CN113341267A - 一种配电网中性点接地方式改造安全性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电网中性点接地方式改造安全性分析方法，首先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了分析；其次按联络开关分别在配变处和母线出线处，运用Matlab‑Simulink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；然后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；最后根据所得结果给出安全性防护结论。本发明能够有效抑制系统内部各种过电压、避免出现接地故障扩大为短路故障、电弧不易熄灭等问题。

Description

一种配电网中性点接地方式改造安全性分析方法

技术领域

本发明属于电力领域，特别是涉及一种配电网中性点接地方式改造安全性分析方法。

背景技术

城市10kV配电网供电范围广、影响大，是电力系统重要的组成部分，对大型城市10kV配电网而言，中性点接地方式的选择关乎电网的安全可靠运行。近些年来，城市配电网电缆线路数量快速增加导致线路电容电流激增，谐振接地方式因消弧线圈补偿能力不足，无法更好适应于目前城市配电网的安全稳定运行，小电阻接地方式能有效抑制系统内部各种过电压、避免出现接地故障扩大为短路故障、电弧不易熄灭等问题，将城市配电网接地方式改造为小电阻接地成为更好的选择。10kV配电网采用中性点经小电阻接地系统在线路发生单相接地故障时，接地点附近可能存在危险的接触电压或跨步电压，对人身安全构成威胁。我国部分城市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，且在小电阻接地改造过程中存在消弧线圈接地系统向小电阻接地系统倒切负荷的情况，有必要考虑城市配电网架构对配电网小电阻接地方式下单相接地故障安全性进行分析研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种能够有效抑制系统内部各种过电压、避免出现接地故障扩大为短路故障、电弧不易熄灭等问题的一种配电网中性点接地方式改造安全性分析方法。

本发明为解决技术问题所采取的技术方案是：

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Matlab&Simulink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Matlab&Simulink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，发现不同接地电阻下仿真最大值未超过人体容许限值；

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。

在步骤2)的①中，在10kV配电网中性点接地方式由消弧线圈向小电阻改造的过程中会出现两种接地方式并存的情况，即有双电源系统，改造前双电源中性点接地方式都为消弧线圈接地方式，两系统通过联络开关接通和断开，对其中一个电源系统进行中性点接地方式改造时将联络开关接通，将其原本所带负荷倒切到未被改造的消弧线圈接地电源系统，改造完成后再将负荷倒切回小电阻接地电源系统，断开联络开关，此时电源中性点分别经消弧线圈、小电阻接地，单电源带单负荷。

在步骤3)中，根据NRS单相接地短路电流计算理论，联络开关在低压配变处时，负荷倒切组数多少不影响小电阻接地电源系统出线数量，对安全性分析没有影响；联络开关在母线出线处时，负荷倒切组数越多，小电阻接地系统带线路数增多，电容电流相应增加，入地故障电流也会随之变大。

在步骤3)的②中，在不同接地电阻下，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：地表电位随着距离中心点的距离增加呈下降趋势；跨步电压随着距离中心点的距离增加呈现下降趋势。

本发明的积极有益效果是：

本发明中首先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了分析；其次按联络开关分别在配变处和母线出线处，运用Matlab-Simulink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；然后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；最后根据所得结果给出安全性防护结论；能够更好适应于目前城市配电网的安全稳定运行，小电阻接地方式能有效抑制系统内部各种过电压、避免出现接地故障扩大为短路故障、电弧不易熄灭等问题。

