小電流接地系統(tǒng)故障建模與仿真分析畢業(yè)設(shè)計

1、 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保障、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)學(xué)位論文管理部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)省級優(yōu)秀學(xué)士學(xué)位論文評選機(jī)構(gòu)將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于1、保密 ，在_年解密

2、后適用本授權(quán)書。2、不保密 。（請在以上相應(yīng)方框內(nèi)打“”）作者簽名： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 年 月 日 目 錄摘要1前言21 小電流接地系統(tǒng)接地故障的概況31.1 本課題的產(chǎn)生背景及研究意義31.2 國外中性點接地方式發(fā)展?fàn)顩r41.3 國內(nèi)中性點接地方式發(fā)展?fàn)顩r42 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障分析52.1 電力系統(tǒng)中接地方式的分類52.2 電力系統(tǒng)中的兩種小電流接地系統(tǒng)62.2.1 中性點不接地方式的介紹62.2.2 中性點經(jīng)消弧線圈接地方式的介紹72.3兩種接地方式的綜合比較93 小電流接地系統(tǒng)MATLAB建模與分析103.1 MATLAB在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用103.2 小電流接地系統(tǒng)仿真模

3、型構(gòu)建103.2.1 系統(tǒng)構(gòu)建103.2.2 中性點不接地系統(tǒng)的仿真及計算123.2.3 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的仿真及計算163.3 仿真結(jié)果與分析183.3.1 中性點不接地系統(tǒng)的仿真結(jié)果與分析183.3.2 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的仿真結(jié)果與分析224 結(jié)論和展望244.1 主要研究結(jié)論244.2 研究感想25致 謝27參考文獻(xiàn)2828 28 小電流接地系統(tǒng)故障建模與仿真分析學(xué) 生： XX指導(dǎo)教師：XXX（三峽大學(xué)科技學(xué)院）摘 要：本文簡要介紹了電力系統(tǒng)中各種中性點接地方式，對小電流接地系統(tǒng)兩種中性點接地方式的基本原理和運行特點進(jìn)行了分析并綜合比較了兩者的運行參數(shù)。利用MATLAB仿

4、真軟件分別對小電流接地系統(tǒng)中性點不接地和中性點經(jīng)消弧線圈接地單相接地故障進(jìn)行仿真實驗，通過設(shè)置相同的電氣量參數(shù)，得到仿真結(jié)果以及線路主要參數(shù)波形圖。通過分析仿真結(jié)果，得到重要結(jié)論。關(guān)鍵詞：小電流接地系統(tǒng)；Matlab建模；電力系統(tǒng)短路故障；零序電流 Fault modeling and simulation analysis of small current grounding systemStudent：Qin HuiSupervisor：Weng HanLi(China Three Gorges University, School of science and Technology)Ab

5、stract：This article firstly introduces the neutral point connection mode of power system, analyzes the fundamental principle and its function characteristics of the two modes, and compares the parameters of each mode synthetically. Using MATLAB simulation software for small current grounding systems

6、 are ungrounded and neutral point arc suppression coil grounding single-phase ground fault simulation by providing the same amount of electrical parameters, simulation results obtained and the main line waveform parameters. By analyzing the simulation result, important conclusions.Key words: Small c

7、urrent grounded system; Matlab; Power system fault; zero-sequence current前言電力系統(tǒng)是由發(fā)電、變電、輸電、配電、供電、用電設(shè)備和技術(shù)組成的統(tǒng)一整體能夠?qū)⒁淮文茉崔D(zhuǎn)換為電能。發(fā)電廠發(fā)出電能后，通過各級變電所經(jīng)高壓輸電網(wǎng)遠(yuǎn)距離運送然后經(jīng)配電網(wǎng)將電能供給用戶。配電網(wǎng)電壓等級一般為666kV，110kV以上電壓等級屬于輸電網(wǎng)。配電網(wǎng)在電力系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)中作為末端直接與用戶相聯(lián)系是電力系統(tǒng)的重要組成部分。電力系統(tǒng)中性點是指星形連接的發(fā)電機(jī)或變壓器的中性點。中性點接地方式主要有四種，中性點經(jīng)小電阻接地方式、中性點經(jīng)高阻接地方式、中性

8、點經(jīng)消弧線圈接地方式和中性點不接地方式1。我國666kV配電網(wǎng)電力系統(tǒng)多屬于小電流接地系統(tǒng)，通常采用中性點不接地方式或者中性點經(jīng)消弧線圈接地方式。小電流接地系統(tǒng)發(fā)生故障時，接地點的故障電流小所以又叫中性點非有效接地系統(tǒng)。根據(jù)電力系統(tǒng)運行部門的故障統(tǒng)計，由于外界因素（如雷擊、大風(fēng)、鳥類等）的影響，配電網(wǎng)單相接地故障是配電網(wǎng)故障中最常見的，發(fā)生率最高，占整個電氣短路故障的80%以上。小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時短路回路阻抗大，接地電流小，所以通?？梢宰詣酉ɑ〔⒒謴?fù)正常。當(dāng)發(fā)生線路永久性單相金屬接地故障后，三相線電壓對稱，大小相位不變，對地電壓變?yōu)榱闼钥梢詭Ч收线\行一段時間提高了供電的可靠性，

