基于PSCAD/EMTDC的電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式研究

摘要：電力系統(tǒng)中性點(diǎn)的運(yùn)行方式涉及系統(tǒng)的電壓等級、電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、絕緣水平、通信干擾、接地保護(hù)方式和保護(hù)整定等許多方面，是一個(gè)綜合性的復(fù)雜問題。目前，對電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式的選擇，多基于以往運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。本文利用PSCAD/EMTDC軟件建立了電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)運(yùn)行方式的仿真模型，模擬了各種運(yùn)行方式下，線路上發(fā)生單相接地故障時(shí)，電氣參數(shù)的變化情況，并綜合考慮系統(tǒng)可靠性、絕緣水平和繼電保護(hù)的要求，確定了各種運(yùn)行方式的適用范圍。文中所建模型及結(jié)論對于分析高階、非線性的電力系統(tǒng)暫態(tài)過程具有借鑒意義。

敘詞：PSCAD/EMTDC 電力系統(tǒng) 中性點(diǎn)接地消弧線圈

Abstract：Neutral point grounding which is related to voltage level, network structure, insulation, communication and relay protection is very important problem to power system. Nowadays, the choice of neutral point grounding mode mainly relies on operation experiences or theoretical analysis which could not give a direct view of the dynamics of electric power system during disturbances. Therefore, this paper has established the simulation model of electric power system neutral point grounding with PSCAD/EMTDC to show the dynamics of neutral point grounding when disturbed by single-phase grounding in transmission lines, and the application of each neutral point grounding mode has been analyzed according to simulation results. The dynamic model of neutral point grounding in this paper is meaningful to the analysis of high-order, non-linear transients of power system as well.

Keyword：PSCAD/EMTDC, Power system, Neutral point grounding, arc suppression

1 引言

電力系統(tǒng)的工作接地又稱中性點(diǎn)接地，是指星形連接的變壓器或發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)的運(yùn)行方式。我國電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)運(yùn)行方式主要有三種：中性點(diǎn)不接地、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地和中性點(diǎn)直接接地。電力系統(tǒng)中性點(diǎn)的運(yùn)行方式涉及系統(tǒng)的電壓等級、電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、絕緣水平、通信干擾、接地保護(hù)方式和保護(hù)整定等許多方面，是一個(gè)綜合性的復(fù)雜問題[1-2]。文獻(xiàn)[3]研究了220kV不接地變壓器中性點(diǎn)的絕緣保護(hù)，文獻(xiàn)[4]簡單總結(jié)了中國中性點(diǎn)接地的主要工作方式，文獻(xiàn)[5-6]分別研究了中國順義地區(qū)上海石南地區(qū)系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式選擇，文獻(xiàn)[7]研究了中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地發(fā)生接地故障的分析，文獻(xiàn)[8]則研究了中壓系統(tǒng)的高電阻接地方式。

但是，這些分析，往往局限于理論上面的分析或者必須拿到實(shí)際運(yùn)行的測試結(jié)果，才能夠進(jìn)行分析評價(jià)。而在選擇接地方式時(shí)，往往采用的是經(jīng)驗(yàn)做法，而不能夠在選擇接地方式之前，對電力系統(tǒng)可能遇到的問題進(jìn)行提前的分析。所以，在電力系統(tǒng)的研究中，應(yīng)用仿真軟件，首先建立電力系統(tǒng)模型，然后，利用仿真工具模擬實(shí)際電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況，才能避免上述問題。

EMTDC ( Electronic Magnetic Transient in DC System ) [9-12]是目前世界上被廣泛使用的一種電力系統(tǒng)分析軟件，能夠進(jìn)行電力系統(tǒng)時(shí)域和頻域計(jì)算仿真。PSCAD是EMTDC的前端圖形化操作界面，利用軟件提供的元件模型庫，用戶可以建立適用不同系統(tǒng)的精確模型。

鑒于上述原因，本文利用PSCAD/EMTDC軟件建立了電力系統(tǒng)中性點(diǎn)運(yùn)行方式的仿真模型，模擬了在各種運(yùn)行方式下，線路上發(fā)生單相接地故障時(shí)，電氣參數(shù)的變化情況，并綜合考慮系統(tǒng)可靠性、絕緣水平和繼電保護(hù)的要求，確定了各種運(yùn)行方式的適用范圍。

