高压线路单相接地故障中性点不接地系统的特性分析

张 旭

（同煤集团机电装备公司， 山西 大同 037000）

引言

随着电力系统容量的日渐增加，系统中发生故障时的单相短路电流也在不断增加，其数值极有可能超过三相短路电流，对断路器的遮断容量产生进一步的影响，将会产生变电站设备的损坏后果[1-3]。在电力系统中，通常将三相短路电流作为断路器的遮断容量基准，所以，在实际的运行中会出现断路器不能够切断单相短路电流的情况，使系统的正常运行受到了严重的影响。其中，由于单相短路电流值过大，将会严重的影响到变压器绕组的安全。110 kV变电站是电力系统的重要组成部分，选择变压器的单相接地故障中性点不接地方式对电网起着至关重要的作用，特别是安全性和经济性[4-5]。

1 110 kV变电站概述

变电站110 kV侧为进线发生单相接地故障，对侧线路开关跳开后，本站110 kV侧变为不接地系统，此时，系统的三相电压与中性点不接地系统发生单相接地故障时的三相电压特性相符合。

若连接到电源中性点的开关K打开时，此时系统为中性点不接地系统。中性点非有效接地系统中单相接地故障示意图如图1所示。

图1 单相接地故障稳态分析

图1 中：=3Uφω（C0∑-C0II）；、分别表示等效的三相电源电动势；COS表示电源的单相对地分布电容；C0I、C0II分别表示线路 I、II的单相对地分布电容。

正常运行下的中性点不接地系统中，三相电压对称且三相对地电容电流之和等于零。假设在线路II上发生A相接地故障，则此相对地电压降为零，其对地电容被短接，B相和C相的电压分别升高为原来的倍，此时电网中有零序电压的出现，且大小等于电网正常运行时的相电压。

线路I为非故障线路，其中，A相中电流为零，B相和C相中都流有自身的电容电流，所以零序电流为：

该零序电流的有效值的大小：

即零序电流为本身的电容电流。非故障线路II上的B相与C相流过的电流是它本身的对地电容电流、，与非故障的线路一样，但是不相同的是全系统的B相和C相对地电容电流之总和与接地点流回的电流相同，其值是：

其有效值的大小：

式（4）中：C0∑为系统每相对地电容的总和。

上述的电流要从故障相A流回去，则线路II始端所流过的零序电流是：

其有效值的大小：

全系统非故障元件对地电容电流的总和（不包括故障线路本身）与故障线路流向母线的零序电流的大小相等。

2 线路空载

线路正常运行时，本站110 kV为接地系统。规定变压器接受功率一侧的绕组为一次绕组，输出功率一侧的绕组为二次绕组，二次绕组的作用相当于供电设备，额定电压规定比系统的额定电压高10%，因此变压器变比设为220/121，空载正常运行下三相电压的瞬时值计算为98.78 kV。经PSCAD仿真，其三相电压瞬时值为98.32 kV，仿真波形如图2所示：

图2 空载正常运行下三相电压的瞬时值

若线路上的故障为单相接地永久性故障，将模型中的重合闸元件进行仿真，断路器的动作如图3所示：

图3 重合闸断路器动作情况

由图3可见，断路器在1 s跳开切除故障，经0.3 s的延时于1.3 s重合，因重合于永久性故障，再经0.1 s的延时动作于断路器，再次切除故障。

110 kV进线由于距离保护和零序保护，跳开断路器。此时本站110 kV变为中性点不接地系统，经PSCAD仿真，其信号仿真波形如图4所示：

分析图4可知：故障线路发生A相接地故障，该相对地电压降为零，B相和C相的电压升高。由于架空线的作用，导致B相和C相的电压开始衰减。

3 线路末端负荷侧为大型异步电机

根据矿方统计可知，该110 kV变电站的负荷侧，线路末端负荷侧主要为异步电机，总负荷约10000 kW。因此本文仿真模型中，负荷侧选用PSCAD库中的鼠笼式感应式电机模型元件，电压为10 kV（线电压有效值），频率为50 Hz（工频），额定功率为10 MW。

图4 单相接地故障空载三相电压

与线路空载时相同，发生单相接地故障，设置A相接地故障，故障的开始时间设置为1 s。故障在1 s发生时，断路器正确动作（如图4）。此时对于距离保护模型，其整定的方向阻抗圆及保护安装处所测量到的阻抗变化曲线（如图3），距离保护模块所测量的阻抗值小于距离I段整定值而进入阻抗圆内，保护动作于断路器以切除故障。

110 kV进线由于保护动作于断路器切除故障，经PSCAD仿真，此时其信号仿真波形如图5所示：

图5 负载侧为大型异步电机时单相接地故障三相电压

4 结论

1）通过仿真当线路空载和线路末端负荷侧为大型异步电机两种情况，设置单相接地故障，分析仿真波形图，验证了该110 kV变电站距离保护、零序电流保护的正确整定，从而使断路器正确跳开。

2）对比并分析两种情况下，故障三相电压的瞬时值，由于大型异步电机突然停电后，会产生反电动势，从而使非故障相的电压升高幅值大于线路空载时非故障相的电压幅值大小。