基于暫態仿真模型的不接地配電系統故障檢測研究

山西昊翔能源集團有限公司 郝建文

不接地配電系統被廣泛應用于電力系統中，是一種可靠性良好、接地故障發生率低的典型配電系統。但不接地配電系統運行條件復雜，仍有可能發生故障，存在檢測難度大、結果不準確等問題，若錯過最佳故障處理時機，易造成嚴重危害。因此，采取科學可行的故障檢測技術具有重要意義，本文提出基于暫態仿真模型的故障檢測方案，進行理論分析和仿真檢驗，旨在提高不接地配電系統故障檢測水平。

1 PSCAD/EMTDC 仿真軟件功能分析

1.1 PSCAD

PSCAD 由機電系統和電磁系統組成，可建立適用性良好的電路模型，測量結果在不同參數時的變化規律均可通過模型直觀呈現。PSCAD 具有開放性和可視化特點，是EMTDC 的圖形用戶界面，人機交互水平高，易于操作；構圖和輸出數據方式便捷；仿真操作難度低、效率高。

1.2 EMTDC

EMTDC 用于求解電力系統及微分方程，是仿真計算的核心，輸入數據和輸出數據便捷高效，數據處理能力強。

PSCAD 和EMTDC 均具有特定功能，兩者相結合構成功能完善的電磁暫態圖形數據處理軟件[1]。模型庫中含有豐富電氣元件可供選擇，方便用戶建立模型，提供數據仿真功能。

2 暫態仿真模型構建

于10kV 配電變壓器高壓側安裝絕緣子內置電容分壓檢測裝置，用C1、C2表示高壓臂、低壓臂的電容，分別為100pF、20nF。

通過PSCAD/EMTDC 軟件對不接地系統進行單相接地故障仿真，仿真總時長為0.2s，檢驗仿真過程中L1、L2、L3架空線路的工作狀態，仿真結果表明L1架空線路在仿真至0.1s 時存在線路故障。

3 不接地系統仿真結果及分析

3.1 短路故障仿真

3.1.1 單相接地故障

以不接地配電系統中的線路L1為驗證對象，過渡電阻考慮1Ω、100Ω、1000Ω 三種情況，分別驗證電容分壓器檢測裝置測定電壓信號的仿真結果，具有故障相電壓隨著過渡電阻減小而減小的變化規律。

從線路電壓波形特征來看，在不接地配電系統發生單相接地故障后，將產生大量暫態高頻信號，考慮不同的過渡電阻值、故障距離，以及故障初相角，設置3個算例，分別進行仿真分析，檢驗本文所提方法的可行性。仿真算例信息見表1。

表1 仿真算例

根據各算例的仿真結果，做如下分析。

算例1。故障距離10km、故障初相角0°，兩項參數固定，對比分析A 相電壓波形在不同過渡電阻（1Ω、100Ω、500Ω、1000Ω）時的變化規律。故障線路L1的A 相的電壓UA1在過渡電阻為1Ω 時快速衰減至零，此時L2、L3的電壓UA2、UA3欠阻尼振蕩衰減至零，電壓暫態高頻分量特征明顯，可以作為判斷不接地配電系統健全線路和故障線路的依據。算例1過渡電阻設為500Ω 和1000Ω時，暫態分量隨著過渡電阻增加而降低，暫態分量頻率與工頻無過大差異，由于兩者缺乏顯著的差異性特征，難以檢測不接地配電系統的故障線路和健全線路。

算例2。過渡電阻1Ω、故障初相角0°，兩項參數固定，對比分析A 相電壓波形在不同故障距離（5km、10km、15km）時的變化規律。UA1快速降低至零，回路電阻隨著故障點與母線距離的增加而加大，線路在該變化過程中由欠阻尼向過阻尼轉變，UA2和UA3周期型振蕩降低至零，電壓暫態高頻分量隨著距離增加而加大，對應振蕩衰減次數減少。仿真結果表明，線路電壓信號特征明顯，可作為線路故障檢測的關鍵依據，表明電容分壓檢測裝置測定的電壓信號在線路故障檢測中具有利用價值。

第三，算例3。過渡電阻1Ω、故障距離10km，兩項參數固定，對比分析A 相電壓波形在不同故障初相角（0°、30°、60°、90°）時的變化規律。仿真結果表明，線路電壓幅值不為零時，UA1、UA2、UA3在故障狀態下的變化具有先后順序，前期UA1開始振蕩衰減，UA2和UA3在經過一個時延后開始振蕩衰減。故障初相角、故障點與母線間距離是影響衰減速度和時延的重要因素[2]。

