10KV 配电网接地数值仿真研究 （华北电力大学 电气工程学院，河北 保定 071003） 陈亚 摘 要：本文首先介绍了配电网的 3 种接地方式（不接地、经小电阻接地、谐振接地）的原理和特点，然后利用 MATLAB 仿 真平台，对某 10KV 配电网的这三种接地方式进行了仿真比较，针对该配电网的输电线单相接地问题给出了较为准确的数值 仿真解，指出了中性点经消弧线圈接地方式是目前比较合理的接地方式。 关键词：配电网；谐振接地；消弧线圈；仿真 Simulation study on ground fault of a 10KV distribution network CHEN Ya (North China Electric Power University Institution of Electric Engineering，HeBei BaoDing 071003) Abstract：In this paper the theory and characters of three kinds of grounded mode (ungrounded，grounded through a small resistance，resonant grounded) are presented. That resonant grounded is a proper grounded mode is derived after simulating and comparing these three grounded modes of a 10KV distribution network with the graphics simulating software MATLAB. Key words：distribution network；resonant grounded；extinction coil；simulation 0 引言 10KV 配电网中性点的接地方式是一个涉及面非常广的综合性问题，它不仅是一个技术问题，还是一个经济问题。首先， 从技术的角度而言，它与整个电力系统的供电可靠性、人身安全、设备安全、绝缘水平、继电保护以及通信干扰和接地装置 等技术问题有密切的关系。其次，配电网中性点接地方式的选择必须与整个系统发展的现状和发展规划进行技术经济比较， 必须全面考虑其技术经济指标。随着电力工业的迅速发展和对供电质量要求的提高，选择一种有效的中性点接地方式是十分 重要的。 1 配电网中性点接地方式 传统的配电网接地方式有 3 种：中性点不接地、经低电阻接地及谐振接地。下面对这 3 种接地方式的原理及其特点做一 个简单介绍[1][4][5]： 中性点不接地，实际上是经过集中于电力变压器中性点的等值电容（绝缘状态欠佳时还有泄漏电阻）接地的，其零序阻 抗多为一有限值，而且不一定是常数。此时，系统的零序阻抗呈现容性，因接地程度系数 k<0， 可能高于相电压，故非 故障相的工频电压升高会略微高过线电压。最早的城市配电网由于规模不大，多采用中性点不接地方式。在这种接地方式下， U∆ 系统发生单相接地故障时，流过故障点的电流为线路的电容性电流。在规模不大的架空线路网架结构中，这个值是相当小的， 对用户的供电影响不大。而且各相间的电压大小和相位维持不变，三相系统的平衡性未遭破坏，允许继续运行一段时间(2h 以内)。但是这种接地方式有一个极大的缺陷，就是当接地电流超过一定值时容易产生弧光接地过电压，将使系统的安全性 受到很大的影响，对系统绝缘水平要求更高。近几年国家和地方大力投资进行城网、农网改造，电网规模扩大，电缆线路不 断增加，6～35KV 中压配电网原有的中性点不接地方式已不再适宜，并已逐渐被其他接地方式取代。 对于中压电网来说，中性点经电阻接地的最初出发点，主要是为了限制电弧接地过电压。低电阻接地方式可以避免不接 地方式中弧光接地过电压的产生，同时由于增大了故障线路的接地电流，使得故障选线可以很方便地实施，进而实现快速跳 闸，使非故障线路不需要长时间承受过电压，降低了绝缘水平要求。对于以电缆为主又能实现环网供电的城市配电网，这是 一种较为理想的接地方式。因为以电缆线路为主的电网发生单相接地故障时，流过故障点的电容电流很大，容易发展为相间 故障，且多为永久性接地故障，需要及时跳闸，切除故障线路。而环网供电可保证供电的连续性，最大限度地减少停电范围。 从目前国内农网及城网的发展情况看，依然是架空线路占多数，或架空线路和电缆混合电网，环网供电水平较低。这些情况 决定了国内配电网以中性点经消弧线圈接地，也就是通常所说的谐振接地方式为主要的接地方式。 谐振接地系统即中性点经消弧线圈接地的电力系统。因为消弧线圈是一种补偿装置，故通常又被称为补偿系统。消弧线 圈是一种铁心带有空气间隙的可调电感线圈。它装设于配电网的中性点。