張 欣，李寶蘭，溫正陽(yáng)

(1.湖南省電力公司常德電業(yè)局，湖南常德 415001;2.湖北省宜昌市供電公司調(diào)度通信中心，湖北宜昌 443000;3.華北電力大學(xué)電子與通信工程系，河北保定 071003)

在我國(guó)中低壓(60 kV及以下)配電網(wǎng)大都采用中性點(diǎn)不接地或中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的方式。在小電流接地方式系統(tǒng)中，配電網(wǎng)80%以上的故障是單相接地故障［1］。而這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于其發(fā)生單相接地故障時(shí)故障電流微小，三相之間的線電壓仍然保持對(duì)稱(chēng)，對(duì)負(fù)荷的供電沒(méi)有影響，因此，保護(hù)不必立即動(dòng)作與斷路器跳閘，系統(tǒng)可繼續(xù)運(yùn)行1～2 h［2］，這就為在線故障定位的研究提供了可能性。

文中根據(jù)零序電流相位法故障定位的原理，利用Matlab對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了該方法的可行性，從而為實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 相位法故障定位的理論依據(jù)

當(dāng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)，中性點(diǎn)電壓U·

0不為零，相當(dāng)于在故障點(diǎn)處有一個(gè)電壓源，向線路提供零序電流，并通過(guò)對(duì)地電容形成回路，其零序等效網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。由圖可知故障點(diǎn)兩側(cè)零序電流的方向相反，即相位相差180°，這是系統(tǒng)故障定位的主要理論依據(jù)。

圖1 零序等效網(wǎng)絡(luò)圖

系統(tǒng)在進(jìn)行故障判斷時(shí)，首先將三相線路上產(chǎn)生的零序電流瞬時(shí)值相加求和，若，則說(shuō)明線路無(wú)故障，若，則說(shuō)明有故障;然后比較相鄰兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)零序電流的相位信息，若相位相反，說(shuō)明其間有故障，反之，則無(wú)故障［3］。

2 仿真模型的搭建

如圖2所示為10 kV配電網(wǎng)單相接地故障的仿真模型［4－6］。通過(guò) Three － Phase Fault模塊將系統(tǒng)設(shè)置為A相接地故障，故障點(diǎn)設(shè)在線路3上。根據(jù)零序電 流定位的理論依據(jù)，故障點(diǎn)兩側(cè)的電流相位應(yīng)相反。

圖2 10 kV配電網(wǎng)仿真模型

2.1 仿真參數(shù)設(shè)置

根據(jù)我國(guó)電力系統(tǒng)交流電的頻率，系統(tǒng)將頻率統(tǒng)一為50 Hz;三相電壓源設(shè)置為10 kV，接地方式為中心點(diǎn)不接地;線路采用分布參數(shù)型輸電線路，各線路長(zhǎng)度分別為40 km、60 km和70 km，線路各序參數(shù)使用元件固有參數(shù)，即正序電阻=0.012 73Ω/km，正序感抗=0.933 7 mH/km，正序容抗 =12.74 pF/km，零序電阻=0.386 4Ω/km，零序感抗=4.126 4 mH/km，零序容抗=7.751 pF/km;線對(duì)地的電容均為1μF;且不考慮負(fù)載的情況。

2.2 接地故障的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)中單相接地故障是通過(guò)三相故障(Three－Phase Fault)模塊實(shí)現(xiàn)。它可以選擇不同相的接地故障，而且能實(shí)現(xiàn)各種相間短路故障。通過(guò)調(diào)節(jié)三相故障模塊的過(guò)渡電阻的阻值來(lái)模擬不同的接地電阻對(duì)零序電流波形的影響。同時(shí)利用這個(gè)模塊還可以設(shè)置故障的發(fā)生時(shí)間及切除時(shí)間，以便于對(duì)仿真波形的分析。模型將系統(tǒng)設(shè)為0.03 s發(fā)生A相接地故障，接地電阻為200Ω，0.15 s故障排除，總模擬時(shí)間為0.2 s。

2.3 零序電流相位的測(cè)量

仿真模型搭建最重要的部分是零序電流的測(cè)量實(shí)現(xiàn)。首先，在各線路的首端串聯(lián)三相電流電壓測(cè)量模塊(Three－Phase V－I Measurement)，它有兩個(gè)輸出端分別為三相電壓和三相電流信號(hào);然后用分路器模塊Demux將輸出電流信號(hào)端分成3個(gè)單一信號(hào)，再用加法器將3個(gè)單一信號(hào)合成一個(gè)信號(hào);最后，經(jīng)過(guò)一個(gè)1/3增益的模塊Gain，從而得到零序電流的波形，并通過(guò)示波器Scope顯示。

3 仿真分析

運(yùn)行搭建的仿真模型，可以在各個(gè)示波器中顯示零序電流的波形。為便于觀察，用Matlab中的命令將示波器中的圖形畫(huà)出，并顯示在同一張圖上，如圖3所示。

分析圖3可知0～0.03 s時(shí)系統(tǒng)無(wú)故障，因?yàn)槿嚯娐穼?duì)稱(chēng)，所以，即零序電流為零。0.03～0.15 s發(fā)生單相接地故障，零序電流不為零，通過(guò)比較圖中零序電流波形可知線路3故障點(diǎn)前的相位與故障點(diǎn)后相位相反，且與非故障線路1、2的相位也相反;同時(shí)，可看出故障點(diǎn)前零序電流的幅值相對(duì)較大。0.15～0.2 s故障排除，零序電流幅值又趨向于零。

為驗(yàn)證不同狀況下的接地故障對(duì)相位法故障定位的影響，設(shè)置了如表1所示的各種情況。

表1 不同狀況下的接地故障

由圖3～圖5可知，在其他條件不變的情況下，增大接地電阻的阻值，零序電流的幅值會(huì)變小，但其相位方向不變，因此不會(huì)影響故障定位的判斷;同樣，由圖3～圖7可知，改變各線路的長(zhǎng)度也只是影響電流幅值，并不影響相位;由圖3和圖8可知，電路中的負(fù)載也不會(huì)對(duì)零序電流的相位產(chǎn)生影響。

圖8 其他條件不變，考慮負(fù)載時(shí)的零序電流波形

由上述分析可知，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，可通過(guò)比較各線路零序電流的相位關(guān)系來(lái)判斷故障區(qū)段。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用Matlab仿真平臺(tái)驗(yàn)證了零序電流相位法故障定位系統(tǒng)的可行性。通過(guò)仿真分析可知，該方法不受線路長(zhǎng)度、接地電阻以及負(fù)載等因素的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)配電網(wǎng)單相接地故障區(qū)段的準(zhǔn)確判斷，因而增強(qiáng)了該系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值，使之成為解決配電網(wǎng)單相接地故障定位問(wèn)題的有效方法之一。

［1］張利，夏楠，姜彤.中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障的定位方法［J］.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2010，22(4):36－40.

［2］楊曉敏，王艷麗，王雙文.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理及應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2006.

［3］戚宇林.中壓配電網(wǎng)單相接地故障定位的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.保定:華北電力大學(xué)，2007.

［4］艾琳，羅龍.基于 Matlab的小電流接地系統(tǒng)仿真研究［J］.華中電力，2008，21(3):16 －20，23.

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