2 電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式

2.1 仿真模型

圖2所示為在PSCAD/EMTDC軟件平臺上搭建的中性點(diǎn)不接地的電力系統(tǒng)模型，變壓器變比為13.8/35kV，采用△-Y形接法。為方便討論，假設(shè)A、B、C三相系統(tǒng)的電壓、負(fù)荷和線路參數(shù)都是對稱的，經(jīng)過完全換位后每相導(dǎo)線的對地電容相等，均為0.1μF，用集中電容來表示，負(fù)荷采用恒定電阻模型。中性點(diǎn)其它兩種運(yùn)行方式下，系統(tǒng)的參數(shù)與該部分模型的參數(shù)相同。

圖1電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式

仿真的目的在于模擬0.25s~0.3s時(shí)刻，K點(diǎn)發(fā)生A相單相接地故障前后電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況，觀察中性點(diǎn)電壓變化、各相電壓變化，及接地點(diǎn)通過的電流，從供電可靠性、內(nèi)部過電壓、對通信線路的干擾、繼電保護(hù)以及確保人身安全諸方面綜合考慮，該工作方式的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。

2. 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

假設(shè)A相發(fā)生金屬性接地。K點(diǎn)發(fā)生單相接地故障前后，中性點(diǎn)電壓、各相電壓及接地點(diǎn)通過的電流的變化情況如圖2所示。

圖2 K點(diǎn)發(fā)生單相接地故障前后電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況—中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式

根據(jù)圖2，K點(diǎn)發(fā)生單相接地故障前，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)由于三相電壓是對稱的，所以三相導(dǎo)線的對地電容電流也是對稱的，三相電容電流相量之和為零，地線中沒有電容電流通過，中性點(diǎn)的電壓為零。K點(diǎn)發(fā)生單相接地故障后，接地故障相對地電壓降低為零;中性點(diǎn)對地電壓升為相電壓;非接地故障相電壓升高為線電壓;相間電壓不變，三相系統(tǒng)仍然對稱;接地點(diǎn)流過的電容電流(0.0064kA)是正常每相對地電容電流(0.0021 kA)的3倍，其值比較小。

因此，對于電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式，設(shè)備的絕緣水平必須按線電壓設(shè)計(jì)(35kV及以下)，絕緣投資增加。單相接地故障前后三相系統(tǒng)仍然對稱，所以系統(tǒng)可以繼續(xù)運(yùn)行2h，提高了供電可靠性;接地點(diǎn)流過的電流為電容電流，其值比較小，但是，容易形成弧光過電壓，危及整個(gè)電網(wǎng)的絕緣安全。

綜合考慮這種接地方式對系統(tǒng)可靠性、絕緣水平和繼電保護(hù)的要求，中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式主要適用于：電壓等級為(3-6)kV且接地電容電流小于 30A的電力網(wǎng)，或電壓等級為10kV且接地電容電流小于20A的電力網(wǎng)和電壓等級為(35-60)kV且接地電容電流小于10A的電力網(wǎng)。

值得注意的是，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果中故障電流有一個(gè)瞬間的幅值很高的波動，原因在于變壓器和發(fā)電機(jī)自身存在的電感和架空線路對地電容都是儲能元件，受電磁暫態(tài)過程的影響，故障瞬間電流幅值將迅速升高。但是，《電力工程基礎(chǔ)》教材中討論的都是穩(wěn)態(tài)參數(shù)，也就是暫態(tài)過程中出現(xiàn)的直流分量已經(jīng)衰減完畢之后的值。中性點(diǎn)的其它兩種運(yùn)行方式下，故障電流的變化規(guī)律均受到電容和電感元件電磁暫態(tài)的影響，將在電力系統(tǒng)暫態(tài)分析部分進(jìn)行詳細(xì)講解，本文不予贅述。

