[发明专利]一种配电网中性点接地方式改造安全性分析方法

权利要求书

1.一种配电网中性点接地方式改造安全性分析方法，包括以下步骤：

1)、对中性点小电阻接地系统发生单相接地故障时的短路电流进行分析：

①对中性点经小电阻接地方式单相接地故障时的电流分布图进行化简得到中性点经小电阻接地方式单相接地等效电路图；

②根据电路图和节点电压原理，以大地和中性点为节点列写节点电压方程得：

式中：为中性点电压，R为中性点电阻，为三相对称电源，Rg为接地电阻，C为接地线路所在母线上的所有线路单相等值电容的总和。

③因为单相接地故障不改变三相电源对称运行状态：

所以

④由上面两式(1)和(2)计算出中性点电压：

故障点的入地故障电流为：

2)、当联络开关分别在配变处和母线出线处时，运用MatlabSimulink搭建消弧线圈向小电阻接地系统进行负荷倒切的配变单相接地故障模型，仿真得到不同接地电阻下配变高压侧发生碰壳故障的配变故障入地电流、地电位升和流经人体电流：

①建立10kV配电网NES向NRS负荷倒切模型

采用MatlabSimulink搭建联络开关分别在配变处和母线出线处10kV小电阻接地系统模型，模拟配电网接地改造过程中消弧线圈接地系统向小电阻接地系统倒切负荷，根据联络开关的位置不同，首先将NES侧与NRS侧对应配变处或母线出线处联络开关接通，每组负荷均由双电源供电；其次断开NES侧电源系统与联络开关的连接，将消弧线圈接地方式电源系统所带负荷转移到小电阻接地系统；

②进行配变高压侧碰壳故障模拟

对于变电站中的配电变压器出现的绝缘损坏情况，采用三相变压器中的任一相线与配电变压器接地保护外壳碰触导致单相接地故障为配变碰壳故障，在NRS侧配变高压侧A相接入断路器，断路器另一端与配变低压侧中性线相连，故障发生和修复通过控制断路器的开断实现，断路器闭合时间即为故障发生时间，其中配变接地电阻分为两部分，第一部分为接地极及接地极向外延伸0.8m土壤电阻之和，第二部分为接地极向外延伸0.8m至无穷远土壤电阻，认为人体接触配变外壳时，人体电阻并联在第一部分接地电阻两侧，取为2000Ω，三个测量装置分别测量入地故障电流、流经人体电流和地电位升；

③典型接地电阻下暂态仿真计算

10kV/380V配电变压器采用高压侧外壳保护接地与低压侧工作接地共同接地方式，模拟配变高压侧碰壳故障时，在配变高压侧与低压侧中性点处接入一个断路器开关，配变高压侧发生碰壳故障时，开关接通，配变高压侧故障相、低压侧中性线与故障入地电流入地点等电位；设置配变高压侧A相发生碰壳故障，配变接地电阻设置为4Ω，对联络开关分别在配变处和母线出线处故障情况进行仿真得到配变故障入地电流和地电位升；

3)、根据故障入地电流通过电磁场有限元分析模型仿真得到接地点地表电位分布，并分析接触电压、跨步电压、流经人体电流和配变接地电阻的关系，

由步骤2)中搭建的模型模拟配电变压器故障，初始故障模块处于断开状态，断路器开关在0.04s接通，0.25s断开，仿真时，取电源初相角为90°，改变配变接地电阻，得到故障特征随接地电阻变化曲线：

①联络开关在低压配变处时，故障入地电流随着接地电阻增大而减小，并呈现非线性特性；地电位升随着接地电阻增大而增大，并呈现非线性特性；

在不同接地电阻下，根据得到的入地故障电流，利用comsol软件建立变电站土壤模型，仿真分析配变发生碰壳接地故障的入地电流产生的地表电位分布和跨步电压分布；仿真计算不同接地电阻下地电位升、接触电压和跨步电压最大值；

6～35kV经小电阻接地系统发生单相故障时，发电厂和变电站接地装置的接触电压和跨步电压安全值如下：

U_t表示接触电压，U_s表示跨步电压，ρ_s表示代表层的土壤电阻率，C_s为表层衰减系数，t为故障持续时间；

流过人体的故障入地电流随着接地电阻增大而增大，因为接地电阻增大，人体电阻和接地电阻的并联阻值增加，地电位升增大，从而流经人体电流增大；流经人体电流增大速率随着接地电阻增大而减小；

②联络开关在母线出线处时：倒切不同条数线路时，故障入地电流随着接地电阻增大而减小，并呈现非线性特性，地电位升随着接地电阻增大而增大，并呈现非线性特性；故障入地电流、地电位升与接地电阻满足欧姆定律；

仿真时，电阻为人体电阻与部分接地电阻并联，在人体电阻支路串联电流表测得流经人体电流；通过测得的流经人体电流可知，倒切不同条线路时流经人体电流增大速率都随着接地电阻增大而减小；

4)、根据所得结果给出安全性防护结论：

运用Matlab软件对消弧线圈向小电阻接地方式改造过程中发生配变高压侧碰壳故障进行了仿真分析，基于人体安全考虑得到如下结论：

单相接地故障电流入地会造成地表电位升高，产生一定的接触电压和跨步电压，根据相关标准计算接触电压限值和跨步电压限值，发现土壤表层电阻率为1000Ω·m时，典型接地电阻下跨步电压仿真最大值未超过人体容许限值，接触电压在接触电阻为0.5欧时没有超过限值，其余电阻值下均超过限值；

模拟配变高压侧碰壳故障时人体触碰设备外壳，仿真计算不同接地电阻下流经人体电流，得到不同接地电阻下人体产生相应生理效应时电流持续时间限制，将其时间下限作为断路器跳闸时限；

相比在配变处，联络开关在母线出线处倒切负荷会增大单相接地故障入地电流，且负荷倒切组数越多，入地故障电流越大；

分析配变高压侧故障模拟结果，发现地电位升、接触电压、跨步电压最大值、流经人体电流随接地电阻增加而增大，配电网中性点小电阻接地方式下通过降低配变接地电阻可以有效降低配变碰壳故障对人身安全的威胁。