9、但是為了避免故障發(fā)展成更嚴(yán)重的故障必須馬上找到故障點并排除。國內(nèi)外電力領(lǐng)域的專家學(xué)者對小電流接地系統(tǒng)單相接地故障問題進(jìn)行了大量的研究。發(fā)生單相接地故障時，大多是檢測故障時產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)信號。但是穩(wěn)態(tài)信號非常微弱，受外界因素及運行方式影響很大，難以檢測出有效地故障信號。而且，配電網(wǎng)絡(luò)故障復(fù)雜多變，如系統(tǒng)中性點補(bǔ)償度、過渡電阻大小、故障點位置、各出線長度、短路點電弧的發(fā)展等，使得在一種故障情況下工作良好的裝置，在另一種情況下可能失效。因此，小電流接地系統(tǒng)單相接地保護(hù)是非常復(fù)雜的，這也是一些國家不采用中性點非有效接地方式的主要原因之一。但是小電流接地系統(tǒng)有著獨特的優(yōu)越性，并在我國及其它國家被廣泛應(yīng)用，準(zhǔn)

10、確找準(zhǔn)故障線路成為當(dāng)務(wù)之急2。現(xiàn)代電力系統(tǒng)是非常復(fù)雜的系統(tǒng)，很難滿足電力科研實驗的條件，并且系統(tǒng)的安全運行也不允許進(jìn)行試驗。所以對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定與故障分析一般都利用仿真實驗。MATLAB軟件可以建立小電流接地系統(tǒng)的仿真模型并設(shè)置一致的仿真參數(shù)，進(jìn)行單項故障實驗，具有一定的現(xiàn)實意義3。1 小電流接地系統(tǒng)接地故障的概況1.1 本課題的產(chǎn)生背景及研究意義 我國366kV電力系統(tǒng)大多采用小電流接地系統(tǒng)即中性點不接地或中性點經(jīng)消弧線圈接地的運行方式。配電網(wǎng)單相接地故障是配電網(wǎng)故障中最常見的，發(fā)生率最高，占整個電氣短路故障的80%以上。發(fā)生單相接地故障時，由于不構(gòu)成短路回路，接地短路電流比負(fù)荷電流小很多，

11、故障相對地電壓降低，非故障兩相的相電壓升高，線電壓依然對稱，所以不影響對用戶的連續(xù)供電，系統(tǒng)可繼續(xù)運行12h，可顯著提高供電可靠性，同時也提高了對設(shè)備和人身安全性，降低了對通訊系統(tǒng)電磁干擾等優(yōu)點。 單相接地故障多數(shù)情況下可以自動熄弧并恢復(fù)絕緣，回到正常運行狀態(tài)。但是當(dāng)發(fā)生永久性接地故障時，長時間運行可能破壞系統(tǒng)的絕緣，損壞系統(tǒng)中的線路以及電氣設(shè)備。為了避免單相接地故障引起兩相短路或者更嚴(yán)重的事故，必須盡快的找出故障線路并切除故障。為快速找到故障線路并切除，提高供電可靠性減少線路損耗，使配電網(wǎng)安全，經(jīng)濟(jì)運行。需要對小電流接地系統(tǒng)單相接地故障進(jìn)行仿真并分析，準(zhǔn)確的檢測出故障線路是十分重要的。但是，

12、故障電流微弱、故障電弧不穩(wěn)定等因素，使單相接地故障的檢測十分困難。目前對接地故障點的判斷一直沒有得到很好的解決。所以小電流接地系統(tǒng)單相接地故障是制約配電自動化發(fā)展的關(guān)鍵問題，也是我們對于電力系統(tǒng)的一個重要研究課題4-5。1.2 國外中性點接地方式發(fā)展?fàn)顩r 為了減少單相接地故障的危害，世界各國都對電力系統(tǒng)接地方式進(jìn)行了十分廣泛的研究，也采取了很多不同的方法。第一次世界大戰(zhàn)時期，德國人彼得遜首先提出了經(jīng)消弧線圈接地的電力系統(tǒng)諧振接地方式，于是當(dāng)時該國在各種電壓等級的電網(wǎng)中性點都采用了中性點經(jīng)消弧線圈接地方式，電網(wǎng)電壓范圍為30220kV，后因220kV電網(wǎng)中事故較多，19世紀(jì)60年代就不再應(yīng)用消弧

13、線圈了。美國在20世紀(jì)20年代中期到40年代中期，在2270kV電網(wǎng)中，中性點直接接地方式所占比例高達(dá)72%，且發(fā)展很快，逐步取代了中性點不接地的運行方式，一直延續(xù)至今。英國66kV電網(wǎng)采用中性點經(jīng)電阻接地方式，對33kV及以下架空線配電網(wǎng)，逐步由中性點直接接地方式改為中性點經(jīng)消弧線圈接地方式。1950年以來，日本20kV電纜和架空線路混合電網(wǎng)一直采用中性點不接地方式，隨著電纜的增加，為防止接地繼電器的誤動、拒動和中性點位移，采用經(jīng)低值電阻器接地方式。1975年統(tǒng)計，1133kV配電網(wǎng)中性點不接地占2%。采用電阻接地方式一般限制接地電流數(shù)值為100200A。1962年以來法國城市配電網(wǎng)接地方式

