[發(fā)明專利]一種配電網(wǎng)中性點接地方式改造安全性分析方法

有效

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• 申請日: 2021-04-13
• 公開（公告）號: CN113341267B
• 公開（公告）日: 2022-03-04
• 發(fā)明（設計）人: 景中炤;王柳;張卓;田鳳蘭;徐銘銘;康少華;李景麗;劉旭賀;李輝
• 申請（專利權）人: 國網(wǎng)河南省電力公司鄭州供電公司;國網(wǎng)河南省電力公司;鄭州大學;河南九域恩湃電力技術有限公司;國家電網(wǎng)有限公司
• 主分類號: G01R31/08
• 分類號: G01R31/08;G01R31/52
• 代理公司: 鄭州金成知識產權事務所(普通合伙) 41121
• 代理人: 郭增欣

1.一種配電網(wǎng)中性點接地方式改造安全性分析方法，包括以下步驟：

1)、對中性點小電阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時的短路電流進行分析：

①對中性點經(jīng)小電阻接地方式單相接地故障時的電流分布圖進行化簡得到中性點經(jīng)小電阻接地方式單相接地等效電路圖；

②根據(jù)電路圖和節(jié)點電壓原理，以大地和中性點為節(jié)點列寫節(jié)點電壓方程得：

式中：為中性點電壓，R為中性點電阻，為三相對稱電源，Rg為接地電阻，C為接地線路所在母線上的所有線路單相等值電容的總和。

③因為單相接地故障不改變三相電源對稱運行狀態(tài)：

所以

④由上面兩式(1)和(2)計算出中性點電壓：

故障點的入地故障電流為：

2)、當聯(lián)絡開關分別在配變處和母線出線處時，運用MatlabSimulink搭建消弧線圈向小電阻接地系統(tǒng)進行負荷倒切的配變單相接地故障模型，仿真得到不同接地電阻下配變高壓側發(fā)生碰殼故障的配變故障入地電流、地電位升和流經(jīng)人體電流：

①建立10kV配電網(wǎng)NES向NRS負荷倒切模型

采用MatlabSimulink搭建聯(lián)絡開關分別在配變處和母線出線處10kV小電阻接地系統(tǒng)模型，模擬配電網(wǎng)接地改造過程中消弧線圈接地系統(tǒng)向小電阻接地系統(tǒng)倒切負荷，根據(jù)聯(lián)絡開關的位置不同，首先將NES側與NRS側對應配變處或母線出線處聯(lián)絡開關接通，每組負荷均由雙電源供電；其次斷開NES側電源系統(tǒng)與聯(lián)絡開關的連接，將消弧線圈接地方式電源系統(tǒng)所帶負荷轉移到小電阻接地系統(tǒng)；

②進行配變高壓側碰殼故障模擬

對于變電站中的配電變壓器出現(xiàn)的絕緣損壞情況，采用三相變壓器中的任一相線與配電變壓器接地保護外殼碰觸導致單相接地故障為配變碰殼故障，在NRS側配變高壓側A相接入斷路器，斷路器另一端與配變低壓側中性線相連，故障發(fā)生和修復通過控制斷路器的開斷實現(xiàn)，斷路器閉合時間即為故障發(fā)生時間，其中配變接地電阻分為兩部分，第一部分為接地極及接地極向外延伸0.8m土壤電阻之和，第二部分為接地極向外延伸0.8m至無窮遠土壤電阻，認為人體接觸配變外殼時，人體電阻并聯(lián)在第一部分接地電阻兩側，取為2000Ω，三個測量裝置分別測量入地故障電流、流經(jīng)人體電流和地電位升；

③典型接地電阻下暫態(tài)仿真計算

10kV/380V配電變壓器采用高壓側外殼保護接地與低壓側工作接地共同接地方式，模擬配變高壓側碰殼故障時，在配變高壓側與低壓側中性點處接入一個斷路器開關，配變高壓側發(fā)生碰殼故障時，開關接通，配變高壓側故障相、低壓側中性線與故障入地電流入地點等電位；設置配變高壓側A相發(fā)生碰殼故障，配變接地電阻設置為4Ω，對聯(lián)絡開關分別在配變處和母線出線處故障情況進行仿真得到配變故障入地電流和地電位升；

