小电流接地系统两点接地故障仿真分析

吴凤翔, 顾兆雄

(国网上海市电力公司闸北发电厂, 上海 200438)

我国中压配电网普遍采用小电流接地方式,即中性点不接地和中性点经消弧线圈接地[1-2]。这种接地方式的优点是在配电网发生单相接地故障时,线电压保持不变,依规程可继续运行1～2 h,供电可靠性较高。在此期间,电网健全相承受较高电压(最大为1.732倍的正常电压),线路绝缘薄弱处可能发生绝缘击穿,从而发生第二次单相接地故障,形成两点接地故障。根据故障点位置、相别的不同,两点接地故障可以分为同一线路同一相别(同线同相)、同一线路不同相别(同线异相)、不同线路同一相别(异线同相)、不同线路不同相别(异线异相)等4种类型。与其他3种类型相比,异线同相最为复杂。

目前,故障选线装置对单相接地故障选线的准确率较高[3-4],但大多数故障选线装置并不具备两点接地故障的判断能力。其主要原因是两点接地故障属于复杂故障,受到中性点接地方式、故障点电阻、故障点距离、不平衡电压等复杂因素的影响,理论分析计算难度较大[5-9]。文献[6]利用线性电路的基本定理和相序参数变换技术,提出了一种小电流接地系统两点异相接地故障计算的方法。文献[7-8]分别分析了单电源和环网输电线路两点异地发生的接地故障。文献[9]采用小波分析工具研究了两点接地故障的保护原理。这些分析比较复杂,一方面在课堂教学时学生难以理解,另一方面在实际中应用难度也较大。因此,本文通过PSCAD/EMTDC软件建立仿真模型进行仿真分析,得到两点接地故障时电压和电流特点,最后提出一种判断两点接地故障的方法。

1 理论分析

由于两相短路电流远大于负荷电流,因此为简化计算,突出两点接地故障的特点,下面的分析中均不考虑负荷电流的影响。另外,假设系统各元件正负序阻抗相等。

1.1 同线同相(第1类)

同线同相故障如图1所示。

图1 同线同相故障

图1中,线路L1的A相先后发生K和F两点接地故障。这种情况称为同线同相两点接地故障。由于两个故障点都在同一条线路的同一相上,因此这种故障引起系统电压、电流的变化与单相接地故障类似[10]。相关分析和结论比较简单,本文不再赘述。

1.2 同线异相(第2类)

同线异相故障如图2所示。

图2中,线路L1的A相在K点发生接地故障。一段时间后,绝缘薄弱线路L1的B相在F点也发生接地故障。由于故障点K和F处于同一条线路但不同相别,因此这种情况称为同线异相两点接地故障。为简化计算,忽略故障电阻,A相和B相电流直接流入大地。根据电路分析理论[10],有下列关系式

图2 同线异相故障

IA+IB=0

(1)

EA+UN=IAZ1dK

(2)

IBZ1dK

(3)

式中:IA,IB——A相和B相电流;

EA,EB——A相和B相电压;

UN——中性点电压;

Z1,Z0——线路单位长度的正序和零序阻抗;

dK,dF——故障点K和F至母线的距离。

联立式(1)～式(3),可得

(4)

这种故障与两相短路接地故障不同,文献[10]是指同一点两相同时发生接地故障,故障相电压为零,非故障相电压升高至额定电压的1.5倍。在本文所研究的同线异相两点接地故障中,两个故障点之间存在距离,母线上故障相电压降低,零序电压增大,仅在故障点之间存在零序电流。

1.3 异线同相(第3类)

异线同相故障如图3所示。

图3 异线同相故障

图3中,线路L1的A相在K点发生单相接地故障,若干时间后,线路L2的A相在F点也发生了接地故障。这种情况称为异线同相两点接地故障。从系统电压角度上看,故障相电压降低,非故障相电压升高。这与单相接地故障类似,本文不再赘述。需要注意的是,各线路零序电流与单相接地故障不同(因为两条线路都发生了故障)。

1.4 异线异相(第4类)

异线异相故障如图4所示。

图4 异线异相故障

图4中,线路L1的A相在K点发生单相接地故障,若干时间之后,线路L2的B相在F点也发生了接地故障。这种情况称为异线异相两点接地故障。线路L1和L2相当于单相接地,对于电源侧而言相当于两相短路。母线上故障相电压降低,零序电压增大,仅故障点K和F之间存在零序电流。可以得到