附图说明

图1为中性点经小电阻接地方式单相接地电流分布图；

图2为中性点经小电阻接地方式单相接地等效电路图；

图3为10kV消弧线圈向小电阻接地系统负荷倒切模型；

图4为联络开关在配变处时配变高压侧A相碰壳故障入地电流(R_f＝4Ω)；

图5为联络开关在母线出线处时配变高压侧A相碰壳故障入地电流(R_f＝4Ω)；

图6为联络开关在配变处时配变高压侧A相碰壳故障中性点电压(R_f＝4Ω)；

图7为联络开关在母线出线处时配变高压侧A相碰壳故障中性点电压(R_f＝4Ω)；

图8为故障入地电流、地电位升与接地电阻变化曲线图；

图9为配变故障地表电位分布及跨步电压(R＝4Ω)；

图10为不同接地电阻下地电位升、接触电压和跨步电压最大值；

图11为不同接地电阻下接触电压、跨步电压限值、安全距离；

图12为流经人体电流随接地电阻变化曲线图；

图13为流经人体电流数据表；

图14为电流路径为左手到双脚的交流电流(15Hz～100Hz)对人效应的约定的时间/电流区域；

图15为区域的简要说明；

图16为不同流经人体电流对人效应的约定的时间；

图17为倒切不同条线路时故障入地电流随接地电阻变化曲线图；

图18为倒切4条线路负荷故障入地电流、地电位升与接地电阻变化曲线图；

图19为配变故障地表电位分布及跨步电压(R＝4Ω)；

图20为不同接地电阻下地电位升、接触电压和跨步电压最大值；；

图21为不同接地电阻下接触电压、跨步电压限值、安全距离；

图22为倒切不同条线路时流经人体电流随接地电阻变化曲线图；

图23为倒切不同条线路时流经人体电流数据表。

具体实施方式

下面结合附图1-23和具体实施例对本发明作进一步的解释和说明：

其中图4、图5、图6和图7为典型接地电阻(4欧)下暂态仿真图形：

图8-16为联络开关在配变处安全性分析图，其中图14-16为联络开关在配变处、联络开关在母线出线处共用；

图18-23为联络开关在母线出线处安全性分析图；

实施例：中性点经小电阻接地系统单相接地故障时的电流分布如图1所示；

由图1可以看出A相发生单相接地故障时，B相、C相的电容电流和流过中性点小电阻的电流构成了单相接地的故障电流，此时故障线路的电容电流流向为由线路流到母线，非故障线路的电容电流流向与故障相相反；对图1进行化简得到图2所示简化等效电路图。

图2中O为中性点，R为中性点电阻，其中EA，EB，EC为三相对称电源，Rg为接地电阻，即在线路发生接地故障时，接地电流从导线流入土壤的过程所通过的电阻，它一般由导线的电阻、大地的电阻以及故障点的接触电阻构成，接地电阻大小直接体现了电气装置与“地”接触的良好程度，也反映了接地网的规模；在线路参数和电源对称的情况下，母线上每回出线的三相都有对地电容，每相的出线对地电容为并联关系，图2中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，即C＝C1+C2+L+Cn；

以下是对稳态电流的计算与分析，根据电路图和节点电压原理，以大地和中性点O为节点列写节点电压方程得：

单相接地故障不改变三相电源对称运行状态：

为中性点电压，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：

由公式(4)知系统发生接地故障时，中性点电阻、故障点接地电阻、线路参数、出线数量对故障点入地电流有影响，在一个系统中，中性点电阻固定不变，线路参数确定，因此在仿真分析时主要考虑故障点接地电阻的改变和系统所带出线数量对故障点的入地故障电流改变产生影响，进而对由入地故障电流引起的地表电位分布、接触电压和跨步电压进行分析。

为了进行中压配电网消弧线圈向小电阻接地方式下单相接地故障安全性分析，搭建了10kV配电网中性点接地系统模型，模拟配电变压器高压侧碰壳故障情况，进行典型接地电阻下暂态仿真计算。

在10kV配电网中性点接地方式由消弧线圈向小电阻改造的过程中会出现两种接地方式并存的情况，本实施例以双电源系统为例，改造前双电源中性点接地方式都为消弧线圈接地方式，两系统通过联络开关接通和断开，对其中一个电源系统进行中性点接地方式改造时将联络开关接通，将其原本所带负荷倒切到未被改造的消弧线圈接地电源系统，改造完成后在将负荷倒切回小电阻接地电源系统，断开联络开关，此时电源中性点分别经消弧线圈、小电阻接地，单电源带单负荷，后续安全性分析在此基础上进行。

采用Matlab&Simulink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，如图3所示。模型包括：10kV三相电源；NES系统的输电线路包括一条长度10km的架空线路、三条线路长度8km的电缆线路，系统总电容电流为150A；NRS系统的输电线路包括一条长度10km的架空线路、三条线路长度8km的电缆线路，系统总电容电流为150A；其中架空线路参数为：正序阻抗Z₍₁₎＝(0.17+0.32j)Ω/km，正序对地电容C₍₁₎＝0.115×10^-6F/km，零序阻抗Z₍₀₎＝(0.32+1.12j)Ω/km，零序对地电容C₍₀₎＝0.006×10^-6F/km；电缆线路参数为：正序阻抗Z₍₁₎＝(0.17+0.32j)Ω/km，正序对地电容C₍₁₎＝0.105×10^-6F/km，零序阻抗Z₍₀₎＝(0.32+1.12j)Ω/km，零序对地电容C₍₀₎＝0.008×10^-6F/km。10.5kV/380V配电变压器参数为：S_N为1250kVA、P₀为12.5kW、I₀为0.75％、P_k为59.9kW，U_k为0.75％联结方式为D11/Y_n。负荷选取三相串联的RLC模块，测量仪表模块，其中按照5％的补偿度消弧线圈电感选定为0.167H。