14、采用中性點經(jīng)電阻或經(jīng)電抗接地，要求故障線路快速跳閘。至20世紀(jì)80年代，法國電力公司對20kV配電網(wǎng)中性點接地方式提出了即瞬時間地故障電流應(yīng)降低到4050A的要求，同時還要求考慮接觸電壓，跨步電壓和對低壓設(shè)備絕緣危害等問題。20kV電網(wǎng)對地電容電流小于50A時，采用中性點經(jīng)小電阻接地方式；電容電流在50200A之間，則在電阻器旁邊并聯(lián)補(bǔ)償電容器及消弧線圈。意大利、加拿大、瑞典、日本和美國等在中壓電網(wǎng)升壓運行后，大部分都采用電網(wǎng)中性點直接接地方式6-7。 1.3 國內(nèi)中性點接地方式發(fā)展?fàn)顩r建國初期至上世紀(jì)80年代，我國完全參照了前蘇聯(lián)的規(guī)定，將遺留下來的3kV、6kV配電網(wǎng)相繼升壓至10kV，對

15、366kV電網(wǎng)主要采用中性點不接地或者經(jīng)消弧線圈接地方式。上世紀(jì)80年代中期，部分沿海地區(qū)對中性點接地方式問題不夠了解，從國外購進(jìn)了一些低絕緣水平的電力電纜，不能直接投入我國配電壓運行，于是有些單位開始了試點，引入了中性點經(jīng)低電阻接地方式。從1987年開始，廣州部分變電站為了滿足10kV電纜較低的絕緣水平，采用了中性點經(jīng)低電阻接地方式。隨后，我國城市10kV配電網(wǎng)中電纜線路逐漸增多，電容電流相繼增大，低電阻接地方式有所發(fā)展，深圳根據(jù)其10kV配電網(wǎng)電纜不斷增加的實際情況，從1995年開始實施10kV配電網(wǎng)中性點采用低電阻接地方式的工程；天津電纜網(wǎng)絡(luò)很多，過去都是采用中性點經(jīng)消弧線圈接地方式，現(xiàn)

16、在對35kV電纜網(wǎng)絡(luò)試行中性點經(jīng)低電阻接地方式。蘇州工業(yè)園區(qū)，其配電網(wǎng)采用20kV供電，全部為電纜線路，中性點采用低電阻接地方式運行，自1996年正式投運至今。上海在上世紀(jì)90年代對35kV配電網(wǎng)采用中性點經(jīng)低電阻接地的運行方式8。20世紀(jì)90年代對過電壓保護(hù)設(shè)計規(guī)范（SDJ-79）進(jìn)行了修訂，在新規(guī)程中，310kV配電網(wǎng)中單相接地電容電流大于10A時，要求中性點經(jīng)消弧線圈接地。近年來，我國引進(jìn)了大量的國外設(shè)備，由于各國的接地方式不同，各國設(shè)備的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)也不一致，特別是設(shè)備的耐壓不同，要使用這些設(shè)備，首先必須決定電力系統(tǒng)的接地方式。因此在對接地方式的選擇上引起爭論。有的大城市已局部將配電網(wǎng)中性

17、點不接地方式改為小電阻接地方式，以消除弧光接地過電壓的產(chǎn)生，減少異相接地的發(fā)生。有的改為大電阻接地方式，以消除諧振接地過電壓的危害。但大部分仍主張改為經(jīng)消弧線圈接地方式，補(bǔ)償系統(tǒng)的電容電流，使得單相弧光接地時，故障點電流減小，降低故障相電壓的恢復(fù)速度，達(dá)到熄弧效果，從而避免了單相瞬時接地故障的跳閘，提高系統(tǒng)運行的可靠性9。2 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障分析2.1 電力系統(tǒng)中接地方式的分類電力系統(tǒng)的中性點是指系統(tǒng)中三相連接成星形的中心點，一般是指發(fā)電機(jī)和變壓器三相星形連接的中心點。電力系統(tǒng)中性點可以有多種接地方式，中性點可以直接接地，可以經(jīng)過某元件接地，也可以不接地。中性點以何種方式與大地相接的

18、問題在工程上就稱為中性點的接地方式。電力系統(tǒng)中性點接地方式可劃分為兩大類：大電流接地方式和小電流接地方式。大電流接地方式包括3種：中性點直接接地方式、中性點經(jīng)電抗接地方式和中性點經(jīng)低電阻接地方式；小電流接地方式也包括3種：中性點不接地方式、中性點經(jīng)消弧線圈接地方式和中性點經(jīng)高電阻接地方式。采用大電流接地方式的系統(tǒng)我們稱之為大電流接地系統(tǒng)，采用小電流接地方式的系統(tǒng)我們稱之為小電流接地系統(tǒng)10。2.2 電力系統(tǒng)中的兩種小電流接地系統(tǒng)2.2.1 中性點不接地方式的介紹中性點不接地方式實際上是中性點對地絕緣，具有結(jié)構(gòu)簡單，運行方便，不需要增加其它設(shè)備，節(jié)約投資，一般應(yīng)用在農(nóng)村10kV架空線路上的供電網(wǎng)

