不同接地方式下故障相电压恢复初速度的计算与仿真

吴本祥，李红江，顾曦文，罗宁昭，张皓岚



不同接地方式下故障相电压恢复初速度的计算与仿真

吴本祥1，李红江1，顾曦文2，罗宁昭1，张皓岚2

（1．海军工程大学，武汉 430033；2．中国人民解放军92853部队，辽宁葫芦岛 125100）

当电力系统发生单相接地故障的时候，故障相电压会由零恢复到峰值，而其初速度是决定电弧的重燃关键。本文模拟中压电力网络，简化其单相接地故障下的回路，计算出不同接地方式下，故障相电压恢复的初速度。本文运用PSCAD软件仿真分析，并用实验进一步的验证的仿真的过压波形，确定其可靠性。最后比较三种接地方式下的电压恢复初速度。

故障相电压 接地方式 谐振接地

0 引言

当中压电网发生单相接地故障时，在故障点会产生电弧放电现象。电弧会不断的因电网内部的谐振而重燃，从而产生极大的过电压，损毁电气设备。电弧的熄弧与重燃主要通过两方面的因素决定；一是故障电流的大小，二是故障相电压的恢复初速度[1]。两者小，系统的建弧率低，并且若发生弧光接地时，也易于自行熄灭；反之这两者大的情况下，系统发生间歇性弧光接地概率大，且容易不断重燃，产生高过电压。而不同的接地方式这两方面的特性也是不一样的[2-4]。

在介质恢复理论和工频熄弧理论中，故障相电压在其单相接地时会在瞬时为零，然后随着电弧的熄灭该相电压会逐渐的恢复。而故障相电压的恢复速度是电弧是否重燃的关键因素，其电压恢复速度快于故障点介质绝缘的恢复强度则电弧不容易重燃；电压恢复速度慢于故障点介质绝缘的恢复强度则电弧容易重燃。

1 不同接地方式下故障相电压恢复初速度的计算

以电力系统经消弧线圈接地的发生单相接地故障为例，简化图如图1所示。这里选取的消弧线圈并联电阻值为380，主要是考虑到6300 V电压等级下故障电流限制在10 A以下，当系统在k点发生单相接地故障时，可以把电网与大地看成一个流经故障点的简单回路，便于计算故障电流，如图2所示。

在谐振接地的中压电力系统中，单相短路时弧光接地的瞬间，相当于图2中的开关S对地处于闭合状态，并且在此状态下中性点的位移电压等于反向的故障相的电源电压，两者的电势差为零，也即是故障电压开始恢复的初始状态为零。而当电弧熄灭的瞬间，相当于S瞬间断开，此时加在开关S两端的电压，一端为相电压，而另一端为谐振产生的自由振荡电压。不管L处于何种状态，该故障相电压恢复值一直等于和之间的电势差。

为了求出故障相电压恢复的初速度，首先将式（1）乘以其共轭后开方，在取模值得到恢复电压的包络线，表达式为：

将式（2）中开方里的各项按傅里叶级数展开，同时忽略高次项，化简得可恢复电压的包络线近似表达式(3)，然后将（3）式求导，并将初始条件=0带入可求得恢复电压初速度(4)式。

所以可以算出谐振接地的故障相电压恢复初速度为57 V/ms。

2 不同接地方式下故障相电压恢复初速度的仿真

通过PSCAD仿真软件，搭建中压电力的系统模型，模拟单相短路故障下的弧光接地，仿真并分析出故障相电压恢复的初速度。

对三者的电压恢复波形分别如图3-5所示，再取等步长的电压差，读出电压恢复初速度。

1）谐振接地

由图可知在两虚线间的电压读数的差比上所取步长时间0.00002 s，就是这一相（故障相）电压恢复初速度：

2）电阻接地

从图中可以看出在电压刚刚恢复的一段时刻取0.0001 s，观察其电压差，从而得出电压恢复的初速度：

3）不接地

通过读两线之间的纵坐标（即电压差），得出

3 实验中的过压波形图与仿真波形的比较

为了验证仿真的正确性，本文中将上面PSCAD中的中压电力系统变压器中性点不接地情况下的空载过压波形，与实验波形相比较，看其趋势和数值上是否一致，从而验证其他仿真结果的准确性。

不接地情况下的实验波形图如下图6所示。

其中变比为6300：100。

通过截取实验中示波器保存的一段故障波形数据，用MATLAB绘出系统的三相过压波形如下图7所示：

通过PSCAD仿真出的中压电力系统变压器中性点不接地的三相过压结果如图8所示：

可以看出在仿真系统中当A相单相接地故障时，其非故障相过压的波形的上升趋势与通过实验结果绘出的波形上升趋势基本一致。而且，当输入电压为6300 V时，仿真出的最大过压=8.932 kV，而实验的最大过压=9.576 kV。

其误差为：

分析存在误差的原因可能是仿真时的电弧模型是理想状态下的长弧模型，等效成电阻进行仿真计算，而实验中实际的电弧模型则是一个非常复杂的动态物理模型所以在电弧模型上存在出入。与此同时熄弧、燃弧的条件也不相同，实际情况下的电弧熄灭和重燃无论遵循的是工频熄弧理论或高频熄弧理论，在所用仿真软件中，都很难做到完美地模拟。但是在这样等级的电压下，产生的误差来看，还是在可以允许的范围内的。

4 总结

中性点经电阻接地与不接地系统，故障相电压恢复初速度仿真与计算得到的结果差别不大，并且两者基本一致，符合计算公式所呈现出的规律。

从三种接地方式在故障相电压恢复方面来比较，谐振接地的要相比前两者小得多，分析其原因为谐振接地系统限制了故障电流，导致故障相电压恢复的初速度大大降低，从而延长了其恢复到峰值的时间，利于电弧的永久熄灭。

[1] 张海．6-35 kV电网中性点灵活接地及其控制的研究[D]．保定：华北电力大学，2006．

[2] Gromoll B，Ries G，Schmidt W，et al．Resistive fault current limiters with YBCO films 100 kVA functional model[J]．IEEE Transactions on Applied Superconductivity，1999，9（2）：656-659．

[3] Dawalibi F．Ground fault current distribution between soil and neutral conductors[J]．Power，1980．

[4] 要焕年，曹梅月．电力系统谐振接地[M]．北京：中国电力出版社，2009．

Calculation and Simulation of Initial Velocity of Fault Phase Voltage in Different Grounding System

Wu Benxiang1，Li Hongjiang1，Gu Xiwen2，Luo Ningzhao1，Zhang Haolan2

（1．Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China；2．Unit 92853 of PLA，HuluDao 125100, Liaoning, China）

When single phase to ground fault occurs in the power system, the fault phase voltage varies by zero recovery to peak, while the initial velocity is the key to decide the reignition of arc. The paper simulates the medium voltage power network, simplifies circuit of the single-phase fault, and calculates initial recovery speed of fault phase voltage in different grounding system. The paper also uses PSCAD to analyze, and to verify the over-voltage waveform of simulation to determine its reliability. Finally, the paper compares recovery initial velocity of voltage in three kinds grounding modes.

initial velocity of fault phase voltage; grounding mode; resonant grounding

TM773

A

1003-4862（2015）03-0023-03

2014-11-05

吴本祥(1991-)，男，硕士研究生。研究方向：电力系统安全运行。