分布式電源發(fā)生閃絡(luò)故障對配網(wǎng)運行的影響

摘要：分布式電源并網(wǎng)運行的穩(wěn)定性一直是限制其推廣應(yīng)用的主要因素。隨著分布式電源的大規(guī)模接入，其所在電力系統(tǒng)發(fā)生故障的危害隨之增加。為了精確計算與并網(wǎng)運行的高穿透分布式能源的故障電流，文章構(gòu)建了具體模型，在故障點設(shè)置了電弧，重點研究分布式電源對故障等級的影響與建立電弧模型對保護整定的意義。

關(guān)鍵詞：分布式電源；配電網(wǎng)；閃絡(luò)故障；電弧電阻；保護整定；配網(wǎng)運行 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM761 文章編號：1009-2374（2017）06-0195-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.097

1 概述

近年許多研究表明，分布式電源大規(guī)模并網(wǎng)運行存在著許多技術(shù)困難及安全隱患。而故障電流的升高及對系統(tǒng)保護配置原則的挑戰(zhàn)是阻礙配電網(wǎng)大規(guī)模接入分布式電源的主要原因之一。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)規(guī)劃及運行方案基于單向電力潮流分析及放射電網(wǎng)技術(shù)。故障電流恒定流向下級元件有利于保護裝置等二次設(shè)備配置原則相對簡單。而分布式電源的引入將原本的無源網(wǎng)變革為有源網(wǎng)，徹底地改變了這一現(xiàn)狀。保護整定原則應(yīng)做出相應(yīng)調(diào)整以適應(yīng)有源網(wǎng)的變革與分布式電源并網(wǎng)運行對其的影響。其重點考慮因素應(yīng)為以下四點：（1）靈敏度；（2）選擇性；（3）重合閘動作邏輯；（4）孤島系統(tǒng)問題。

在配電網(wǎng)運行分析工作中，短路電流的計算決定著環(huán)網(wǎng)柜等電氣設(shè)備的設(shè)計參數(shù)及保護整定值的計算。而分布式電源的并網(wǎng)運行致使精確計算短路電流顯得尤為重要。由于電網(wǎng)短路容量的限制，并網(wǎng)運行的分布式電源也應(yīng)相應(yīng)有所限制。一般情況下，如果給出配電網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)及分布式電源參數(shù)則可計算出系統(tǒng)的最大及最小短路電流。在計算最大短路電流時，應(yīng)假設(shè)所有電源均有效接入、最大負荷運行并發(fā)生金屬性接地故障（及故障阻抗為零）。而在計算最小短路電流時，應(yīng)假設(shè)并網(wǎng)運行的電源點數(shù)目最少、負荷最輕并發(fā)生非金屬接地故障。在這種情況下的故障阻抗應(yīng)將塔基阻抗和電弧電阻考慮在內(nèi)。在實際工作中，故障阻抗往往僅憑經(jīng)驗估算得出。而如果經(jīng)驗值與實際故障阻抗值具有較大差異，則此時的短路電流計算值也會具有較大誤差進而造成電力系統(tǒng)分析及保護整定值計算的重大錯誤。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，超過80%的故障屬于閃絡(luò)故障，因此電弧電阻值的計算在電力系統(tǒng)分析中顯得尤為重要。由于閃絡(luò)故障的故障電流取決于電弧電阻值，而電弧電阻非純電阻不遵循線性電阻曲線，致使精確計算電弧電阻及故障電流一直是電力系統(tǒng)分析工作中的重點問題。由于電弧電阻不遵循線性電阻曲線故而使用歐姆定律進行計算會產(chǎn)生較大誤差。電弧電阻的大小取決于電弧長度及通過電弧的電流大小。電弧電阻與電弧長度成正比，與電弧電流成反比。

35kV架空輸電線路發(fā)生三相閃絡(luò)故障如圖1所示。與輸電網(wǎng)不同的是，配網(wǎng)發(fā)生閃絡(luò)故障（包括分布式電源接入的配電網(wǎng)）沒有明顯的特征。

本文將重點討論分布式電源發(fā)生閃絡(luò)故障對配網(wǎng)造成的沖擊。重點研究分布式電源對故障等級的影響與建立電弧模型對保護整定的意義。

2 故障分析及電弧電阻計算

上述公式適用于中、高壓電壓等級。簡而言之，故障電流越大、溫度越高，電弧電阻值越小。電弧電阻值越小，造成的電壓降越小。在電弧長度L一定的情況下，電弧電壓梯度相應(yīng)越小。

如上公式所述，電弧電阻值遵循為非線性函數(shù)變化。其阻值與電弧長度成正比，與電弧電流成負相關(guān)，因此如何將非線性的電弧電阻引入現(xiàn)有的故障分析模型并提高其計算精確度是下一步討論的問題。本文將構(gòu)建一個新型混合故障模型，并在其故障點位置設(shè)置閃絡(luò)故障，借助此模型可以快速計算出故障電流及電弧電阻。

