基于RTDS的大接地电流系统输电线路接地故障分析

霍永红，李洪战，宋志明，王 莉

（山东电力职工技能培训中心，山东 泰安 271000）

0 引言

110 kV及以上系统属于大接地电流系统，当发生接地故障后，电压和电流的变化比较复杂。采取有效的方法进行分析，帮助运行人员做出正确的决策，保证供电的可靠性意义重大。通常采用的方法是利用对称分量法，求出故障后的电压，电流等参数量，再进行定性的分析［1］，但根据多年的培训和教学实际工作经验,发现这种方法需要画出各参数的相量图，复杂且抽象，不利于掌握，这已经成为摆在现场变电运行和继电保护维护人员面前的难题，影响了现场工作人员对保护的动作行为和特性的进一步分析。如何提高培训质量，使复杂的过程浅显化，使抽象的问题形象化，迫切需要一种简单易行、便于理解和掌握的方法。采用加拿大进口的RTDS（Real Time Digital Simulator）设备，搭建了一个220 kV单侧电源供电系统的模型，专门设置各种接地故障，获取波形，形象、直观地分析大接地电流系统发生接地故障时电压和电流等参数的变化特点，便于学员理解和掌握。

1 系统模型介绍

1.1 系统模型组成

等效电源。电压等级为115 kV，等效内阻抗为阻感性1.0+j0.1，频率50 Hz，初始的有功输出是100 MW，无功输出为50 MVAR.，初始相角为0°，中性点直接接地。

配置两台变压器TRF1和 TRF2。TRF1是△/Y-11接线，一次侧电压为115 kV，励磁电流为1.0%，二次电压为230 kV，励磁电流为1.0%，两变压器励磁特性均为线性。

输电线路。采用Bergeron模型，理想换位，电压等级是230 kV，线路长度为100 km。

负载。三相并联电阻，每相为529 Ω，接成星形，中性点直接接地。

1.2 设置故障类型及选取需监测的故障参数

设置单相接地，两相接地和三相接地故障，对于110 kV及以上大接地电流系统，接地故障的主要保护类型为各种类型的差动保护、接地距离保护和零序（方向）电流保护。输电线路发生接地故障后，培训学员需掌握的参数量主要有：输电线路上的三相电流、零序电流、故障点的三相电压和零序电压。因为线路保护的电压量来自母线上的电压，因而还需监测母线上的残余电压和零序电压。故障点的接地电阻为0.1 Ω，故障位置选在输电线路长度为整个线路全长的50%处。

