矿区供电系统单相接地故障的保护设计

刘伟

榆林神华能源有限公司青龙寺煤矿分公司 陕西 榆林 神木 719300

摘要：对于小电流接地系统，不同的选线方法在中性点不同的运行方式下，不同的故障类型中有着各自不同的优缺点和局限性。利用MATLAB的Simulink的仿真环境，搭建矿区供电系统的仿真模型，并得到单相接地故障下的母线电压电流波形、各线路零序电流波形，从而分析总结它们的波形特征，为选取合理的综合判据提供理论依据和仿真平台。

关键词：矿区供电系统 故障选线算法 仿真与设计

1目的及意义

矿区作为人类所需能源的供应地，特别是煤矿井下环境恶劣，如果线路发生故障将会带来不可估量的灾难。

而供电系统作为矿区安全的重点之一，尤其是6 kV地面变电站及其电缆出线。由于矿区供电线路较长且绝缘薄弱，单相接地故障长时存在容易导致两相或多相短路故障的发生，所以应该尽快找出故障线路，并尽早排除故障。因此，探讨矿区电网的单相接地故障并进行故障选线、保护设计具有重要的现实意义。本文就是通过MATLAB软件模拟矿区供电系统运行进而研究其单相接地故障的。

2仿真模型的建立与参数设置

矿区供电系统的仿真模型如图3-1所示，简化的模拟矿井供电系统井下中央变电所对3个采区负荷供电。主变压器二次侧电压为6kV，频率为50Hz，主变容量为：100MVA，铁芯损耗取0.2%。供电系统中，进线电缆长300m，3个采区负荷相当于3条回线，线路1到线路3的长度分别是：700m、800m、900m，正序电阻、电感、电容参数分别为0.0127 、 、 ；零序电阻、电感、电容参数分别为： 、 、 。采区电压即负荷电压经变压器为660V。为了方便取得母线电压、电流的波形，在母线始端配置了测量单元；并在故障线、健全线和母线线路上都设置了零序电流采集装置，Continuous为用户界面分析模块，Three-Phase-Fault模块设置了A相发生单相接地故障，发生故障时间在0.02秒。

图3-1矿区供电系统单相接地故障仿真模型图

3中性点不接地系统的故障选线方法设计

3.1零序基波电流比幅法算法设计

根据单相接地故障时的稳态故障信号，即母线电压波形、母线零序电流波形以及各线路零序电流波形，首先采用母线电压的变化选取故障相，然后采用零序基波电流比幅法进行选线。

（1）选取故障相

当发生单相接地故障时，母线故障相电压变为零，非故障相电压升高 倍。很据这一特征，在MATLAB中编写比幅法程序

计算母线电压周期内的有效值进行比较，系统模型的仿真时间为0.1秒，在0.02秒发生单相接地故障，共采取5000个点，每个周期为1000个点，这样，第3.1节所说的N=1000。在程序中，是从第1个点开始的第一个周期计算有效值，此后每采取200个点，就计算一次该周期内的有效值，其基本步骤为：

a.设置变量，相电压幅值 、额定电流 以及周期T、 、N；

b.读取工作空间simoutV中p列的数据（p=1，2,3）即A、B、C三相电压的数据；

c.从第1个点开始，此后每隔200个点计算一次该周期内的有效值；

d.计算每个周期内的有效值时，利用梯形法则求得 ，即先求得每个数据的 、 ，在根据式3.9和3.10求和得到 ，所以 ；

e.利用U的大小进行判断故障相：

1）若 ,则 时刻A相是故障相；

2）若 ,则 时刻B相是故障相；

3）若 ,则 时刻C相是故障相；

(其中， )

4. 否则，系统没有发生故障相。

3.2零序基波电流比幅法算法设计

根据前面分析的矿区供电系统单相接地故障的稳态故障特征，若要用比相法进行故障选线，就必须先计算各个变量在周期内的相角，同样，在计算相角时，本文也是利用傅里叶级数算法实现的，即式3-8中计算实现。

