配电网故障模型的建立与仿真

【摘要】配电网是电力系统组成的关键部分之一，但由于电力系统复杂，且在高压环境下运行，直接现场试验采集数据，会造成费用高，危险大，所以电力系统一般禁止进行接地试验的测试，导致很难得到大量的接地故障原始数据，为此我们需要的数据只能通过数字仿真模型来获得，利用电网的等效替换搭建模型，尽可能的使模型更合理。本文主要是建立在小电流接地系统单相接地故障理论分析基础上，搭建系统模型并进行仿真。

【关键词】配电网 故障模型 系统仿真

目前，在电力系统研究中，EMTP/ATP是用于电力系统电磁暂态分析的仿真软件，它包含的元件齐全、分析功能多及运算精度高等特点，是目前应用最为广泛的电力仿真软件。本文建立配电网故障系统模型所用软件选择为EMTP/ATP。该软件可以利用微分中的梯度原理仿真电力系统中随时间函数变化而变化的相关参数，处理系统器件的时域问题的，方便分析系统复杂的单相接地故障特性。

一、配电网故障分析

（一）稳态分析

中性点经消弧线圈接地系统（NES）发生单相非金属性接地时，零序等值电路是一并联谐振电路，如图1-1所示，可以求得中性点电压 和故障接地电流：

当系统有N条支路时，第N条线路A相发生故障，则

即流过故障接地处的故障电流等于整个系统所有健全相对地电容电流与流过中性点消弧线圈的电感电流之和，也可简化为 。

（二）暂态过程分析

当发生单相接地故障时，系统会从正常的稳定工作状态急剧向另一稳定状态过渡，这一过程即暂态过程，使健全线路产生高频震荡电压，且振荡回路中电流速度增大，是稳态电流的好多倍，会影响对继电保护及设备。

为方便分析单相接地的暂态过程，我们可以利用其等效电路进行详细分析，电路图1-2如下所示， 图中R0、L0、C0分别是零序等值电路中对应的等值电阻、电感、电容；rL、L分别是消弧线圈的电阻、电感。因为系统在发生单相接地瞬间，自由振荡频率会很高，且L>>L0，故在实际分析中把L和rL忽略并不影响暂态电容电流的分析计算，则分析暂态电容电流时，过渡等效电路成为在零序电压 作用下的一个R0、L0、C0串联回路。根据《电路基础理论》的分析可知，此时主电路分布参数R0、L0、C0的关系决定了故障点电流的变化形式：当 ，过渡电流呈非周期衰减且趋于稳态值；当 ，则电流具有衰减的周期特性。

图2 故障暂态过程的零序等效网络

（1）暂态电容电流。在不计消弧线圈L0的情况下，列等值电路回路方程式：

（1-2）

一般情况下，故障点与地间的接地电阻较小，而故障是的弧道比较小，所以会满足的 条件，则暂态电容电流具有衰减周期特性，其式（1-2）的方程特征根为：

（1-3）

式中， ，是自由振荡分量的衰减系数； 是回路时间常数； 是暂态自由分量的角频率。

（2）暂态电感电流。在不忽略消弧线圈作用的情况下，根据非线性电路理论可列出方程式：

（1-5）

式中，n是消弧线圈对应接入系统的匝数； 是消弧线圈的磁通量。根据线圈工作在补偿电流范围内时，其磁性曲线呈线性关系，则有 ，代入式1-5求得：

（1-6）

由上述分析得，暂态电感电流幅值远小于暂态电容电流，而且衰减也比暂态电容慢许多。所以可以这样理解：在谐振接地系统中，在暂态过程时，消弧线圈的暂态电流相对较小，不足以对暂态电容电流进行有效地补偿；消弧线圈主要是对稳态过程起到补偿作用，所以小电流接地系统暂态过程分析基本不受中性点运行方式的影响。

二、结论

通过模拟配电网中经固定电阻故障，从仿真模型得到的波形及其数据可以证明所搭建模型是合乎理论要求，为选线方法研究的后续工作打下夯实基础，提供大量数据支持。

参考文献：

[1]赵青青，刘沛，林湘宁等. 基于综合判据的小电流接地选线装置研制[J].电力自动化设备，2006，（5）.

[2]徒有锋，何俊佳，周志成等.基于零序功率及谐波相位综合法的小电流接地系统微机选线装置，高压电器，2006，（3）：190-193.