3)、根據(jù)故障入地電流通過電磁場有限元分析模型仿真得到接地點地表電位分布，并分析接觸電壓、跨步電壓、流經(jīng)人體電流和配變接地電阻的關系，

由步驟2)中搭建的模型模擬配電變壓器故障，初始故障模塊處于斷開狀態(tài)，斷路器開關在0.04s接通，0.25s斷開，仿真時，取電源初相角為90°，改變配變接地電阻，得到故障特征隨接地電阻變化曲線：

①聯(lián)絡開關在低壓配變處時，故障入地電流隨著接地電阻增大而減小，并呈現(xiàn)非線性特性；地電位升隨著接地電阻增大而增大，并呈現(xiàn)非線性特性；

在不同接地電阻下，根據(jù)得到的入地故障電流，利用comsol軟件建立變電站土壤模型，仿真分析配變發(fā)生碰殼接地故障的入地電流產生的地表電位分布和跨步電壓分布；仿真計算不同接地電阻下地電位升、接觸電壓和跨步電壓最大值；

6～35kV經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相故障時，發(fā)電廠和變電站接地裝置的接觸電壓和跨步電壓安全值如下：

U_t表示接觸電壓，U_s表示跨步電壓，ρ_s表示代表層的土壤電阻率，C_s為表層衰減系數(shù)，t為故障持續(xù)時間；

流過人體的故障入地電流隨著接地電阻增大而增大，因為接地電阻增大，人體電阻和接地電阻的并聯(lián)阻值增加，地電位升增大，從而流經(jīng)人體電流增大；流經(jīng)人體電流增大速率隨著接地電阻增大而減小；

②聯(lián)絡開關在母線出線處時：倒切不同條數(shù)線路時，故障入地電流隨著接地電阻增大而減小，并呈現(xiàn)非線性特性，地電位升隨著接地電阻增大而增大，并呈現(xiàn)非線性特性；故障入地電流、地電位升與接地電阻滿足歐姆定律；

仿真時，電阻為人體電阻與部分接地電阻并聯(lián)，在人體電阻支路串聯(lián)電流表測得流經(jīng)人體電流；通過測得的流經(jīng)人體電流可知，倒切不同條線路時流經(jīng)人體電流增大速率都隨著接地電阻增大而減小；

4)、根據(jù)所得結果給出安全性防護結論：

運用Matlab軟件對消弧線圈向小電阻接地方式改造過程中發(fā)生配變高壓側碰殼故障進行了仿真分析，基于人體安全考慮得到如下結論：

單相接地故障電流入地會造成地表電位升高，產生一定的接觸電壓和跨步電壓，根據(jù)相關標準計算接觸電壓限值和跨步電壓限值，發(fā)現(xiàn)土壤表層電阻率為1000Ω·m時，典型接地電阻下跨步電壓仿真最大值未超過人體容許限值，接觸電壓在接觸電阻為0.5歐時沒有超過限值，其余電阻值下均超過限值；

模擬配變高壓側碰殼故障時人體觸碰設備外殼，仿真計算不同接地電阻下流經(jīng)人體電流，得到不同接地電阻下人體產生相應生理效應時電流持續(xù)時間限制，將其時間下限作為斷路器跳閘時限；

相比在配變處，聯(lián)絡開關在母線出線處倒切負荷會增大單相接地故障入地電流，且負荷倒切組數(shù)越多，入地故障電流越大；

分析配變高壓側故障模擬結果，發(fā)現(xiàn)地電位升、接觸電壓、跨步電壓最大值、流經(jīng)人體電流隨接地電阻增加而增大，配電網(wǎng)中性點小電阻接地方式下通過降低配變接地電阻可以有效降低配變碰殼故障對人身安全的威脅。