基于PSCAD/EMTDC的电力系统中性点接地方式研究 系统, 可靠性

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摘要：电力系统中性点的运行方式涉及系统的电压等级、电力网络结构、绝缘水平、通信干扰、接地保护方式和保护整定等许多方面，是一个综合性的复杂问题。目前，对电力系统的中性点接地方式的选择，多基于以往运行经验。本文利用PSCAD/EMTDC软件建立了电力系统的中性点运行方式的仿真模型，模拟了各种运行方式下，线路上发生单相接地故障时，电气参数的变化情况，并综合考虑系统可靠性、绝缘水平和继电保护的要求，确定了各种运行方式的适用范围。文中所建模型及结论对于分析高阶、非线性的电力系统暂态过程具有借鉴意义。
叙词：PSCAD/EMTDC 电力系统 中性点接地消弧线圈
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
电力系统的工作接地又称中性点接地，是指星形连接的变压器或发电机的中性点的运行方式。我国电力系统的中性点运行方式主要有三种：中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点直接接地。电力系统中性点的运行方式涉及系统的电压等级、电力网络结构、绝缘水平、通信干扰、接地保护方式和保护整定等许多方面，是一个综合性的复杂问题[1-2]。文献[3]研究了220kV不接地变压器中性点的绝缘保护，文献[4]简单总结了中国中性点接地的主要工作方式，文献[5-6]分别研究了中国顺义地区上海石南地区系统的中性点接地方式选择，文献[7]研究了中性点经消弧线圈接地发生接地故障的分析，文献[8]则研究了中压系统的高电阻接地方式。
但是，这些分析，往往局限于理论上面的分析或者必须拿到实际运行的测试结果，才能够进行分析评价。而在选择接地方式时，往往采用的是经验做法，而不能够在选择接地方式之前，对电力系统可能遇到的问题进行提前的分析。所以，在电力系统的研究中，应用仿真软件，首先建立电力系统模型，然后，利用仿真工具模拟实际电力系统的运行情况，才能避免上述问题。
EMTDC ( Electronic Magnetic Transient in DC System ) [9-12]是目前世界上被广泛使用的一种电力系统分析软件，能够进行电力系统时域和频域计算仿真。PSCAD是EMTDC的前端图形化操作界面，利用软件提供的元件模型库，用户可以建立适用不同系统的精确模型。
鉴于上述原因，本文利用PSCAD/EMTDC软件建立了电力系统中性点运行方式的仿真模型，模拟了在各种运行方式下，线路上发生单相接地故障时，电气参数的变化情况，并综合考虑系统可靠性、绝缘水平和继电保护的要求，确定了各种运行方式的适用范围。
2 电力系统的中性点不接地运行方式
2.1 仿真模型
图2所示为在PSCAD/EMTDC软件平台上搭建的中性点不接地的电力系统模型，变压器变比为13.8/35kV，采用△-Y形接法。为方便讨论，假设A、B、C三相系统的电压、负荷和线路参数都是对称的，经过完全换位后每相导线的对地电容相等，均为0.1μF，用集中电容来表示，负荷采用恒定电阻模型。中性点其它两种运行方式下，系统的参数与该部分模型的参数相同。

图1电力系统的中性点不接地运行方式

仿真的目的在于模拟0.25s~0.3s时刻，K点发生A相单相接地故障前后电力系统的运行情况，观察中性点电压变化、各相电压变化，及接地点通过的电流，从供电可靠性、内部过电压、对通信线路的干扰、继电保护以及确保人身安全诸方面综合考虑，该工作方式的特点和应用范围。
2. 2 实验结果
假设A相发生金属性接地。K点发生单相接地故障前后，中性点电压、各相电压及接地点通过的电流的变化情况如图2所示。