（1）选取故障相

当发生单相接地故障时，用比相法选取故障相时，与比幅法是一样的，也是通过计算母线电压有效值进行判断的，其流程图与图3-9、3-10是一样的。而在选取线路时，考虑的数据不一样。

（2）选取故障线路

当发生单相接地故障时，故障线零序电流的方向与非故障线零序电流的方向相反，通过求取各线路零序电流相角进行仿真实验。在MATLAB中编写傅里叶算法程序实现求取相角（见附录2），其具体计算相角的方法与比相法求取有效值的过程是一样的。只不过在计算有效值时是通过 计算的，而在求取相角时是通过 计算得到的。在利用比相法判断故障线路的流程图如3-11所示，其步骤为：

a.利用傅里叶算法计算个零序电流周期内的相角；

b.比较相角进行判断故障线路：

1）若 的差值相差170，即可视为 的方向相反，则 时刻母线是故障线路；

2）若 的差值相差170，即可视为

的方向相反，则 时刻线路1是故障线路；

3）若 的差值相差170，即可视为 的方向相反，则 时刻线路2是故障线路；

4）若 的差值相差170，即可视为 的方向相反，则 时刻线路3是故障线路；

4中性点经消弧线圈接地系统的故障选线方法设计

中性点经消弧线圈接地系统模型选择同中性点不接地时一样，电气参数选择上除变压器为星-星接法以外其它都不变。当系统的零序电容电流超过一定的范围，需要在中性点加消弧线圈减少零序容性电流，系统零序电流的有效值 ，定义补偿度为

(3-13)

式中： 为补偿电流，补偿度 ,而不大于10%。

根据式3-13可知过补偿度为10%时的电感为

(3-14)

当系统过补偿时，零序感性电流会抵消零序容性电流，从而导致故障线路零序电流方向和幅值变相和变小。因此，零序电流比幅比相法在中性点经消弧线圈接地系统中失效。

5.故障选线算法的仿真与分析

利用MATLAB中Simulink的仿真环境，搭建矿区供电系统的仿真模型，从而为故障选线方法提供理论依据和仿真平台。

5.1故障选线算法的仿真

针对零序电流比幅比相法在仿真模型中的不同情况进行仿真，主要包括故障点位置的不同、故障线路的多少和长度、故障线路接地电阻的大小以及消弧线圈的影响。从而了解零序电流比幅比相法的优缺点和局限性。

5.1.1故障点位置的不同

在中性点不接地系统中，针对零序电流比幅比相法，故障点位置对故障电流的大小没有影响，这一点与理论分析是一致的，即故障线路的零序电流数值上等于所有健全线路的零序电流之和，与故障位置没有关系。

5.1.2故障线路数目与长度的变化

故障线路的长度对故障线路零序电流的大小有一定影响，故障线路零序电流的大小和线路本身的长度有关系，线路长度越长，零序电流越大，反之，越小。由于建立模型时，三条线路是对称的线路的多少对故障线路的零序电流大小有影响，但是与理论分析一样，即故障线路的零序电流数值上等于所有健全线路的零序电流之和，方向相反。

5.1.3故障线路接地电阻的不同

在中性点不接地系统中，针对零序电流比幅比相法，比较故障线路接地电阻分别取0、100、500、1000、3000 时的各线路零序电流大小和相角，采取发生故障时第一个周期即0.01秒时线路的零序电流进行比较，故障线路的零序电流幅值是所有出线中最大的，并且相位与健全线路的零序电流相反，短线路故障时，零序电流的大小受故障电阻的影响较大，幅值和相位都会减小。

参考文献

【1】王念彬. 基于小波神经网络的小电流接地系统故障选线方法的研究

[D]. 中国矿业大学，2010

【2】王娜.基于小波理论的配电网单相接地故障选线方法研究与应用

[D].湖南大学，2004. 2--3, 9--11

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