瞬间单相接地故障可经消弧线圈动作消除，保证系 统不断电；永久单相接地故障时消弧线圈动作可维持系统运行一定时间，可以使运行部门有足够的时间启动备用电源或转移 负荷，不至于造成被动；系统单相接地时消弧线圈动作可有效避免电弧接地过电压，对全网电力设备起保护作用；由于接地 电弧的时间缩短，使其危害受到限制，因此也减少维修工作量；由于瞬时接地故障等可由消弧线圈自动消除，因此减少了保 护错误动作的概率；系统中性点经消弧线圈接地可有效抑制单相接地电流，因此可降低变电所和线路接地装置的要求，且可 以减少人员伤亡，对电磁兼容性也有好处。同时由于消弧线圈还会使故障相恢复电压上升速度变慢，保证电弧的熄灭和避免 _________________________________________________________________________________www.paper.edu.cn

发生重燃，从而有降低过电压水平，使瞬时性接地故障自动消除等优点。补偿电网在正常运行期间，为了限制中性点位移电 压的升高，要求非自动消弧线圈适当的偏离谐振点运行。否则，预调式的自动消弧线圈一般应加限压电阻，以利于电网的安 全运行。 2 系统建模和实现 2.1 输电线路模型和实现 架空输电线路的参数R、L、C是沿输电线路均匀分布的，一般不能当作集中参数元件处理，有些参数还是频率的函数。 研究短路和潮流时只需要工频正序、零序参数，它们可以从手册中查到或者用简单的公式推出[2]。 MATLAB6.5 里面的 SimPowerSystems（电力系统工具箱）提供了输电线路的两种数学模型，分别是集中参数π型和基 于 Bergeron's traveling wave method（贝杰龙的行波法）的分布参数模型。两种数学模型需要的序阻抗参数定义为 Z Z ⎧ ⎨ ⎩ 0 + = = Z Z s s + − Z 2 Z m m 式中， 和 分别为线路零序阻抗和正序阻抗。 0Z sZ 下图是工具箱中的两种数学模型对输电线路的仿真实现。虽然架空线路一般不能当作集中参数元件处理，但是当线路长 超过 300km时，可不考虑线路的分布参数特性，而只用将线路参数简单的集中起来的电路表示[6]，所以在本文中用图 2 度不 来模拟三相架空线路： 图 1 分布参数线路模型 图 2 型线路模型 图 3 三相串联 RLC 支路 π 图 4 接地点模型 2.2 本文中，还用到图 3 这种支路模型，来模拟三相电缆线路： 接地点的建模和实现 对接地点的建模，MATLAB 工 时刻通过 Breaker 模块内部参数 Switching times(转换时间)来整定，如下图所示。（注：图中的 R 模拟接地电阻） 具箱提供了专门的实现途径，接地点的位置通过接地模块与传输线的直接连接实现；接地 发生 2.3 系统集成后的模型 小电流接地系统是电力 传输网的中间环节，根据电网络分割理论和等效代换理论，可将小电流接地系统从整个网络中 分立 出来。为突出主要因素，将小电流接地系统的入端简化为无穷大容量的三相电压源。如母线中性点有消弧线圈接地的系 统，可将消弧线圈简化为电感和电阻，电感的数值可根据系统的接地电容电流和消弧线圈的补偿度计算得到(在下面的仿真 实例中采用过补偿 10％)。图 5 是对整个小电流接地系统在 MATLAB 仿真平台下的实现。 图 5 某小电流接地系统模型 中国科技论文在线_________________________________________________________________________________www.paper.edu.cn

3 仿真实例 本文利用 MATLAB 仿真工具箱对某一 10KV 配电网进行仿真。仿真该配电网发生单相接地故障时，在中性点各种接地 方式下系统的各相电压电流以及中性点电压的变化情况。 该电网中的变压器采用Three-phase Transformer(Two Windings)模型，变比取 38.5KV/10.5KV，为wye-wye连接方式。母 线带 4 条出线，这 4 条出线均是架空线路和电缆线路的混合线路。架空线路用π型线路模拟，电缆用集中电容表示。线路 参数如表一和表二所示。假定系统在 0～0.04 秒时系统三相对称运行，在 0.04 秒时传输线发生单相接地（假定是A相故障， 过渡电阻取为 2 欧姆）【3】。 表一：线路长度（单位：千米） 电缆线路 架空线路 线路 1 1.670 6.257 线路 2 0.967 13.13 线路 3 1.185 4.895 线路 4 2.530 9.438 表二：线路正序及零序参数一览表 L (0 R Ω (0 架空线路 电缆线路 km ) / 0.6 \ km ) mH / 4.15 \ / C µ kmF ) (0 5.2e-3 0.27 / km R Ω (1 ) 0.45 \ L (1 km ) mH / 1.19 \ / kmFC µ (1 ) 9.49e-3 \ 图 6 和图 7 是中性点不接地时的波形。 图 6 接地电阻电流和中性点电压波形 图 7 三相电压和三相电流波形 图 8 和图 9 是中性点经低电阻接地时的波形。 图 8 接地电阻电流和中性点电压波形 图 9 三相电压和三相电流波形 图 10 和图 11 是中性点经消弧线圈接地时的波形。 中国科技论文在线_________________________________________________________________________________www.paper.edu.cn

