每條饋線均配置相應的保護裝置。

圖1 小電阻接地系統示意

對于一般的配電線路，線路長度不宜過長，并且每條線路的零序阻抗較低，故障點的零序電壓約等于母線上的零序電壓。小電阻接地系統等值網絡如圖2所示，圖2中每條線路的零序阻抗表示為Z0k。在該圖中，故障點電壓Uf=-UA。

圖2 小電阻接地系統等值網絡

線路Lk的零序阻抗表達式為

(1)

w為系統角頻率。對于lk長度的饋線，有

R0k=lkR0,L0k=lkL0

(2)

由于饋線的電感小于電容，則式(1)可簡化為

(3)

各饋線并聯形成總的網絡零序阻抗Z0，表達式為

Z0=3RN∥Z01∥Z02∥…∥Z0n

(4)

根據電路原理，零序電壓為

(5)

對于故障時的健全線路，零序電流為

(6)

對于故障線路Lk，零序電流表達式為

(7)

根據式(6)和式(7)，零序電流在健全線路和故障線路均受到過渡電阻Rf的影響，并且呈負相關關系。當單相接地故障發生時，高電阻接地與低電阻接地不同的是，高電阻接地系統的零序電流衰減較大，可能會導致繼電保護裝置拒動。

實際的小電阻接地系統中，一般使用零序電流互感器進行保護。另外，由于三相的不對稱性，可能會導致故障電流量測較為困難。

2 含分布式電源的小電阻接地系統故障分析

2.1 零序導納法

含分布式電源的小電阻接地配電網如圖3所示。

圖3 含分布式電源小電阻接地系統示意

由前述分析，故障點k的零序導納計算式為

(8)

Gk為量測電導；Bk為量測點電納；為方便分析，本文選擇極坐標形式，Yk為導納幅值；θk為量測點相角。

對于健全線路，需要計算電導和電納；而對于故障線路，故障電流為接地的容性電流，對于小電阻接地系統，接地電流一般可以使得繼電保護裝置立即動作切除故障。對于健全線路的導納，其等于量測點到線路末端的量測值。

對于故障點上游線路，并聯導納可以忽略，在零序等值網絡中僅反映線路阻抗。對于上游的量測點，量測電流等于故障回路電流與接地容性電流之和的相反數，計算式為

(GYk+jBZTk)-(GLk+jBLk)

(9)

該計算式包括健全線路、接地電阻和故障線路3部分。

在等值零序網絡中，接地電阻值為3倍零序阻抗，中性點電阻越大，相角越趨近于負實軸，零序等值網絡坐標示意圖如圖4所示。

圖4 坐標示意圖

對于零序網絡，有下式成立:

(GLk+jBLk)|

(10)

可以看出，上游線路的量測幅值遠遠大于健全線路的。

考慮到現階段主要的配網以電纜方向發展，架空線路帶來的故障導納本文不予考慮，因此本文討論的重點在電纜線路。

2.2 分布式電源變壓器形式

與電網連接的分布式電源一般需要變壓器作為電壓變換手段，該變壓器的接線形式有多種選擇，主要的接線形式如圖5、圖6和圖7所示[7]。

圖5 Y-Δ接線變壓器示意

圖6 YN-Δ接線變壓器示意

圖7 YR-Δ接線變壓器示意

對于Y-Δ接線，這種接線形式沒有零序通路，因此，故障點下游的量測零序導納等同于健全線路的零序導納，分布式電源對于故障點不貢獻零序電流。

對于YN-Δ接線，零序等值網絡僅包括線路和變壓器阻抗。其量測導納等于線路和變壓器阻抗之和的倒數。

對于Y側中性點含有接地電阻的YR-Δ接線，由于阻性分量變大，因此，量測導納也在第四象限。

2.3 故障定位方法

本文所提單相接地故障定位方法如下：

a.單相接地故障發生時，相量量測單元(PMU)量測并計算零序電流以及零序電壓，利用前文所述公式得到零序導納。

b.PMU將該零序導納值通過同步時鐘傳輸至故障定位系統。

c.故障定位系統比較故障線路各處的量測導納值，確定故障點以及故障點上游范圍。

d.如果所有量測點均在故障點上游，則故障點在最后一個量測點的下游。

本文提出的故障定位方法流程如圖8所示。

圖8 故障定位流程

3 算例分析

3.1 系統說明

圖9 仿真網絡

假設饋線負荷為2 MW，功率因數為0.9滯后。故障線路連接有分布式電源機組，功率為660 kW。饋線均配置PMU，采樣頻率為每周期128。不考慮短路故障時的過渡電阻。

3.2 結果分析

3.2.1 不含DG的故障

對于不含有分布式電源的網絡發生單相接地故障，PMU的配置情況如圖9所示。考慮接地電阻分別為5 Ω、10 Ω和15 Ω的情況，由于不含分布式電源，PMU4和PMU5的量測值相同，結果如表1所示。

表1 不含分布式電源的求解結果

從表1可以看出，中性點接地電阻阻值不同，不影響區分非故障線路和故障下游線路。但是會影響故障上游線路。中性點接地電阻越大，量測相角越接近180°。

3.2.2 含DG的故障

考慮接入分布式電源，單相接地故障發生位置如圖9所示的f1。考慮接地電阻固定為10 Ω，求解結果如表2所示。

表2 含分布式電源的求解結果

由表1可知，對于各種形式的變壓器接線形式，故障點上游的量測零序導納均在設定值范圍內。而對于故障點下游的量測值，變壓器中性點含有接地電阻的情況會導致導納角更接近正實軸。

4 結束語

本文利用零序導納法對含有分布式電源的低電阻接地系統故障進行了分析，通過仿真實驗得到了以下結論：

a.在不考慮過渡電阻的情況下，不含DG的網絡接地電阻的大小對故障點下游量測值影響不大，對于量測的故障點上游相角影響較大。

b.在含有分布式電源時，不同的變壓器接線形式會對零序導納產生一定影響，同時，零序導納法可以有效確定故障點范圍。

綜合本文分析，分布式電源接入系統時需要對繼電保護整定和配置進行相應調整，但無需做出較大改變，同時需要結合接地變壓器的接線形式進行具體分析。