為計算故障電流及電弧電阻，模型參數(shù)如下設(shè)置（k為相干指數(shù)）：（1）設(shè)定電弧電阻初始值為0，即；（2）故障點初始故障電流計算由得出；（3）相干參數(shù)以自然數(shù)增長；（4）故障電流的計算需引入戴維南等效阻抗矩陣。的大小與故障點（k）有關(guān)；（5）設(shè)定邏輯判斷語句，“if”。

上述算法可應(yīng)用于計算取決于故障電流的電弧電阻阻值。

根據(jù)設(shè)備類型及并網(wǎng)協(xié)議，分布式電源可有以下三種情況：（1）保持并網(wǎng)運行，可供給較大符合并為電網(wǎng)持續(xù)輸入有功、無功；（2）在一定的功率因數(shù)下并網(wǎng)運行；（3）在一定的終端電壓下并網(wǎng)運行。

在潮流分布方面，前兩種情況的分布式電源的節(jié)點可使用PQ節(jié)點模型。在分析這種類型分布式電源潮流分布時，需要將原有的潮流算法調(diào)整為電流流向母線。在第三種情況下，由于控制因素為該節(jié)點電壓值，其歸屬于PV節(jié)點模型。如果無功輸出的計算值超過無功輸出限制，則此時該設(shè)備應(yīng)采用PQ節(jié)點模型進行模擬。

本文所展示的故障電流算法適用于大多數(shù)中壓配電線路：三股、四股，接地或不接地。不同的變壓器配置（中性點接地方式）及負荷類型同樣對短路電流計算產(chǎn)生不同影響。所以在開展故障電流、電弧電阻分析計算時，合理、恰當(dāng)?shù)倪x擇電網(wǎng)參數(shù)顯得尤為重要。

3 模型驗證

上文所述之故障電流及電弧電阻算法在如圖2所示34節(jié)點放射結(jié)構(gòu)架空配電網(wǎng)模型中進行驗證?？傮w負荷需求為1770kW。同時，72%的負載集中在距離供電節(jié)點56km處。距離該節(jié)點最遠一處負載約為59km。該電網(wǎng)的初始電壓。在19-20節(jié)點間設(shè)置配電變壓器24.9kV/4.16kV。本配網(wǎng)模型僅由單一電壓進行模擬并給出等效系統(tǒng)阻抗69kV/24.9kV（角形接線或星形接線中性點接地），2500kVA為/相。

為了分析分布式電源在此配網(wǎng)中發(fā)生故障的故障電流及電弧電阻，在23節(jié)點處設(shè)置分布式電源電并以PV節(jié)點模式進行模擬。此分布式電源參數(shù)如下：有功=300kW，額定電壓=25.100kV，內(nèi)部電阻為=（0.6+j1.5）Ω/相。在下述模擬中電弧長度均設(shè)定為L=1m。電弧長度越長，電弧電阻阻值越大從而對故障電流造成影響。下一節(jié)將重點研究有無分布式電源接入的配網(wǎng)發(fā)生短路故障的現(xiàn)象。

4 模型驗證

在如下模擬中，均忽略接地故障電阻（均視為金屬性接地）。為了模擬系統(tǒng)發(fā)生相間故障及兩相接地故障，本文給出不同算法得出兩組故障電流及電弧電阻值。

如圖3和圖4所示，在分布式能源不同接入狀態(tài)下、不同節(jié)點發(fā)生單相接地故障及三相接地故障電弧電阻計算值。

如圖5和圖6所示，在分布式能源不同接入狀態(tài)下、不同節(jié)點發(fā)生單相接地故障及三相接地故障故障電流計算值。

通過分析上述實驗結(jié)果可以得出，在電力系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，分布式能源的接入會降低電弧電阻阻值從而提升故障電流大小，同樣的實驗結(jié)果出現(xiàn)在相間故障模擬中。為了進一步分析分布式電源對電弧電阻的影響，本文引入無分布式電源故障時電弧電阻及接入分布式電源的電弧電阻。二者作差為。如圖7所示，模擬發(fā)生單相接地時分布式電源對電弧電阻的影響在不同節(jié)點計算值。如前文所述，設(shè)置節(jié)點0為母線。則可從圖中得出，離電源越遠（即饋線末端），分布式電源的接入對電弧電阻影響越大。

5 結(jié)語

本文重點研究了分布式電源的接入對配網(wǎng)故障電流及電弧電阻的影響。通過建立34節(jié)點配網(wǎng)模型進行故障模擬得出結(jié)論，分布式電源的接入明顯升高故障電流，降低了電弧電阻值。越靠近饋線末端的節(jié)點受到分布式電源接入的影響越大。

參考文獻

[1] Hadjsaid，N.，Canard，J.-F.R.，Dumas.Dispersedgenerationimpacton distributionnetworks[J].IEEE Computer Applications in Power，1999，（20）.

作者簡介：孫闊（1990-），男，山東莒南人，供職于國網(wǎng)天津市電力公司城西供電分公司，碩士，研究方向：電網(wǎng)運行。

（責(zé)任編輯：小 燕）