19、絡(luò)。此接地方式運行時，發(fā)生單相接地故障，若是瞬時故障，通常可以自動熄弧，故障相電壓降低為零，非故障相電壓升高為線電壓，并不會破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定，流過故障點的電流是電網(wǎng)對地的電容電流，電流很小不能形成回路，可以帶故障運行12小時，極大的提高了供電的可靠性。若是永久性故障，長時間帶故障運行，有可能是單相接地故障發(fā)展成為兩相接地或三相接地故障，使事故擴(kuò)大。中性點不接地系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)如下圖2.1。圖2.1 中性點不接地方式單相接地故障示意圖 如圖2.1所示所有的線路不論是架空線電纜還是各相導(dǎo)線與大地之間都有分布電容。通常，線路的零序電容受到線路長度、導(dǎo)線的半徑以及線路與地面的距離等因素的影響。理論情況下，相間電

20、容相等，而且三相對地電容也對稱。系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，中性點與地絕緣，電位不相等，所以一定存在對地電容，電容很小，所以中性點對地阻抗非常大，系統(tǒng)中任意一點零序阻抗都很大。從零序電流來看，線路和其它元件的串聯(lián)阻抗比線路對地導(dǎo)納的并聯(lián)阻抗小得多，所以在小電流接地選線問題的研究中，忽略這些串聯(lián)阻抗，主要分析各相對地電容電流組成的回路。 如圖2.1所示的中性點不接地單相接地網(wǎng)絡(luò)，正常運行時，忽略電源和線路的壓降，三相各相對地電容C0相等。在相電壓、的作用下，每相都有一個超前于相電壓90°的電容電流注入地中。因三相電壓對稱，無零序電壓，忽略三相負(fù)載不對稱產(chǎn)生的不平衡電流，三相電流之和等于零，

21、無零序電流。即：=（+）=0 （2.1）=（+）=0 （2.2）中性點不接地方式的缺點有：對電容電流有嚴(yán)格的要求，根據(jù)電力規(guī)程，對35kV及以下系統(tǒng)，規(guī)定當(dāng)310kV電網(wǎng)電容電流小于30A，20kV以上電網(wǎng)電容電流小于10A時，可采用中性點不接地運行方式。中性點不接地電網(wǎng)發(fā)生單相接地時，中性點電位偏移，過電壓水平高，持續(xù)的時間長。而目前在我國隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城鎮(zhèn)配電網(wǎng)中大量采用電流和各類封閉組合電器，甚至進(jìn)口設(shè)備，這些設(shè)備一般絕緣水平一般較低，且一旦被擊穿很難修復(fù)，因而不宜帶單相接地故障持續(xù)進(jìn)行。單相接地時，避雷器長時間在工頻過電壓下運行，易發(fā)生損壞，甚至爆炸。目前采用提高氧化鋅避雷器運行電壓的

22、方法，可以避免爆炸事故的發(fā)生，但這并不經(jīng)濟(jì)，因而這種接線方式不利于無間隙氧化鋅避雷器的推廣使用。 從安全的角度來說，不宜采用中性點不接地系統(tǒng)保證供電連續(xù)性11。2.2.2 中性點經(jīng)消弧線圈接地方式的介紹在中性點和大地之間增加一個消弧線圈就是中性點經(jīng)消弧線圈接地方式。中性點經(jīng)消弧線圈接地方式通常稱為諧振接地方式，該接地方式將帶氣隙的感抗可調(diào)的電抗器接在系統(tǒng)中性點和地之間，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，消弧線圈的電感電流能夠基本補(bǔ)償電網(wǎng)的接地電容電流，使故障點的接地電流變?yōu)閿?shù)值顯著減小的殘余電流，殘余電流的接地電弧就容易熄滅。由于消弧線圈的作用，當(dāng)殘流過零熄弧后，降低了恢復(fù)電壓的初速度，延長了故障相電

23、壓的恢復(fù)時間，并限制了恢復(fù)電壓的最大值，從而可以避免接地電弧的重燃，達(dá)到徹底熄弧的目的。因此中性點經(jīng)消弧線圈接地方式的可靠性大大的高于中性點不直接接地系統(tǒng)運行方式。中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)如下圖2.2。圖2.1 中性點經(jīng)消弧線圈接地方式單相接地故障示意圖從圖中可知，當(dāng)發(fā)生單相接地時，非故障線路電容電流的大小、方向與中性點不接地系統(tǒng)一樣，但對故障線路來說，接地點增加了一個電感分量的電流。從接地點流回的總電流 為： （2.3）式中：為消弧線圈的補(bǔ)償電流，為全系統(tǒng)的對地電容電流。由于和相位差為180°，將隨消弧線圈的補(bǔ)償程度而變，因此，故障線路零序電流的大小和方向也隨之改變。當(dāng)=時為全

24、補(bǔ)償，故障點電流為零，故障線路零序電流為線路本身的電容電流,方向為母線流向線路，零序功率方向與非故障相線路完全相同。此時有式子成立（其中是角頻率，為線路電容總和），這正是工頻串聯(lián)諧振的條件，如果由于系統(tǒng)三相對地電容不對稱，或者斷路器合閘三相接觸頭不同而使閉合時出現(xiàn)零序電壓，串聯(lián)于及之間，串聯(lián)諧振將導(dǎo)致電源中性點對地電壓升高及系統(tǒng)過電壓，十分危險。當(dāng)<時為欠補(bǔ)償,補(bǔ)償后接地點的電流仍是容性的。當(dāng)系統(tǒng)運行方式改變時，例如某些線路因檢修被迫切除或因短路跳閘時，系統(tǒng)零序電容電流會減小，致使可能得到完全補(bǔ)償，所以欠補(bǔ)償方式一般不用。當(dāng)>時為過補(bǔ)償,補(bǔ)償后的接地電流是感性的，故障線路零序電流增

