含分布式电源的小电阻接地系统故障定位方法

牛艳利，孙伯龙，邢 悦，杨明华，李 静

(北京市电力公司，北京 100031)

0 引言

现阶段，分布式电源在配电网中的渗透率逐渐升高，在利用可再生能源发电的同时，也给配电网带来了很多新的问题，其中分布式电源对配电网故障特征的影响便是近年来的研究热点。

配电系统中，中性点接地方式主要有中性点不接地、中性点小电阻接地以及消弧线圈接地。目前，针对大部分城市以及含有较多电缆线路的系统，通常采用小电阻接地方式。当该系统发生单相接地故障时，故障电流可以通过零序阻抗以及零序电流进行分析[1-6]。

为此，根据小电阻接地系统的网络分析，结合零序等值网络，针对含有分布式电源的配电网建立了故障分析模型，对不同接线形式的变压器进行了零序网络分析，最后根据实际系统验证了本文系统的有效性。

1 小电阻接地系统建模

在小电阻接地系统中发生单相接地故障时，系统的零序等值网络如图1所示，其中每条馈线均配置相应的保护装置。

图1 小电阻接地系统示意

对于一般的配电线路，线路长度不宜过长，并且每条线路的零序阻抗较低，故障点的零序电压约等于母线上的零序电压。小电阻接地系统等值网络如图2所示，图2中每条线路的零序阻抗表示为Z0k。在该图中，故障点电压Uf=-UA。

图2 小电阻接地系统等值网络

线路Lk的零序阻抗表达式为

(1)

w为系统角频率。对于lk长度的馈线，有

R0k=lkR0,L0k=lkL0

(2)

由于馈线的电感小于电容，则式(1)可简化为

(3)

各馈线并联形成总的网络零序阻抗Z0，表达式为

Z0=3RN∥Z01∥Z02∥…∥Z0n

(4)

根据电路原理，零序电压为

(5)

对于故障时的健全线路，零序电流为

(6)

对于故障线路Lk，零序电流表达式为

(7)

根据式(6)和式(7)，零序电流在健全线路和故障线路均受到过渡电阻Rf的影响，并且呈负相关关系。当单相接地故障发生时，高电阻接地与低电阻接地不同的是，高电阻接地系统的零序电流衰减较大，可能会导致继电保护装置拒动。

实际的小电阻接地系统中，一般使用零序电流互感器进行保护。另外，由于三相的不对称性，可能会导致故障电流量测较为困难。

2 含分布式电源的小电阻接地系统故障分析

2.1 零序导纳法

含分布式电源的小电阻接地配电网如图3所示。

图3 含分布式电源小电阻接地系统示意

由前述分析，故障点k的零序导纳计算式为

(8)

Gk为量测电导；Bk为量测点电纳；为方便分析，本文选择极坐标形式，Yk为导纳幅值；θk为量测点相角。

对于健全线路，需要计算电导和电纳；而对于故障线路，故障电流为接地的容性电流，对于小电阻接地系统，接地电流一般可以使得继电保护装置立即动作切除故障。对于健全线路的导纳，其等于量测点到线路末端的量测值。

对于故障点上游线路，并联导纳可以忽略，在零序等值网络中仅反映线路阻抗。对于上游的量测点，量测电流等于故障回路电流与接地容性电流之和的相反数，计算式为

(GYk+jBZTk)-(GLk+jBLk)

(9)

该计算式包括健全线路、接地电阻和故障线路3部分。

在等值零序网络中，接地电阻值为3倍零序阻抗，中性点电阻越大，相角越趋近于负实轴，零序等值网络坐标示意图如图4所示。

图4 坐标示意图

对于零序网络，有下式成立:

(GLk+jBLk)|

(10)

可以看出，上游线路的量测幅值远远大于健全线路的。

考虑到现阶段主要的配网以电缆方向发展，架空线路带来的故障导纳本文不予考虑，因此本文讨论的重点在电缆线路。

2.2 分布式电源变压器形式

与电网连接的分布式电源一般需要变压器作为电压变换手段，该变压器的接线形式有多种选择，主要的接线形式如图5、图6和图7所示[7]。

图5 Y-Δ接线变压器示意

图6 YN-Δ接线变压器示意

图7 YR-Δ接线变压器示意

对于Y-Δ接线，这种接线形式没有零序通路，因此，故障点下游的量测零序导纳等同于健全线路的零序导纳，分布式电源对于故障点不贡献零序电流。

对于YN-Δ接线，零序等值网络仅包括线路和变压器阻抗。其量测导纳等于线路和变压器阻抗之和的倒数。

对于Y侧中性点含有接地电阻的YR-Δ接线，由于阻性分量变大，因此，量测导纳也在第四象限。

2.3 故障定位方法

本文所提单相接地故障定位方法如下：

a.单相接地故障发生时，相量量测单元(PMU)量测并计算零序电流以及零序电压，利用前文所述公式得到零序导纳。

b.PMU将该零序导纳值通过同步时钟传输至故障定位系统。

c.故障定位系统比较故障线路各处的量测导纳值，确定故障点以及故障点上游范围。

d.如果所有量测点均在故障点上游，则故障点在最后一个量测点的下游。

本文提出的故障定位方法流程如图8所示。

图8 故障定位流程

3 算例分析

3.1 系统说明

图9 仿真网络

假设馈线负荷为2 MW，功率因数为0.9滞后。故障线路连接有分布式电源机组，功率为660 kW。馈线均配置PMU，采样频率为每周期128。不考虑短路故障时的过渡电阻。

3.2 结果分析

3.2.1 不含DG的故障

对于不含有分布式电源的网络发生单相接地故障，PMU的配置情况如图9所示。考虑接地电阻分别为5 Ω、10 Ω和15 Ω的情况，由于不含分布式电源，PMU4和PMU5的量测值相同，结果如表1所示。

表1 不含分布式电源的求解结果

从表1可以看出，中性点接地电阻阻值不同，不影响区分非故障线路和故障下游线路。但是会影响故障上游线路。中性点接地电阻越大，量测相角越接近180°。

3.2.2 含DG的故障

考虑接入分布式电源，单相接地故障发生位置如图9所示的f1。考虑接地电阻固定为10 Ω，求解结果如表2所示。

表2 含分布式电源的求解结果

由表1可知，对于各种形式的变压器接线形式，故障点上游的量测零序导纳均在设定值范围内。而对于故障点下游的量测值，变压器中性点含有接地电阻的情况会导致导纳角更接近正实轴。

4 结束语

本文利用零序导纳法对含有分布式电源的低电阻接地系统故障进行了分析，通过仿真实验得到了以下结论：

a.在不考虑过渡电阻的情况下，不含DG的网络接地电阻的大小对故障点下游量测值影响不大，对于量测的故障点上游相角影响较大。

b.在含有分布式电源时，不同的变压器接线形式会对零序导纳产生一定影响，同时，零序导纳法可以有效确定故障点范围。

综合本文分析，分布式电源接入系统时需要对继电保护整定和配置进行相应调整，但无需做出较大改变，同时需要结合接地变压器的接线形式进行具体分析。