基于PSCAD/EMTDC的小电流接地系统单相接地故障的仿真研究

苑 博 ，邱湘可

（1.西安工程大学 陕西 西安 710048；2.国网冀北电力有限公司承德供电公司 河北 承德 067000）

在电力系统各个组成部分中，配电网是与电力用户之间最直接、最紧密的。在我国配电网络中，6～66 kV的中低压网络，均采用小电流接地方式。在小电流接地系统中，单相故障是最常发生的一种。单相故障发生时，小电流系统中的故障电流很小，系统运行稳定性较高；同时，由于接地故障零序电流小，非常不利于判断故障线路[1]。

1958年以来，我国对小电流接地系统做了大量的研究。PSCAD仿真软件拥有完整全面的元件库，稳定的计算流程，友好的图形界面，等特点被广大电力系统研究、分析人员所推崇，广泛用于电力系统暂态过程计算、直流系统分析与工程研究、FACTS控制器设计、电能质量现象分析和电力电子器件设计等领域。

文中介绍了PSCAD仿真软件及其仿真环境，搭建了小电流接地系统的配电网络仿真模型，并在不同情况下进行了大量的仿真，仿真结果与实际一致，直观的展现了小电流接地系统单向故障的特点，为单相接地故障选线方法的研究提供了坚实基础。

1 PSCAD

1.1 PSCAD软件简介

PSCAD/EMTDC是加拿大马尼托巴高压直流研究中心出品的一款电力系统电磁暂态仿真软件，PSCAD（Power Systems Computer Aided Design）是用户界面，EMTDC（Electromagnetic Transients including DC）是内部程序。

EMTDC最初代表直流暂态，是一套基于软件的电磁暂态模拟程序。这个程序被广泛应用在电力系统许多类型的模拟研究，其中包括交流研究，雷电过电压和电力电子学研究[2]。

PSCAD代表电力系统计算机辅助设计，使用户能更方便地使用EMTDC进行电力系统分析，使电力系统复杂部分可视化成为可能，而且软件可以作为实时数字仿真器的前置端，模拟任意大小的交直流系统。PSCAD的主程序结构如图1所示。

图1 PSCAD主程序结构Fig.1 The main program structure of PSCAD

1.2 PSCAD元件模型库

PSCAD提供大量经过严格测试的电力系统元件模型，从简单的无源元件和控制元件到发电机、FACTS器件、传输线等复杂的元件模型，都包含在PSCAD的元件模型库之中。打开软件后，工作去窗口中会自动加载库文件，点击加号可打开，如图2所示界面。

图2 元件库Fig.2 Master Library

2 故障仿真算例及分析

2.1 仿真模型的建立

本文建立的小电流接地系统的仿真模型如图3所示。该系统共有5条馈线，全部采用相同负载。

在PSCAD/EMTDC中有4种常用的线路模型：

π型模型：当采用物理模拟时，输电线路的分布参数效应往往用多级集中参数的型等效电路级联来模拟。当采用数字仿真时，有时也采用这种方法来模拟输电线路。其优点为它不受线路参数矩阵是否平衡的限制；对感兴趣的任何一根单导线（包括地线）都可作为多相输电线路中的一相来处里。缺点为计算效率很低，模拟一条输电线路就要耗费很多节点，而且容易产生虚假振荡。

Bergeron模型：输电线路的Bergeron模型的主要思想是将分布参数的线路化为集中参数的模型来处理，然后用集中参数电路的分析方法来研究。在雷电过电压计算中，一般只需考虑单相导线即可，在计算操作过电压时涉及三相，但应用相模变换，可将三相网络转变为等效的单相网络。

频率相关 （模式） 模型 （Frequency-Dependent（Mode）model）：该模型由J.Marti提出的考虑频率特性的线路模型发展而来，该模型基于常量转换矩阵 （Constant transformation matrix），其中的元件参数与频率相关。该模型在考虑线路换位的情况下，采用模态技术求解线路常数。能较精确模拟理想换位导线（或两根导线水平设置）和单根导体的系统。但在用于精确模拟交直流系统相互作用的时候该模式就不能给出可靠的解了，另外不能准确模拟不对称的线路也是该模型的一个缺点。