图 10 接地电阻电流和中性点电压波形 图 11 三相电压和三相电流波形 故障后 故障前 Ia 15.398 12.474 Ib 18.681 12.472 Ic 18.723 12.482 表三：经消弧线圈接地时 Ub Isum 1.7428 15.789 0.0108 1.0045 Ua 0.0015 1.0048 Uc 1.7464 1.0056 Ig 11.988 0.0082 Il 15.789 0.0108 U0 0.82104 0.00056 故障后 故障前 Ia 30.682 12.476 Ib 18.737 12.472 Ic 18.791 12.478 Ia 故障后 故障前 688.31 12.477 Ib 15.566 12.475 Ic 18.981 12.478 Isum 690.68 0.00823 表四：不接地时 Ub Ua 0.0034 1.7489 1.0049 1.0047 表五；经低电阻接地时 Ub 1.4412 1.005 Ua 0.0852 1.0048 Uc 1.7536 1.0052 Ig 27.156 0.0082 Ug 27.156 0.0082 U0 0.82719 0.00025 Uc 1.7339 1.005 Ig 688.59 0.0082 Ir 690.68 2.7585 U0 0.69075 8.2305e-6 注：表三到表五的数据均为最大值，其中电压为标么值，电流为有名值。Ia、Ib、Ic 和 Ua、Ub、Uc 分别为变压器二次侧各相电流和电压，Isum 为 三相电流之和，Ig 和 Ug 分别为流过接地电阻 R 的电流和电压，U0 为中性点电压，Il 为流过中性点所接消弧线圈的电流，Ir 为流过中性点所接小电 阻的电流。 从上面的波形及表三到表五可以看出，如果发生单相接地故障，中性点采用经低电阻接地方式时流过故障相的电流最大， 流过接地点的电流最大。而中性点采用经消弧线圈接地方式时，由于可形成一个与接地电流的大小接近相等但方向相反的电 感电流，它与电网的接地电容电流相互补偿，所以使得流过故障相的电流最小，流过接地点的电流最小，从而消除接地处的 电弧及其危害。 4.结论 配电网中性点接地方式是一个涉及电力系统各方面的综合性问题。本文对配电网中性点不接地、经消弧线圈和小电阻 接地三种接地方式进行了仿真比较。 MATLAB 仿真平台的出现，使电力系统工程师从繁琐的建模、编程中解放出来。它概念清晰，操作简单，有广阔的应 用拓展空间。通过对小电流接地系统的数值仿真研究，可以克服理论分析上的抽象性，帮助电力系统分析应用人员形象直观 地理解系统的运行特性。 随着电网的发展，加之接地继电保护选择性难题的攻克，中压电网中性点采用谐振接地(经消弧线圈接地)的优越性已 逐渐显示出来。而且自动跟踪补偿装置或自动调谐装置使消弧线圈的功能和应用又上了一个新台阶，这必将使谐振接地方式 成为中压电网中性点接地方式的发展方向。 参考文献 [1] 杜丁香，徐玉琴．配电网谐振接地方式的控制．电力自动化设备．2001，21（12）：54-56 [2] 程祥，李朝晖．变电站小电流接地数值仿真研究．水电能源科学．2001 年，第 19 卷（第 2 期）：48-50 [3] 杜丁香．自动补偿电网单相接地故障选线原理的研究．硕士学位论文．保定，华北电力大学．2002 中国科技论文在线_________________________________________________________________________________www.paper.edu.cn

[4] 要焕年，曹梅月．电力系统谐振接地．北京：中国电力出版社．2000 [5] 曾文慧．10KV 中压电网中性点谐振接地方式．四川电力技术．2002（5）：38-40 [6] 陈珩．电力系统稳态分析．北京：中国电力出版社．1995 作者简介： 陈亚（1979-），女，河北保定人，汉族，硕士研究生，研究方向为电力系统分析、运行与控制。 E-mail：cyncepu@163.com 中国科技论文在线_________________________________________________________________________________www.paper.edu.cn