含分布式电源的配电网单相接地故障分析

黑帅　卢广旗　宋晓龙

【摘要】：随着分布式发电技术的成熟，DG在正常运行下以及在配电网故障状态下的控制策略，会对配电网的暂态过程和稳态过程造成影响。另一方面，DG接入后，对故障电流的大小和方向也会造成影响，DG对配电网故障电流的贡献以及在故障条件下DG的响应特性也会随之变化。分析含DG配电网故障状态下故障电流的变化情况，有助于研究能够适应含DG配电网故障定位方法。

【关键词】：分布式电源；配电网；故障电流

1 故障分析模型

如图1为含DG经消弧线圈接地方式配电网系统接线图。逆变型DG经公共连接点（简称PCC）与主电网相连接，其PCC距离母线的长度为M，故障点F位于10kV母线与PCC之间。配电网主电源侧中性点接地方式选择经消弧线圈接地，为了保证配电网运行的安全性，国内电网选择消弧线圈时将其运行在过补偿情形下；对于DG接入配电网的中性点接地方式，国家电网公司《反措》以及石魏等人在文献[1]《分布式电源接地方式的探讨》均指出，DG并网时与电网接地方式不一致时，其接入点与DG之间需要接入隔离变压器，以保证电网正常运行和DG侧设备安全可靠的运行。本节讨论DG接入配电网对故障电流的影响时，DG中性点采用不接地方式。

图1 含DG经消弧线圈接地方式配电网系统图

在分析不对称故障特征时，目前国内外研究学者主要采用戴维宁定理或对称分量法两种分析方法。本文采用对称分量法进行故障特征分析时，根据单相接地故障的边界条件，建立含DG配电网单相接地故障的复合序网，根据电路串并联等效相关知识，求解各个节点电压和各条支路电流。本节采用DG为逆变型，配电网发生故障时，根据文献[2]中DG可以等效为恒压源串阻抗的电源模型。复合序网仅接地点有附加电压源作用，输出电压幅值为接地点故障前电压，系统正、负、零序阻抗分别为故障点上游和下游正、负、零序阻抗的并联[3]。以故障点F点发生单相接地故障为例，其接地电阻为Rf；根据对称分量法可得到复合序网等效电路图如图2所示。

图2 故障点F故障复合序网

图中：ZS（1）和ZS（2）分别为主电源与变压器的正序、负序阻抗之和，ZS（1）=ZS（2）；ZS（0）为主电源接地变压器零序阻抗；ZT为DG侧并网变压器阻抗；ZL1（1）和ZL1（2）分别为故障点到主网电源的线路正序、负序阻抗，ZL1（1）=ZL1（2；ZL2（1）和ZL2（2）分别为故障点到DG接入点的线路正序、负序阻抗；ZL1（0）和ZL2（0）分别为故障点到主电源、DG接入点的线路正序、负序阻抗；ZDG（1）和ZDG（2）分别是DG的正序、负序阻抗； 、 、 、 、 、 分别是为主网侧和DG侧的正序、负序、零序故障电流； 为故障点正（负或零）序电流，等于故障点电流 的1/3；箭头表示了各电流的参考方向； 为故障点附加电压源； 主电网侧消弧线圈的阻抗值；Rf为过渡电阻。

2 故障点电流的分析

DG接入配电网后会影响系统的正序、负序、零序阻抗的大小、进而影响故障时故障电流的大小。对于故障点F1来说，设故障点F1距离母线出口处x，单位长度的线路正、负序阻抗均为 、零序阻抗为 。可得到主电源侧和DG侧的正序、负序、零序阻抗Za（1）、Za（2）、Za（0）、Za（1）、Za（2）、Za（0）分别为：

则DG并网状态下的故障点F1的故障电流 为：

根据分布式电源典型设计手册可知，分布式电源并网容量与主电源容量相比小的多，因此并网变压器和DG自身的阻抗相对较大，在工程上一般选取：

在短路计算中一般默认为正序阻抗和负序阻抗是相等的，根据以上的条件，则式2-2可化简为：

当DG接地方式为不接地时，此时的 将会变为无穷大，则故障点的电流为：

由式（5）可知，此时的故障点电流约等于不含DG配电网时F点的故障电流，随着故障点逐渐远离母线，其正、负、零序阻抗均增大，故障点的电流呈现减小的趨势；随着过渡电阻的增大，故障点的电流呈现减小的趋势。

3 线路各序电流分析

故障点电流 的正序、负序、零序分量分别为 、 、 ，在计算中一般将三者约等于故障点电流的三分之一，即

但是实际计算中， 、 、 的大小是取决于主网侧与DG侧的正序、负序、零序阻抗之比。下面以F1故障点为例进行分析说明。

当F1点发生单相接地短路时，其主网侧线路正、负序电流 、 、 与DG侧线路正、负序电流 、 、 分别为：

式中：K1、K2、K0分别为主网侧正序、负序、零序电流占故障点正序、负序、零序电流的比例，一般情况下K1、K2均接近于1，即绝大多数故障点正序、负序电流在主网侧线路中流通，但K0一般情况下不等于1，故障点零序电流的大小是与系统电源中性点接地方式有关系的。DG侧采用不接地方式时， 无穷大， 、 可以简化为：

通过式13可知，线路中零序电流与DG未接入时相同，即DG接入配电网运行并不会影响线路零序电流的大小。

4 结论

由于DG采用经隔离变压器接入配电网运行方式，其中性点不接地，因此当系统发生单相接地故障时，DG侧零序阻抗并没有构成回路，所以DG接入配电网并不影响线路零序电流的大小；正序、负序电流会有变化，其变化趋势和故障点与接入DG相对位置有关。

【参考文献】：

[1] 石巍，胡凌波，张彦昌.分布式电源接地方式的探讨[J].电力勘测设计，2016（05）：52-54.

[2] 杨杉，同向前，刘健，等.含分布式电源配电网的短路电流计算方法研究[J].电网技术，2015，39（07）：1977-1982.

[3] 郭丽伟，薛永端，张林利，等.含分布式电源的小电阻接地方式配电网单相接地故障分析[J].电力系统自动化，2015，39（20）：116-123.