图3 小电流接地系统仿真模型Fig.3 Simulation model of small current grounding system

频率相关 （相位） 模型 （Frequency-Dependent（Phase）model）：元件参数与频率相关，该模型考虑了内部转换矩阵（Internal transformation matrices），在相位范围内直接求解换位问题。可精确模拟所有结构的传输线，包括不平衡几何结构的线路。除非有特殊的原因选取前两个模型，频率相关（相位）模型在仿真计算中，应为首选项。该模型在世界上是最为先进和精确的传输线时域分析模型。

本仿真采用的是频率相关（相位）模型，设置为理想换位模型。导线型号全部为LGJ-120，等腰三角形排列，导线距地15 m，导线间距离为1.5 m。3条出线长度分别是20 km，30 km，40 km，45 km，50 km。 变压器为 220 kV/35 kV， 容量为100 MVA。

2.2 对零序特征量的仿真分析

2.2.1 故障时刻对故障零序特征量的影响

故障时刻的不同，会对暂态过程产生影响。以线路3为故障线路，过渡电阻和故障点距母线距离保持不变，分别在相电压正、负半波的任意时刻、过零点和峰值时发生短路故障。 t1=0.1 s，t2=0.11 s，t3=0.101 0 s，t4=0.111 0 s，t5=0.105 0 s，t6=0.115 0 s。仿真结果如图4所示。

2.2.2 接地电阻对故障零序特征量的影响

接地电阻的大小随故障情况而变化。以线路3为故障线路，使短路时刻固定在t=0.1 s，短路点距母线距离都为10 km，设接地电阻分别为R1=10，R2=50，R3=100，进行A相短路仿真。仿真结果如图5所示。

图4 故障时刻对故障零序特征量的影响Fig.4 Impact of fault time on fault zero-sequence characteristic quantity

2.2.3 结果分析

1）由图4可见，不同的短路时刻产生的故障零序特征量也明显不同。当故障发生在故障相电压峰值时，暂态现象最明显；当故障发生在电压过零时，暂态电流的值不是很大。因此当故障在电压过零点发生时，暂态信号特别微弱，不能够给出可靠的判断，不能使用小波法进行选线[5]。零序电压的极性与发生短路时刻的故障相电压极性相关，零序电压与故障相电压极性相反，相差180°。故障发生后的四分之一个周期内，故障电路零序电流会有一个较大的冲击电流，极性与短路时刻有关，与零序电压相差180°。

2）由图5可见，接地电阻对故障零序特征量及故障点压都有比较大的影响。接地电阻越大，故障线路和非故障线路首半波的零序电流冲击值越小，甚至消失；故障后故障相电压越明显；零序电压波形越平滑。

3 结论

PSCAD/EMTDC仿真平台使电力系统暂态分析更加简单直观，使电力系统研究人员从繁琐的建模中解放出来。它操作简单，模型更加专业，应用范围广泛。通过PSCAD/EMTDC对小电流接地系统的进行仿真，能够很好的克服纯理论分析的抽象性，使小电流接地系统故障特征更加形象直观地展现出来，使研究人员更好的理解系统特性，帮助进一步的改进选线和定位方法。

图5 接地电阻对故障特征量的影响Fig.5 Impact of grounding resistance on the fault characteristic quantity

[1]庞清乐.小电流接地故障选线与定位技术[M].北京:电子工业出版社，2010.

[2]张敬波.利用暂态行波是小电流接地故障综合选线技术研究[D].淄博：山东理工大学，2012.

[3]王晓峰，洪彩凉.小电流接地系统单相接地故障分析[J].电气开关，2013（4）:76-77.WANG Xiaofeng，HONG Cailiang.Fault analysis of the single-phase grounding of small current earthed system[J].Electric Switchgear，2013（4）:76-77.

[4]张新慧.基于Prony算法的小电流接地故障暂态选线技术[D].济南：山东大学，2008.

[5]姜维胜.小电流接地系统单相故障选线方法分析与比较[J].电气技术，2010（6）:71-76.JIANG Weisheng.Analysis and comparison of fault line detection method for non-effectively earthed system[J].Electrical Engineering，2010（6）:71-76.

[6]秦书硕.小电流接地系统故障选线新方法研究 [D].昆明：昆明理工大学，2012.

[7]申双葵.小电流接地系统单相接地故障选线的研究[D].成都：西南交通大学，2009.