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。

配变高压侧碰壳故障模拟：变电站中的配电变压器可能出现绝缘损坏的情况，于是三相变压器中的某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，图3中设置有模拟故障模块，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，3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。

典型接地电阻下暂态仿真计算：10kV/380V配电变压器广泛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分别如图4到图7所示。

由联络开关在配变处故障入地电流和中性点电压图可知：故障入地电流及地电位升在0.04s故障发生之后0.5个周期内存在振荡过程，因为中性点接入小电阻，故障入地电流最大为重新进入稳态后稳态幅值最大值达到584.0A，中性点电位升最高达到2333V；由联络开关在母线出线处故障入地电流和配变低压侧中性点电压图可知：故障入地电流及地电位升在0.04s故障发生之后0.5个周期内存在衰减振荡过程，故障入地电流最大值达到稳态，幅值为633.6A，配变低压侧中性点电位升最高达到2537V。为了更好的保护人身安全，需要对配变碰壳故障情况下故障特征作更细致的安全性分析。

根据NRS单相接地短路电流计算理论，联络开关在低压配变处时负荷倒切组数多少不影响小电阻接地电源系统出线数量，对安全性分析没有影响，联络开关在母线出线处时，负荷倒切组数越多，小电阻接地系统带线路数增多，电容电流相应增加，入地故障电流也会随之变大，由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，为了更好的观测A相接地故障时特征曲线，取电源初相角为90°，改变配变接地电阻，分别取0.5Ω、4Ω、7Ω、10Ω、20Ω、30Ω，得到故障特征随接地电阻变化曲线。

联络开关在低压配变处时：故障入地电流峰值、地电位升峰值随接地电阻变化曲线如图8所示，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，当接地电阻由0.5Ω增加到10Ω时，故障入地电流由721.5A降为439.7A，减小率最高为39.286A/Ω，随着接地电阻进一步增大减小速率放缓，当接地电阻为10-30Ω区间变化时，故障入地电流由439.7A降为285.7A，减小速率降为1.70A/Ω。地电位升随着接地电阻增大而增大，并呈现非线性特性，当接地电阻由0.5Ω增加到10Ω，地电位升由360.7V增加为4388V，增加速率最高为563.51V/Ω，随着接地电阻进一步增大，增加速率放缓，接地电阻在10-30Ω区间变化时，地电位由4388V升为6825V，增加速率降为78.60V/Ω。

在接地电阻分别为0.5Ω、4Ω、7Ω、10Ω、20Ω和30Ω情况下，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。

如图9为配变接地电阻为4Ω时的地表电位及跨步电压分布，可以看出，地表电位最高为1437.5V，随着距离中心点的距离增加呈下降趋势，跨步电压最大值为157.7V，随着距离中心点的距离增加呈现下降趋势。

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，结果如图10所示。

根据国家电力行业标准，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(本实施例取值为1)，t为故障持续时间。

假设小电阻接地系统中对单相故障切除时间为1s，表层采用水泥层，土壤电阻率为1000Ω·m，通过改变垂直接地极的长度和底层土壤电阻率大小，进而设置不同接地电阻。可以计算得到各接地电阻情况下的接触电压及跨步电压限值，从而根据跨步电压限值得出安全距离如图11所示。

图12为流经人体电流与接地电阻关系曲线，图13为流经人体电流数据表，可以看出，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，接地电阻由0.5Ω增加到10Ω，流经人体电流由0.162A升为1.457A，增加速率最高为0.231A/Ω，随着接地电阻进一步增大，增加速率放缓，当接地电阻在10-30Ω区间变化时，流经人体电流由1.457A升为1.556A，增加速率降为0.005A/Ω。