25、大，且方向與非故障線路相同，由母線流向線路，采用這種方式即使系統(tǒng)運行方式發(fā)生改變，也不會發(fā)生串聯(lián)諧振。因此實際中獲得了廣泛的應(yīng)用。中性點經(jīng)消弧線圈接地方式的主要缺點有：采用中性點經(jīng)消弧線圈接地方式，不僅減小了線路的故障電流，而且故障線路的零序電流方向也發(fā)生了變化，給接地保護(hù)的正確選線提出了更高的要求。消弧線圈的阻抗較大，既不能釋放線路上的殘余電荷，也不能降低過電壓的穩(wěn)態(tài)分量，因而對其它形式的操作過電壓不起作用11-12。2.3兩種接地方式的綜合比較表2.1 中性點不接地和經(jīng)消弧線圈接地方式的比較類別中性點不接地中性點經(jīng)消弧線圈接地單相接地電流大大觸電危險性大小單相電弧接地過電壓最高較高單相接地

26、保護(hù)較難難對通信的影響小小鐵磁諧振過電壓高高操作過電壓最高高保護(hù)接地的安全性單相接地電流大時危險安全中性點不接地方式供電可靠性高，但絕緣水平要求也高。因這種系統(tǒng)中一相接地時，不構(gòu)成短路回路，接地相電流不大，不必切除接地相，但這時非接地相的對地電壓升高為相電壓的3倍。在電壓等級較高的系統(tǒng)中，絕緣費用在設(shè)備總價格中占相當(dāng)大比重，降低絕緣水平帶來的效益很顯著，所以一般采用中性點直接接地方式，而以其他措施提高供電可靠性。在我國，110千伏及以上系統(tǒng)中性點直接接地，60千伏及以下系統(tǒng)中性點不接地。 中性點經(jīng)消弧線圈接地隸屬于中性點不接地方式，其實就是電抗線圈。中性點不接地系統(tǒng)中發(fā)生一相接地時，接地點相電

27、流屬于容性電流。裝設(shè)消弧線圈后，發(fā)生一相接地時，接地點接地相電流中增加了一個感性電流分量，它和裝設(shè)前的容性電流相抵消，減小了接地點的電流，使得接地點電弧易于自行熄滅，提高了供電可靠性。中性點經(jīng)消弧線圈接地，一般采用過補(bǔ)償方式。一般認(rèn)為，對3到60千伏網(wǎng)絡(luò)，接地點容性電流超過下列數(shù)值時，應(yīng)裝設(shè)消弧線圈。3到6千伏網(wǎng)絡(luò)，30安培；10千伏，20安培；35到60千伏，10安培?？傊?，各種接地方式各有其適用的情況。3 小電流接地系統(tǒng)MATLAB建模與分析3.1 MATLAB在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用目前電力系統(tǒng)分析常用的軟件主要是PSASP和EMTP。PSASP側(cè)重于系統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)過程分析，EMTP側(cè)重于電力

28、系統(tǒng)的電磁暫態(tài)過程分析，而小電流接地系統(tǒng)的仿真分析既有基于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)量的方法，又有基于系統(tǒng)暫態(tài)量的方法，所以本文選擇了MATLAB進(jìn)行仿真。利用MATLAB建立仿真模型并設(shè)置統(tǒng)一的仿真參數(shù)，對小電流接地系統(tǒng)單相接地故障進(jìn)行仿真。1984年，美國MathWorks軟件公司將MATLAB推向市場并不斷更新改進(jìn)，經(jīng)過十幾年的發(fā)展和競爭，已經(jīng)成為一個集數(shù)值處理、圖像處理、文字處理、信號處理、符號計算、數(shù)學(xué)建模、實時控制、動態(tài)仿真為一體的數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件并成為國際公認(rèn)的優(yōu)秀科技應(yīng)用軟件之一。MATLAB的主要三大特點是功能強(qiáng)大，界面友好，開放性強(qiáng)已經(jīng)是應(yīng)用科學(xué)計算機(jī)輔助仿真、分析、設(shè)計、教學(xué)等不可缺少的基礎(chǔ)。

29、Simulink是控制系統(tǒng)模型圖形輸入與仿真進(jìn)行動態(tài)系統(tǒng)仿真，建模和分析的集成軟件包，有仿真與連接兩個明顯的功能。Simulink只需要用鼠標(biāo)把功能模塊拖入到模型編輯窗口，并將它們連接起來，就可以快速的完成仿真模型進(jìn)行仿真。相比傳統(tǒng)的軟件包更加直觀，方便，靈活可以很容易的建立線性的，離散的，連續(xù)和混合模型。并且它還可以和其它軟件硬件之間傳遞數(shù)據(jù)對仿真工作有極大幫助13。3.2 小電流接地系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建3.2.1 系統(tǒng)構(gòu)建小電流接地系統(tǒng)仿真模型所需要的元件有三相電壓源、輸電線元件、三相負(fù)荷、三相電路短路故障發(fā)生元件、電流測量元件、三相電壓電流測量元件、子系統(tǒng)元件、萬用表元件、示波器元件等。各元