3.1.2 相間短路故障

單相接地故障是常見的短路故障形式，若處理不善或未及時采取處理措施，均有可能引起相間故障，對配電系統運行狀態造成嚴重影響。數據窗取80ms～140ms，不接地配電系統的L1線路發生故障時的電壓波形如圖1所示。其中，不接地配電系統L1、L2、L3三條線路的電壓分別用U1、U2、U3表示。

圖1 L1相間短路故障

根據圖1（a）可知，非故障相C 相的電壓在AB 兩相相間短路故障時仍維持穩定，中性點電壓無偏移，C 相電壓并未因為A、B 相發生故障而發生變化。A、B 兩相的相位與C 相相反，電壓均為C 相電壓的1/2，A、B 兩相電壓相同。

根據圖1（b）可知，非故障相C 相的相位在AB 兩相短路接地故障時維持不變，電壓幅值增加至故障前的3倍，中性點電壓在A、B 相電壓衰減至零時不再為零。對于不接地配電系統健全線路，C相的電壓與故障線路C 相電壓一致，A、B 相的方向相反，電壓大小一致。

根據圖1（c）可知，故障線路三相電壓在ABC三相相間短路故障時衰減至零，健全線路的三相電壓未受到影響，中性點電壓并未因為故障而出現偏移。

在上述分析中，故障條件考慮的是過渡電阻、故障距離，以及故障初相角，單相接地故障同時Rg＜500Ω 時，電壓信號中的暫態高頻成分具有參考意義，可以據此判斷被測不接地配電系統線路故障；故障線路和健全線路的相電壓在相間短路故障時有較大差異，此條件下的線路故障檢測可根據穩態電壓波形特征進行[3]。

3.2 單相斷線故障仿真

以L1線路單相斷線故障為例，數據窗取80～140ms，L1、L2、L3線路的電壓分別用U1、U2、U3表示，故障狀態下的電壓波形如圖2所示。電容分壓檢測裝置測定的是鄰近負荷側的電壓信號，此檢測結果主要與裝置安裝于配電變壓器高壓側有關。對比分析故障線路的三相電壓，相比兩個非故障相的電壓合成分量，故障相為該值的1/2，同時具有A 相相位超前C 相，B 相相位超前A 相的規律。

圖2 單相斷線故障

根據圖2（a）可知，故障線路的B、C 非故障相電壓在A 相短線不接地故障時未發生變化，健全線路的A、B、C 三相電壓保持穩定，未受到故障線路的影響。

根據圖2（b）可知，健全線路A 相電壓在接地電阻極小的A 相斷線且母側接地故障時衰減至零，B、C 相的電壓增加至正常狀態時的倍，表現為電壓值發生變化但相位維持原狀的規律。

根據圖2（c）可知，故障線路A 相的電壓在接地電阻極小的A 相斷線且負荷側接地故障時衰減至零，健全線路A 相的電壓增加。綜合故障線路和健全線路的B、C 相，發現各自的相位均未發生變化，電壓幅值呈降低的變化規律。

3.3 仿真結論

根據多種故障仿真分析結果，做如下總結。

第一，低阻接地故障，健全線路的電壓欠阻尼衰減至低值后不再發生變化，故障線路的故障相電壓衰減至零，暫態高頻分量特征因線路是否發生故障而存在顯著區別；無論線路是否發生故障，暫態分量頻率均隨著過渡電阻增加而接近工頻，幅值持續減小。

第二，接地故障，中性點電壓偏移，從而影響健全線路三相的電壓；相間短路故障，故障相的電壓保持一致；單相斷線故障，由非故障相的電壓合成故障相的電壓，兩類線路的三相電壓差異大。

第三，電容分壓檢測裝置在不接地配電系統故障檢測中發揮出重要作用，同時波形特征具有參考價值，能夠檢測的不接地配電系統故障包含低阻接地、相間短路、單相斷線等，故障檢測面廣，檢測效率高，檢測結果可作為故障處理的依據。

綜上所述，本文提出絕緣子內置電容分壓裝置的檢測方案，將其安裝于10KV 配電變壓器高壓側，作為故障檢測裝置進行使用，仿真分析結果表明，故障檢測結果準確，檢測效率高，能夠給故障處置提供依據。研究認為，采用電容分壓器的故障檢測技術在不接地配電系統故障檢測中具有應用價值，值得深入研究和推廣。