图1 220kV单侧电源供电的系统模型

2 故障参数的波形获取及总结

2.1 A相发生单相接地故障的特征

1）A相发生单相接地故障时的三相电流波形如图2所示。

图2 A相单相接地故障三相电流波形

当输电线路上发生单相接地故障时，故障相的电流急剧增大，非故障相会流过小的负荷电流。

2）A相发生单相接地故障时故障点的零序电流波形如图3所示。

当输电线路上发生单相接地故障时，系统内出现了零序电流。

3）A相发生单相接地故障时故障点的电压波形如图4所示。

图3 A相单相接地故障点零序电流波形

图4 A相单相接地故障点电压波形

当输电线路上发生单相接地故障时，故障点的故障相电压变为零，非故障相电压仍为故障前的相电压，波形基本未发生明显变化。

4）A相发生单相接地故障时故障点的零序电压波形如图5所示。

图5 A相单相接地故障点零序电压波形

当输电线路上发生单相接地故障时，系统内出现了零序电压，故障切除后零序电压逐渐衰减直至很小。

5）A相发生单相接地故障时，母线上的残余电压波形如图6所示。

图6 A相单相接地故障时母线电压波形

当输电线路上发生单相接地故障时，在故障发生时A相电压增大，而C相电压下降，但总体上变化不明显。

6）A相发生单相接地故障时，母线上零序电压波形如图7所示。

图7 A相单相接地故障时母线上零序电压波形

当输电线路上发生单相接地故障时，在故障发生时母线上出现零序电压。

2.2 发生BC相间接地故障时的特征

1）BC相发生接地故障时三相电流波形如图8所示。

图8 BC相接地故障三相电流波形

当输电线路上发生相间接地故障时，发生故障的两相电流急剧增大，并且相位相反，非故障相会流过小的负荷电流。

2）BC相发生接地故障时，故障点的零序电流波形如图9所示。

图9 BC相接地故障点零序电流波形

当输电线路上发生相间接地故障时，系统内出现了幅值较大的零序电流。

3）BC相发生接地故障时故障点的电压波形如图10所示。

图10 BC相接地故障点三相电压波形

当输电线路上发生相间接地故障时，故障的两相电压变为零，非故障相电压仍为故障前的相电压。

4）BC相发生接地故障时故障点的零序电压波形如图11所示。

图11 BC相接地故障点零序电压波形

当输电线路上发生相间接地故障时，系统内出现了零序电压。

5）BC相发生接地故障时，母线上的残余电压波形如图12所示。

图12 BC相接地故障时母线电压波形

当输电线路上发生BC相接地故障时，在故障发生时C相电压增大，而AB相电压下降，但总体上变化不明显。

6）BC相发生接地故障时，母线上零序电压波形如图13所示。

图13 BC相接地故障时母线上零序电压波形

当输电线路上发生BC相接地故障时，在故障发生时母线上出现零序电压。

2.3 发生ABC三相接地故障时的特征

1）ABC相发生接地故障时三相电流波形如图14所示。

图14 ABC相接地故障三相电流波形

当输电线路上发生三相接地故障时，故障相的电流急剧增大。

2）ABC相发生接地故障时故障点的零序电流波形如图15所示。

当输电线路上发生三相接地故障时，系统内出现了零序电流，但是时间非常短，约 0.011 1 s［2］。

3）ABC相发生三相接地故障时故障点的电压波形如图16所示。

图15 ABC相接地故障零序电流波形

图16 ABC相发生接地故障时故障点的电压波形

当输电线路上三相接地故障时，所有故障相电压变为零。

4）ABC相发生接地故障时故障点的零序电压波形如图17所示。

当输电线路上发生三相接地故障时，系统内出现了零序电压，故障切除后零序电压逐渐衰减直至很小。

5）ABC相发生接地故障时，母线上的残余电压波形如图18所示。

当输电线路上发生ABC相接地故障时，在故障发生时B相电压增大，而AC相电压下降，但总体上变化不明显。

6）ABC相发生接地故障时，母线上零序电压波形如图19所示。

图17 ABC相接地故障故障点零序电压波形

图18 ABC相接地故障时母线电压波形

图19 ABC相接地故障时母线上零序电压波形

当输电线路上发生ABC相接地故障时，在故障发生时母线上出现零序电压，存在时间短，约0.011 1 s，后迅速衰减［2］。

3 结语

通过上述从系统模型中获取的波形分析，能够实现形象直观地进行大接地电流系统发生接地故障分析的目的，进而把抽象复杂的推理运算简单化，可以使培训学员轻松地掌握接地故障发生时系统参数的变化：发生接地故障时，故障相的电流急剧增大，故障点故障相电压下降为零，系统中长时间如不对称故障或短时如三相短路故障，出现了很大的零序电流，与此相似，输电线路和母线上长时间如不对称故障或短时如三相短路故障出现了很大的零序电压。对于基于反应故障后电压和电流的变化特点而形成的输电线路的差动保护和零序电流保护，通过分析使学员能够正确判断保护的动作行为和特性。考虑到母线上的三相残余电压变化不大的特点，使得保护中涉及到的方向和阻抗元件要动作可靠。这种直观的培训模式，加深了学员的理解，提高了培训质量，帮助学员解决了学习中面临的疑难问题，达到了事半功倍的效果。