小接地电流系统单相接地故障的仿真和研究

侯云海++李小飞++张立金

摘 要：小接地电流系统发生单相接地故障时电压、电流零序电压和零序电流等电气量尤其变化的特殊性，一直都是研究人员关注的焦点。以MATLAB软件为平台，为小接地电流系统单相故障进行建模，并利用零序电流的幅值、相位判别出故障线路和故障相，对分析电力系统故障特性以及保护方案的选择都有着重要的作用。

关键词：小接地电流系统 单相接地故障 MATLAB软件 零序电流

中图分类号：TM727 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）12（b）-0094-02

1 小接地电流系统仿真模型

1.1 中性点不接地系统的仿真及理论分析

利用MATLAB/Simulink建立一个中性点不接地系统的仿真模型，如图1所示，电源采用模块“Three-phase source”， 三相电源电压37kV，频率50Hz，内部Y型链接。输电线路L1～L4，均采用“PI Section Line”模型，线路的长度分别为1km、200km、120km、165km，线路其他参数：

正序电阻，

正序感抗，

正序容抗，

负序电阻，

负序感抗，

负序容抗。

负荷Load1、Load2、Load3、Load4均采用“Three-phase Series RLC Load"模块，有功负荷分别为3MW、0.5MW、6MW，2MW负荷其他参数：线电压37kV，频率50Hz。

选择在第1条线路出线的1km（即L1与L2之间）处发生C相接地（接地电阻忽略不计）。

根据以上设置的参数，经过计算，系统在第1条线路出线的1km处（L1与L2之间）发生C相金属性接地时各线路始端的零序电流有效值为：

同理可得

，

接地点的电流为

1.2 中性点经消弧线圈接地系统的仿真与理论分析

在图1的基础上，在电源的中性点上接入一个电感线圈，其他参数不变。（如图2）

要使接地点的电流近似为0（即完全补偿），应满足

式中，L为消弧线圈的电感；为系统三相对地电容。

可求得

要实现完全补偿应有

完全补偿和欠补偿都可能出现串联谐振过电压的问题，实际工程应用中常采用过补偿方式并且过补偿度一般为10%，则消弧线圈的电感应为

2 仿真结果分析

仿真时间设置为0.5s，选择0de15s算法，利用Powergui模块设置采样时间为，系统在0.1s时发生C相接地（接地电阻不计）。

2.1 不接地系统的仿真结果及理论分析

系统在0.1s时发生C相接地，C相电压为零，AC、BC相间电压升高倍，仍然保持对称，所以对负荷并没有影响。各电气量的变化情况如图3所示

由图3可知，各线路始端零序电流以及故障点接地电流的有效值为

，

，

，

与理论计算值大致相等。

从图3可以看出，在中性点不接地方式下，非故障线路上的零序电压滞后零序电流90°；故障线路上的零序电流等于全系统非故障元件对地电容电流之总和，且滞后零序电压90°；由此可以得出故障线路和非故障线路上的零序电流方向相反，与理论分析相一致，如图4所示。

2.2 经消弧线圈接地系统的仿真结果及理论分析

从图可知，当单相接地故障的暂态过程结束后，故障点的接地电流的有效值在9.3A左右，远小于中性点不接地系统的接地电流，因此补偿效果十分明显。

由图6可知，非故障线路上的零序电流仍是其电容电流，方向由母线流向线路，滞后于零序电压90°，这与中性点不接地系统是相同的。（如图5）

但是在这种情况下故障线路上的零序电流远大于其电容电流，方向也由母线流向线路。因此，无法根据零序电流方向的不同来判断故障线路。

3 保护措施

3.1 零序电压保护

在小接地电流系统中出现单相接地故障时，同一电压等级母线上将出现很大的零序电压，根据此特点，一般在母线上装设单相接地的监视装置，其原理接线如图7所示。

3.2 零序电流保护

当某一条线路上发生故障时，非故障线路和故障线路上的零序电流相差很大，而非故障线路上的零序电流仅为其电容电流，远小于故障线路上的零序电流，零序电流保护正是基于此差异来保证动作的选择性，保护装置的动作整定值为：

其中每相线路对地电容。

3.3 零序功率方向保护

中性点不接地系统中故障线路与非故障线路零序电流的方向相反，零序功率的流向也相反，而零序功率方向保护就是基于此特点来实现对线路的选择性保护。

4 结语

由以上可知，利用MATLAB软件对中性点非直接接地系统的单相接地故障进行建模和仿真，能够快速而准确地反映出故障线路和非故障线路上电压、电流、零序电压和零序电流的变化情况，并根据它们之间的差异提出相应的保护方案。

参考文献

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