流过人体电流幅值与电流持续时间的关系如图14所示，对图中人体触电后生理效应分区情况说明如图15所示；根据标准要求对发生心室纤维性颤动概率为5％，50％及50％以上的情况即图中C1右侧区域开展重点分析，根据不同接地电阻下流过人体电流计算值，结合图14确定对应流过人体电流值下各生理效应区域所对应的时间范围，如图16所示，并将其时间下限作为其接地跳闸时限。

联络开关在母线出线时：倒切不同线路时故障入地电流峰值随接地电阻变化曲线如图17所示；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；倒切4条线路时，当接地电阻由0.5Ω增加到10Ω时，故障入地电流由778.0A降为453.7A，随着接地电阻进一步增大减小速率放缓，当接地电阻为10-30Ω区间变化时，故障入地电流由453.7A降为226.5A；倒切2条线路时，当接地电阻由0.5Ω增加到10Ω时，故障入地电流由737.7A降为451.1A，随着接地电阻进一步增大减小速率放缓，当接地电阻为10-30Ω区间变化时，故障入地电流由451.1A降为227.1A。

以倒切4条线路为例，故障入地电流峰值(稳态最大值)、地电位升峰值与接地电阻变化曲线如图18所示；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；当接地电阻由0.5Ω增加到10Ω，地电位升由391.5V增加为4579V；随着接地电阻进一步增大，增加速率放缓，接地电阻在10-30Ω区间变化时，地电位由4579V升为6783V，故障入地电流、地电位升与接地电阻满足欧姆定律。

在接地电阻分别为0.5Ω、4Ω、7Ω和10Ω情况下，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。

如图19为配电接地电阻为4Ω时的地表电位分布及跨步电压分布图，可以看出，地表电位最高为1550.7V，随着距离中心点的距离增加呈下降趋势；跨步电压最大值为170.0V，随着距离中心点的距离增加呈现下降趋势。

假设小电阻接地系统中对单相故障切除时间为1s，表层采用水泥层，土壤电阻率为1000Ω·m，通过改变垂直接地极的长度和底层土壤电阻率大小，进而设置不同接地电阻；可以计算得到各接地电阻情况下的接触电压及跨步电压限值，从而根据跨步电压限值得出安全距离，如图20和图21所示。

仿真时，取2000Ω电阻为人体电阻与部分接地电阻(接地极外0.8m范围电阻)并联，在人体电阻支路串联电流表测得流经人体电流；图22为倒切4条、2条线路时流经人体电流随接地电阻变化曲线图，图23为具体数据，可以看出，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；以倒切4条线路为例，接地电阻由0.5Ω增加到10Ω，流经人体电流由0.176A升为1.504A。随着接地电阻进一步增大，增加速率放缓，当接地电阻在10-30Ω区间变化时，流经人体电流由1.504A升为1.545A。综上，本实施例运用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：

仿真计算了不同配变接地电阻下的故障入地电流，对土壤模型进行有限元仿真得到，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，发现不同接地电阻下仿真最大值未超过人体容许限值。

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，基于附图和附表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，结论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。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (4)

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Matlab&Simulink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Matlab&Simulink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。

2.根据权利要求1所述的一种配电网中性点接地方式改造安全性分析方法，其特征是：在步骤2)的①中，在10kV配电网中性点接地方式由消弧线圈向小电阻改造的过程中会出现两种接地方式并存的情况，即有双电源系统，改造前双电源中性点接地方式都为消弧线圈接地方式，两系统通过联络开关接通和断开，对其中一个电源系统进行中性点接地方式改造时将联络开关接通，将其原本所带负荷倒切到未被改造的消弧线圈接地电源系统，改造完成后再将负荷倒切回小电阻接地电源系统，断开联络开关，此时电源中性点分别经消弧线圈、小电阻接地，单电源带单负荷。

3.根据权利要求1所述的一种配电网中性点接地方式改造安全性分析方法，其特征是：在步骤3)中，根据NRS单相接地短路电流计算理论，联络开关在低压配变处时，负荷倒切组数多少不影响小电阻接地电源系统出线数量，对安全性分析没有影响；联络开关在母线出线处时，负荷倒切组数越多，小电阻接地系统带线路数增多，电容电流相应增加，入地故障电流也会随之变大。

4.根据权利要求1所述的一种配电网中性点接地方式改造安全性分析方法，其特征是：在步骤3)的②中，在不同接地电阻下，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：地表电位随着距离中心点的距离增加呈下降趋势；跨步电压随着距离中心点的距离增加呈现下降趋势。

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