30、件介紹如下。 三相電壓源圖3.1 三相電壓源 三相電壓源是電路設(shè)計中常見的電路元件，位于電源元件庫中。其幅值，頻率，相位和諧波可以隨時間變化。輸電線元件圖3.2 輸電線元件 輸電線元件位于線路元件庫中。在電力系統(tǒng)中用來模擬的輸電線路可以根據(jù)實際情況更改線路的各項參數(shù)，從而更加負(fù)荷實際。三相負(fù)荷元件圖3.3 三相負(fù)荷元件三相負(fù)荷元件位于線路元件庫中，用來模擬電力系統(tǒng)的負(fù)荷情況。三相電路短路故障發(fā)生元件圖3.4 三相電路短路故障發(fā)生元件 三相電路短路故障發(fā)生元件位于線路元件庫?？梢酝ㄟ^對元件的設(shè)置模擬電力系統(tǒng)中的各種故障:三相短路故障、兩相短路接地故障、兩相短路故障、單相接地故障、直接接地或者經(jīng)電

31、阻接地故障等。電路測量元件圖3.5 三相電壓電流測量元件三相電壓電流測量元件位于電路測量儀器元件庫。三相電壓電流測量元件用于測量節(jié)點電壓、電流將測量到的電壓、電流信號變成Simulink信號，相當(dāng)于電壓、電流互感器的作用。圖3.6 萬用表元件 萬用表元件位于電路測量儀器元件庫。萬用表元件可以分別用于測量線路的電流或者節(jié)點的電壓。其它元件圖3.7 示波器元件 示波器元件位于仿真工具箱的接收器元件庫。該元件可以直觀地顯示故障時的故障信息。圖3.8 子系統(tǒng)元件子系統(tǒng)元件位于仿真工具箱的接口與子系統(tǒng)庫。該元件可以將相關(guān)的兩個元件組成新的元件，便于模塊化設(shè)計，使仿真模型層次清晰。14-163.2.2 中

32、性點不接地系統(tǒng)的仿真及計算利用Simulink建立一個10kV中性點不接地系統(tǒng)的仿真模型，如圖3.9所示。圖3.9 中性點不接地系統(tǒng)的仿真模型 在仿真模型中，電源采用“Three-phase source”三相電壓源模型，輸出電壓為10.5kV，內(nèi)部接線方式為Y形聯(lián)結(jié)，參數(shù)設(shè)置如圖3.10所示。圖3.10 電源模塊的參數(shù)設(shè)置 模型中有4條10kV輸電線路Line1Line4，均采用“Three-phase PI Section Line”模型；線路的長度分別為130km、175km、1km、150km；其它參數(shù)相同，Line1參數(shù)設(shè)置如圖3.11所示。圖3.11 Line 1的參數(shù)設(shè)置需要說明

33、的是，在實際的10kV配電系統(tǒng)中，單回架空線路的輸？送容量一般在0.22MVA，適宜的輸送距離范圍為620km，本文的仿真模型將輸電線路人為地加長，這樣可以使仿真時的故障特征更為明顯，而且不用很多輸電線的出線路數(shù)，不影響仿真結(jié)果的正確性。 線路負(fù)荷Load1、Load2、Load3均采用“Three-phase Series RLC Load”模型，其有功負(fù)荷分別為1MW、0.2MW、2MW，其它參數(shù)相同。線路負(fù)荷Load1參數(shù)設(shè)置如圖3.12所示。圖3.12 Load 1的參數(shù)設(shè)置 每一線路的始端都設(shè)三相電壓電流測量模塊“Three-Phase V-I Measurement”將測量到的電壓

34、電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)镾imulink信號，相當(dāng)于電壓、電流互感器的作用。參數(shù)設(shè)置如圖3.13所示。圖3.13 三相電壓電流測量模塊參數(shù)設(shè)置 在仿真模型中，選擇在第三條出線1km處（Line3和Line4之間）發(fā)生A相金屬性單相接地，故障模塊的參數(shù)設(shè)置如圖3.14所示。圖3.14 故障模塊參數(shù)設(shè)置 系統(tǒng)的零序電壓3和每條線路始端的零序電流3采用如圖3.15所示方式得到，（以線路1為例）。圖3.15零序電壓3和零序電流3的獲取方法 故障點的接地電流可以用萬用表測量方式得到，如圖3.16所示。圖3.16 故障點接地電流獲取方法 根據(jù)以上設(shè)置的參數(shù)，可以通過計算得到系統(tǒng)在第三條出線1km處（Line3 和L

35、ine4 之間）發(fā)生A相金屬性單相接地時各線路始端的零序電流有效值為： （3.1）同理可得 （3.2） （3.3）接地點的電流為 （3.4）3.2.3 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的仿真及計算在圖3.9的基礎(chǔ)上，在電源的中性點接入一個電感線圈，其它參數(shù)值一致即為中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的仿真模型，如圖3.17所示。圖3.17 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的仿真模型如果要使接地點的電流近似為0（即全補(bǔ)償），應(yīng)滿足 L=1/3 （3.5）式中，L為消弧線圈的電感；為系統(tǒng)三相對地電容。根據(jù)線路參數(shù)，可求得=3.3534×10F （3.6）因此為實現(xiàn)完全補(bǔ)償應(yīng)有L=0.9566H由于完全補(bǔ)償存在串聯(lián)

