新能源电站小电流接地系统故障分析与仿真

窦 晴，田 斐

（南阳理工学院 智能制造学院，河南 南阳 473004）

0 引 言

我国新能源电站的建立有利于产生更多的电能。但如何保证安全可靠地供电，是一直以来人们都需要考虑的问题。研究新能源电站的小电流接地系统的系统故障，能降低故障发生时带来的危害，对我国新能源电站小电流接地系统的发展来说具有一定的意义。

为了有效减少因系统产生的电弧对电网造成的危害，确保系统出现单相接地故障时保护装置能够及时动作，可以在新能源电站的小电流接地系统中采用接地变压器经小电阻接地的方式，并且配备零序电流。文中运用MATLAB仿真软件对这种接地方式在发生单相接地故障时的现象进行仿真分析，通过观察故障发生前后以及故障发生一段时间内波形图的变化，总结规律，从而得出结论。

1 经小电阻接地系统与经消弧线圈接地系统

1.1 经消弧线圈接地系统

在中性点未设置消弧线圈发生系统接地故障时，由于导线与地之间有电容的连接，导致接地相电流为容性电流。电流随着电网的延伸而不断变大，完全有可能引起接地点的电弧不易熄灭从而导致弧光过电压，以至于对电网造成危害，发生重大的系统事故，影响电网安全运行。在中性点与地之间设置消弧线圈后，当发生单相接地故障时，由于中性点经消弧线圈接地将构成另一个回路，从而可以减小接地点的短路电流，使得产生的电弧易于自行熄灭，提高了系统供电的可靠性。但随着输电线路的不断增多，经消弧线圈接地的方式所出现的不足之处也在不断的被放大，具体情况如下。

随着用电需求的增多、输电线路的增长以及城市电缆线路使用的增多导致电容电流不断地增大，非故障相电压不断地升高。如果此时的消弧线圈容量不够大就不能够满足接地需求，这就使得所需要的消弧线圈容量不断增大，但会需要更多的花费，不满足电力系统经济性的要求[1]。同时，电压的升高会引起过电压从而影响电气设备的绝缘，甚至会在设备绝缘薄弱处造成击穿，严重的情况下单相故障会发展成为相间故障更难保障供电的可靠性。

发生单相接地故障时，消弧线圈中的感性电流尽管能够在一定程度上补偿容性电流，使对地电流得以减小，但该系统不利于发现哪一相是故障相，保护装置动作情况复杂，不利于保护装置及时发现故障并动作。若工作人员采用手动进行故障的切除，将会影响电网供电的连续性[2]。

电力系统发生接地故障时电流中出现零序分量。零序电流流经故障元件与非故障元件时的方向一致，都是由母线流向元件，因此无法利用零序电流与零序方向区分故障元件与非故障元件，故该系统不能应用零序电流保护和零序功率方向保护。

1.2 经小电阻接地系统

将小电阻接到接地变压器的中性点，从而形成的经小电阻接地系统替代经消弧线圈接地系统，不仅有利于抑制系统发生过电压和绝缘现象，而且也易于发现故障点。应用零序电流有利于继电保护装置的动作。

当单相接地故障发生在小电流接地系统时，因为对地电容电流的增大，电弧假如不能可靠的熄灭，就会由于电弧间歇性的熄灭与重燃，造成弧光过电压，使得电气设备的绝缘性能受到破坏导致电气设备无法正常运转，也可能会引起相间短路和铁磁谐振过电压[3]。接地变压器的出现就是为了减少这些状况的出现，并可以提供足够的零序电流和零序电压。

接地变压器采用Z型接线方式（或称曲折型接线方式），可以细为ZNyn11接线方式和ZNyn1接线方式。与其他变压器相比较，Z型接线的好处是零序磁通能够流经磁柱，接地变压器的一次侧铁芯柱上的每一相线圈均分为两个匝数相等的线圈反向连接在一起，而一般的变压器的零序磁通为漏磁通。电磁特性是接地变压器的一种特性，绕阻在经过正序、负序电流时为高阻抗，在经过零序电流时为低阻抗。接地变压器在系统正常运行的情况下相当于空载，不起作用，但当发生系统接地故障时，只是在很短的时间内起作用，通常认为是故障发生到保护装置动作这一时间段，接地变压器流经零序电流，短时间内过载。