(5)

2 仿真分析

利用PSACD/EMTDC软件搭建10 kV的配电系统进行仿真,如图5所示。图5中,G为交流电源;T为变压器,变比为35 kV/10 kV。线路参数[11-12]如下:正序参数与负序参数相同,分别为R1=0.075 Ω,L1=0.254 mH,C1=0.318 μF;零序参数为R0=0.102 Ω,L0=0.892 mH,C0=0.210 μF。

图5 10 kV配电网仿真示意

2.1 同线同相接地故障仿真分析

仿真时故障设置为同线同相接地故障。这种类型的两点接地故障属于单相接地故障,电压和电流的特征分析较多,本文不再赘述。

2.2 同线异相接地故障仿真分析

仿真时故障设置为同线异相接地故障,即线路L1的A相在0.1～0.3 s时间段距母线10 km处发生接地故障,当t=0.2 s时线路L1的B相在距母线25 km处发生接地故障。三相电压(Ua,Ub,Uc)、零序电压(U0)和3条线路上的零序电流(I10,I20,I30)分别如图6和图7所示。为突出故障期间电压或电流的变化规律,本文没有截取故障恢复阶段的波形。

图6 同线异相接地故障三相电压与零序电压仿真波形

图7 同线异相接地故障线路零序电流仿真波形

由图6和图7可以看出:在第1次故障发生后,三相电压和零序电压均符合教材中单相接地故障的特征,即故障相电压降低,非故障相电压和零序电压升高,线路中出现零序电流;当第2次故障发生后,A相电压升高,B相和C相电压降低,零序电压降低,故障和非故障线路的零序电流都降低。

2.3 异线同相接地故障仿真分析

仿真时故障设置为异线同相接地故障,即线路L1的A相在0.1～0.3 s时间段距母线1 km处发生接地故障,当t=0.2 s时线路L2的A相在距母线10 km处发生接地故障。三相电压、零序电压和零序电流分别如图8和图9所示。

图8 异线同相接地故障相电压与零序电压仿真波形

图9 异线同相接地故障线路零序电流仿真波形

由图8和图9可以看出:第1次故障发生后,三相电压、零序电压和零序电流的变化特征符合理论分析;当第2次故障发生后,三相电压和零序电压都稍有降低,故障线路L1的零序电流下降,而故障线路L2的零序电流大幅升高,非故障线路L3的零序电流降低。

2.4 异线异相接地故障仿真分析

仿真时故障设置为异线异相接地故障,即线路L1的A相在0.1～0.3 s时间段距母线1 km处发生接地故障,当t=0.2s时线路L2的B相在距母线10 km处发生接地故障。三相电压、零序电压和零序电流分别如图10和图11所示。

图10 异线异相接地故障相电压与零序电压仿真波形

图11 异线异相接地故障线路零序电流仿真波形

由图10和图11可以看出:第1次故障发生后,三相电压、零序电压和零序电流的变化特征符合理论分析;第2次故障后A相电压继续升高,而B相电压降低,非故障相C相电压先升高后降低,零序电压降低;故障线路L1和L2的零序电流大幅升高,非故障线路L3的零序电流降低。

3 两点接地故障选线方法

通过上述理论与仿真分析,可以归纳出两点接地故障时电压和电流的特征如表1所示。

表1 两点接地故障电压与电流的变化

同线同相故障与单相接地故障相同,故可以按照传统的方法确定故障线路。同线异相故障类似于两相短路故障,故也可以按照两相短路故障的措施处理。因此,本文提出一种针对异线同相和异线异相两点接地故障的判断方法,具体如下。

(1) 第1次接地故障可以按照传统方法判断出故障线路和故障相。监测零序电压变化。当零序电压降低时,可认为发生第2次故障。

(2) 发生第2次故障后如果满足以下条件,则为异线同相故障且零序电流升高者为故障线路:一是相电压和零序电压均有所降低;二是第1故障线路零序电流降低。

(3) 发生第2次故障后如果满足以下条件,则为异线异相故障且零序电流升高者为故障线路:一是第1故障相电压升高,零序电压降低;二是第1故障线路零序电流升高。

4 结 语

两点接地故障是一种复杂的接地故障,理论计算比较困难。本文通过仿真分析得到所有4类两点接地故障的电压和电流特征,提出了判断两点接地故障的方法。后续可以对中性点经消弧线圈接地系统进行同样的仿真分析,丰富两点接地故障判断的应用场景。