36、諧振過電壓問題，因此實際工程常采用過補(bǔ)償方式，當(dāng)采用過補(bǔ)償10%時，經(jīng)計算消弧線圈的電感L=0.8697H。通過上述計算，模型中消弧線圈的參數(shù)設(shè)置如圖3.18所示，線圈所串電阻為阻尼電阻。圖3.18 消弧線圈參數(shù)設(shè)置3.3 仿真結(jié)果與分析在仿真開始之前，選擇離散算法，仿真結(jié)束時間取0.2s，利用Powergui模塊設(shè)置采樣時間為0.0001s。系統(tǒng)在0.04s時發(fā)生A相金屬性接地故障。3.3.1 中性點不接地系統(tǒng)的仿真結(jié)果與分析運行如圖3.9所示的10kV中性點不接地系統(tǒng)仿真模型得到如下圖3.19-3.29所示的波形圖圖3.19 A相線電壓波形圖圖3.20 B相線電壓波形圖圖3.21 C相線電

37、壓波形圖圖3.22 A相對地電壓波形圖圖3.23 B相對地電壓波形圖圖3.24 C相對地電壓波形圖圖3.25 零序電壓3U0（kV）波形圖圖3.26 零序電流3I01（A）波形圖圖3.27 零序電流3I02（A）波形圖圖3.28 零序電流3I03(A)波形圖圖3.29 故障點接地電流波形圖由圖3.19和圖3.20可以看出0.04s時系統(tǒng)發(fā)生A相接地故障后，各相線電壓不變，A相對地電壓變?yōu)榱?，而其它兩相對地電壓變?yōu)橹暗谋?。由圖3.21到3.25可以得到各線路零序電流和接地電流的有效值為3=8.83A, 3=10.99A, 3=16.86，=23.64A (3.7)與理論值相比，仿真結(jié)果大一點，

38、但是誤差在3%之內(nèi)。根據(jù)以上中性點不接地仿真結(jié)果波形圖可知系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障之前線路中無零序電壓和電流，發(fā)生故障后才出現(xiàn)零序電壓電流，零序電壓的大小為故障前的相電壓。故障后故障相對地電壓變?yōu)榱?，非故障相對地電壓升高至線電壓。線路越長，其對地電容越大，容抗越小，對地電流就越大導(dǎo)致非故障相零序電流的幅值隨線路的加長而變大。非故障線路零序電流超前零序電壓90°（電容電流的方向是由母線流向線路）。故障線路零序電流滯后零序電壓90°（電容電流的方向是由線路流向母線）。故障線路零序電流等于非故障元件對地電容電流總和。故障后零序分量采用三相序分量模塊得來，如圖3.30所示，所得波形圖如

39、圖3.31所示。圖3.30 三相序分量模塊圖3.31 故障線路零序電流的幅值和相位 從上圖可知故障線路零序電流幅值=9.52A，則3為 3=3×6.52/A=16.83A （3.8）從圖3.28中得到的3=16.86A僅差0.2%。3.3.2 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的仿真結(jié)果與分析運行如圖3.17所示的10kV中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)仿真模型得到如下圖3.32-3.44所示的波形圖。圖3.32 A相線電壓波形圖圖3.33 B相線電壓波形圖圖3.34 C相線電壓波形圖圖3.36 A相對地電壓波形圖圖3.37 B相對地電壓波形圖圖3.38 C相對地電壓波形圖圖3.39 零序電壓3U0（

40、kV）波形圖圖3.40 零序電流3I01（A）波形圖圖3-41 零序電流3I02（A）波形圖圖3.42 零序電流3I03（A）波形圖圖3.43 消弧線圈電流波形圖圖3.44 故障點的接地電流波形圖 由上面的波形圖可以看到，經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后的故障點接地電流明顯減小，是由于消弧線圈的電感電流補(bǔ)償電網(wǎng)的接地電容電流。非故障線路的零序電流仍是本身的電容電流，零序電流超前零序電壓90°，電容電流的實際方向為母線流向線路，與中性點不接地系統(tǒng)是相同的。但是故障線路的零序電流大于本身的電容電流，并且電容電流的實際方向是由母線流向線路。在這種狀況下無法利用電流方向來判斷故障線路，也

41、很難用零序電流的大小來找出故障線路。 將圖3.29中性點不接地系統(tǒng)故障點接地電流波形圖和圖3.44中性點經(jīng)消弧線圈系統(tǒng)故障點的接地電流波形圖對比可以直觀的看出未加入消弧線圈時故障點接地電流恢復(fù)穩(wěn)定后為30A左右在加入消弧線圈之后由于消弧線圈的補(bǔ)償作用，故障點接地電流恢復(fù)穩(wěn)定后減少到5A左右，減小了故障點電弧重燃的可能性，降低了電弧接地過電壓的數(shù)值，及持續(xù)時間，從而減輕了設(shè)備的損壞程度，保證了供電的可靠性。4 結(jié)論和展望4.1 主要研究結(jié)論隨著我國現(xiàn)代化的建設(shè)時代的進(jìn)步，對電力的需求越來越大，配電網(wǎng)越來越龐大，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，電氣設(shè)備越來越多。發(fā)生單相接地故障時系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)量和暫態(tài)量都復(fù)雜多變，不