3電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的運(yùn)行方式

3.1仿真模型

如前所述，中性點(diǎn)不接地電力系統(tǒng)具有發(fā)生單相接地故障時(shí)仍可繼續(xù)供電的優(yōu)點(diǎn)。但在單相接地電流較大時(shí)在接地點(diǎn)有電弧，會損壞設(shè)備并導(dǎo)致兩相甚至三相短路;還容易形成弧光過電壓，危及整個(gè)電網(wǎng)的絕緣。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，出現(xiàn)了經(jīng)消弧線圈接地的電力系統(tǒng)。圖3所示為在PSCAD/EMTDC軟件平臺上搭建的經(jīng)消弧線圈接地的電力系統(tǒng)模型，消弧線圈的電抗為20H。

圖3電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地運(yùn)行方式

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

假設(shè)A相發(fā)生金屬性接地。K點(diǎn)發(fā)生單相接地故障前后，中性點(diǎn)電壓、各相電壓及接地點(diǎn)通過的電流的變化情況如圖4所示。

圖4 K點(diǎn)發(fā)生單相接地故障前后電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況—中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地運(yùn)行方式

根據(jù)圖4，故障前相對地電容電流不變，波動幅值為0.02kA。K點(diǎn)發(fā)生單相接地故障時(shí)，消弧線圈中流過感性電流，相位和容性電流相反，使接地電流的波動幅值大大減小，為0.006kA。所以，消弧線圈的接入有利于消除電容電流的電弧影響。但由于接地電流較小，受到繼電保護(hù)靈敏度的約束，不能用于高電壓等級的電力網(wǎng)。因此，我國規(guī)定，(3-6)kV電力網(wǎng)且電容電流大于30A、10kV電力網(wǎng)且電容電流大于20A和(35-60)kV電力網(wǎng)且電容電流大于10A時(shí)，電力系統(tǒng)中性點(diǎn)應(yīng)裝設(shè)消弧線圈。

4電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)直接接地的運(yùn)行方式

4.1仿真模型

中性點(diǎn)直接接地的運(yùn)行方式，是指將Y形接法的發(fā)電機(jī)或變壓器的中性點(diǎn)通過導(dǎo)線直接和大地連接。圖5所示為在PSCAD/EMTDC軟件平臺上搭建的中性點(diǎn)直接接地的電力系統(tǒng)模型。

圖5電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)直接接地運(yùn)行方式

4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

假設(shè)A相發(fā)生金屬性接地。K點(diǎn)發(fā)生單相接地故障前后，中性點(diǎn)電壓、各相電壓及接地點(diǎn)通過的電流的變化情況如圖6所示。

圖6 K點(diǎn)發(fā)生單相接地故障前后電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況—中性點(diǎn)直接接地運(yùn)行方式

如果K點(diǎn)的A相發(fā)生單相接地故障，則中性點(diǎn)與接地極構(gòu)成單相接地短路回路，線路上將流過很大的單相短路電流，這是中性點(diǎn)直接接地方式與中性點(diǎn)不接地方式的最根本區(qū)別所在。相電壓幾乎不變，不產(chǎn)生過電壓，設(shè)備絕緣水平低20%，造價(jià)低，節(jié)省了投資。因此，綜合考慮系統(tǒng)可靠性、絕緣水平和繼電保護(hù)的要求，中性點(diǎn)直接接地運(yùn)行方式主要適用于：110kV及以上的電力系統(tǒng)和380/220V的電力系統(tǒng)。

5 結(jié)論和展望

本文利用PSCAD/EMTDC軟件建立了簡單電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)運(yùn)行方式的仿真模型，模擬了在各種運(yùn)行方式下線路上發(fā)生單相接地故障時(shí)，電氣參數(shù)的變化情況，并綜合考慮系統(tǒng)可靠性、絕緣水平和繼電保護(hù)的要求，確定了各種運(yùn)行方式的適用范圍。

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作者簡介

梁越明(1965-)，男，電氣工程師，安徽省化工設(shè)計(jì)院。

錢玉娟(1964-)，女，工程師，安徽省淮南市供電公司電力規(guī)劃設(shè)計(jì)院。

韓平平(1981-)，女，博士，講師，合肥工業(yè)大學(xué)?！?/p>