图2 K点发生单相接地故障前后电力系统的运行情况—中性点不接地运行方式

根据图2，K点发生单相接地故障前，系统正常运行时由于三相电压是对称的，所以三相导线的对地电容电流也是对称的，三相电容电流相量之和为零，地线中没有电容电流通过，中性点的电压为零。K点发生单相接地故障后，接地故障相对地电压降低为零;中性点对地电压升为相电压;非接地故障相电压升高为线电压;相间电压不变，三相系统仍然对称;接地点流过的电容电流(0.0064kA)是正常每相对地电容电流(0.0021 kA)的3倍，其值比较小。
因此，对于电力系统的中性点不接地运行方式，设备的绝缘水平必须按线电压设计(35kV及以下)，绝缘投资增加。单相接地故障前后三相系统仍然对称，所以系统可以继续运行2h，提高了供电可靠性;接地点流过的电流为电容电流，其值比较小，但是，容易形成弧光过电压，危及整个电网的绝缘安全。综合考虑这种接地方式对系统可靠性、绝缘水平和继电保护的要求，中性点不接地运行方式主要适用于：电压等级为(3-6)kV且接地电容电流小于 30A的电力网，或电压等级为10kV且接地电容电流小于20A的电力网和电压等级为(35-60)kV且接地电容电流小于10A的电力网。
值得注意的是，该实验结果中故障电流有一个瞬间的幅值很高的波动，原因在于变压器和发电机自身存在的电感和架空线路对地电容都是储能元件，受电磁暂态过程的影响，故障瞬间电流幅值将迅速升高。但是，《电力工程基础》教材中讨论的都是稳态参数，也就是暂态过程中出现的直流分量已经衰减完毕之后的值。中性点的其它两种运行方式下，故障电流的变化规律均受到电容和电感元件电磁暂态的影响，将在电力系统暂态分析部分进行详细讲解，本文不予赘述。
3电力系统的中性点经消弧线圈接地的运行方式
3.1仿真模型
如前所述，中性点不接地电力系统具有发生单相接地故障时仍可继续供电的优点。但在单相接地电流较大时在接地点有电弧，会损坏设备并导致两相甚至三相短路;还容易形成弧光过电压，危及整个电网的绝缘。为了克服这个缺点，出现了经消弧线圈接地的电力系统。图3所示为在PSCAD/EMTDC软件平台上搭建的经消弧线圈接地的电力系统模型，消弧线圈的电抗为20H。

图3电力系统的中性点经消弧线圈接地运行方式

3.2实验结果
假设A相发生金属性接地。K点发生单相接地故障前后，中性点电压、各相电压及接地点通过的电流的变化情况如图4所示。

图4 K点发生单相接地故障前后电力系统的运行情况—中性点经消弧线圈接地运行方式

根据图4，故障前相对地电容电流不变，波动幅值为0.02kA。K点发生单相接地故障时，消弧线圈中流过感性电流，相位和容性电流相反，使接地电流的波动幅值大大减小，为0.006kA。所以，消弧线圈的接入有利于消除电容电流的电弧影响。但由于接地电流较小，受到继电保护灵敏度的约束，不能用于高电压等级的电力网。因此，我国规定，(3-6)kV电力网且电容电流大于30A、10kV电力网且电容电流大于20A和(35-60)kV电力网且电容电流大于10A时，电力系统中性点应装设消弧线圈。
4电力系统的中性点直接接地的运行方式
4.1仿真模型
中性点直接接地的运行方式，是指将Y形接法的发电机或变压器的中性点通过导线直接和大地连接。图5所示为在PSCAD/EMTDC软件平台上搭建的中性点直接接地的电力系统模型。

图5电力系统的中性点直接接地运行方式

4.2实验结果
假设A相发生金属性接地。K点发生单相接地故障前后，中性点电压、各相电压及接地点通过的电流的变化情况如图6所示。

图6 K点发生单相接地故障前后电力系统的运行情况—中性点直接接地运行方式

如果K点的A相发生单相接地故障，则中性点与接地极构成单相接地短路回路，线路上将流过很大的单相短路电流，这是中性点直接接地方式与中性点不接地方式的最根本区别所在。相电压几乎不变，不产生过电压，设备绝缘水平低20%，造价低，节省了投资。因此，综合考虑系统可靠性、绝缘水平和继电保护的要求，中性点直接接地运行方式主要适用于：110kV及以上的电力系统和380/220V的电力系统。
5 结论和展望
本文利用PSCAD/EMTDC软件建立了简单电力系统的中性点运行方式的仿真模型，模拟了在各种运行方式下线路上发生单相接地故障时，电气参数的变化情况，并综合考虑系统可靠性、绝缘水平和继电保护的要求，确定了各种运行方式的适用范围。

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