电阻是高耗能元件，电阻的阻尼作用可以有效地抑制谐振过电压（铁磁、高频、分频谐振等）和弧光过电压，而且当电弧被熄灭时，所残留的零序电荷的能量能够经电阻释放到大地，就算电弧再次燃烧，也不会产生更大的电压[4]。过电压的抑制使电气设备的绝缘性不被严重破坏，不至于将单相接地故障变为相间短路。当发生单相接地故障时，经接地变压器经小电阻接地系统能够配备零序电流保护，保护装置可快速动作，提高电网供电的可靠性。

2 结果分析

Simulink是基于MATLAB的图形化仿真设计环境，拥有大量的模块库，可以从中选择仿真模型图所需要的模块。本文分别将单相接地故障设置在母线与30 Ω线路阻抗处，对照分析仿真结果。

2.1 小电流接地系统故障仿真

电力系统分析计算时，选择fN=50 Hz，SN=100 MVA，UN=35 kV。三相电源的线电压有效值设为36.75 kV，接地变压器的零序阻抗设为0 Ω，接地电阻Rg设为100 Ω。以A相发生故障为例，故障发生的时间设置为0.05～0.15 s，仿真模型如图1所示[5]。

图1 仿真模型图

单相接地发生在母线处的仿真波形如图2所示。从仿真波形图中能够发现，在0.05～0.15 s发生A相接地故障时，其中图2（a）、图2（b）两幅仿真波形图可以看出故障前后波形是相同的，在发生故障的一段时间内波形与故障前后的波形发生了变化。

对图2中3幅波形图进行分析，具体如下。

图2 仿真波形图

图（a）为母线处三相电流波形图，从图中能够得出故障前A、B、C三相电流大小为IA=IB=IC=0 A，在0.05 s发生单相接地故障时三相中故障相A相出现短路电流，大小为IA=300 ，直至0.15 s故障消失，A相电流恢复到IA=0 A，非故障相B、C相中没有短路电流的出现，电流大小一直为IB=IC=0 A。图（b）为三相电压波形图，从图中能够得出故障前后三相电压成正弦波变化，在0.05～0.15 s发生单相接地故障的一段时间内故障相A相电压降低为UA=0 V，非故障相B、C相电压升高为原先的倍，即升高为线电压。图（c）为母线线电压波形图，从图中可以看出在故障前后线电压不变，线电压保持对称。

2.2 单相接地故障点在线路阻抗处

当单相接地故障点发生在线路阻抗为30 Ω处时，仍以A相故障为例，仿真波形如图3所示。

图3中单相接地故障发生的时间仍然是0.05～0.15 s，故障相也仍是A相。其中，图3（a）和图3（b）两幅仿真波形图故障前后波形变化仍是相同的，仍只是在故障发生的一段时间内波形与故障前后的波形发生了变化，图3（c）中的仿真波形无论是故障发生还是不发生波形都没有变化，母线线电压仍是对称的。

图3 仿真波形图

比较图2与图3的3幅仿真波形图可以发现，图3（a）图中的故障相A相的短路电流值小于图2（a）图中的故障相A相的短路电流值，图3（b）图中的故障相A相的电压值仍是有所降低，但不再为UA=0 V，而是大于图2（b）图中的故障相A相的电压值，图3（c）与图2（c）是相同的。

通过波形图的比较可以得出如下结论。在新能源电站中，采用经小电阻接地方式的小电流接地系统发生单相接地故障时，故障点离母线处越近，故障相的短路电流越大，在母线处达到最大，故障相的电压越小，在母线处时达到最小，其值为0 V。

3 结 论

依据观察波形可以知道，在经小电阻接地的小电流接地系统中，根据电流大小和电压大小的不同，就可以发现故障发生在哪里，以及是哪一相发生的故障，因而继电保护装置能够快速确认故障的位置，以至于快速切除系统的故障。

接地变压器经小电阻接地系统在发生单相接地故障时会产生零序电流。可利用零序电流保护作为系统线路的主保护及后备保护，及时切除故障，不至于使故障持续的时间过久。