42、易檢測。利用MATLAB對小電流接地系統(tǒng)單相接地故障進(jìn)行仿真，可以很直觀的再現(xiàn)故障發(fā)生時系統(tǒng)的零序電流和零序電壓等物理量的變化。中性點不接地系統(tǒng)，單相接地故障發(fā)生后，由于中性點N不接地，所以沒有形成短路電流通路，故障相都將流過正常負(fù)荷電流，線電壓依然保持對稱，因此可以短時間不予以切除。這段時間可以用于查明故障原因并排除故障，或者進(jìn)行倒負(fù)荷操作，因此該方式對于用戶的供電可靠性高，但是接地相電壓將降低，非接地相電壓將升高至線電壓，對電氣設(shè)備絕緣造成威脅。單相接地故障發(fā)生后系統(tǒng)不能長期運行。事實上，對于中性點不接地系統(tǒng)，由于線路分布電容（電容數(shù)值不大，而容抗很大）的存在，接地故障點和導(dǎo)線對地電容還是

43、能夠形成電流通路的，從而有數(shù)值不大的電容性電流在導(dǎo)線和大地之間流通。一般情況下，這個容性電流在接地故障點將以電弧形式存在，電弧產(chǎn)生的高溫會損毀設(shè)備，甚至引起附近建筑物燃燒起火，不穩(wěn)定的電弧燃燒還會引起弧光過電壓，造成非接地相絕緣擊穿進(jìn)而發(fā)展成為相間故障，導(dǎo)致斷路器動作跳閘，中斷對用戶的供電。中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，在正常情況下，中性點與大地之間的消弧線圈沒有電流流過，消弧線圈不起作用；當(dāng)接地故障發(fā)生后，中性點將出現(xiàn)零序電壓，在這個電壓的作用下，將有感性電流流過消弧線圈并且流入發(fā)生接地故障的電力系統(tǒng)，從而抵消在接地點流過的電容性接地電流，消除或減輕接地電弧電流的危害，但長期接地運行依然是不允許

44、的。4.2 研究感想本文利用MATLAB仿真軟件僅僅建立了一個簡單的仿真模型，而實際的電力系統(tǒng)是復(fù)雜的還有很多電氣設(shè)備都沒有考慮到。仿真的參數(shù)都是采用的相同的參數(shù)，而在實際情況下由一些特殊的參數(shù)改變也沒有考慮到。所以這些因素對仿真結(jié)果有著或多或少的影響。由于實際條件不允許，不能對小電流接地系統(tǒng)單相接地故障進(jìn)行真實的實驗，不能與MATLAB仿真結(jié)果進(jìn)行對比。小電流接地系統(tǒng)單相接地故障多為電弧型接地故障。電弧型接地又分為間歇性電弧和穩(wěn)定電弧。間歇性電弧是有些電弧故障在故障消失后由重燃，穩(wěn)定電弧是電弧只在故障電流過零時熄滅然后又重燃。在電網(wǎng)所有接地故障中約60%屬于間歇性電弧由于不穩(wěn)定的間歇性電弧多

45、次不斷的熄滅和重燃，在故障相和非故障相的電感電容回路上會引起高頻振蕩過電壓，非故障相的過電壓幅值一般可達(dá)3.153.5倍相電壓，這種過電壓是由于系統(tǒng)對地電容上電荷多次不斷的積累和重新再分配形成的，是斷續(xù)的瞬間發(fā)生的且幅值較高的過電壓，而故障電流中的穩(wěn)態(tài)信息由十分微弱，使得利用穩(wěn)態(tài)信息的檢測方法失去了理論基礎(chǔ)，從而使故障信息檢測分析十分困難。 快速準(zhǔn)確的找出故障線路并排除故障，不僅可以提高電力系統(tǒng)供電的可靠性，還可以減少電氣設(shè)備的損耗延長使用壽命，所以用于故障線路的定位方法零序電流比幅法、零序功率方向法、五次諧波電流法、注入信號法將要著重發(fā)展。致 謝這篇論文的完成，標(biāo)志著我在三峽大學(xué)科技學(xué)院的學(xué)

46、習(xí)生涯即將結(jié)束。四年的大學(xué)生活轉(zhuǎn)瞬即逝，在這四年當(dāng)中我不僅學(xué)到了豐富的知識還培養(yǎng)了學(xué)習(xí)能力，還學(xué)會了如何跟他人相處更好的適應(yīng)社會，使我受益終生。即將離別母校，更覺感激與不舍。 本研究及學(xué)位論文是在我的導(dǎo)師翁漢琍老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。從課題的選擇到論文的最終完成，翁老師為人隨和熱情，治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)心，雖身負(fù)教學(xué)、科研重任，仍多次詢問我的研究進(jìn)程，為我指點迷津。翁老師一絲不茍的作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)求實的態(tài)度，踏踏實實的精神，讓我學(xué)到了很多。感謝李雪華學(xué)長，我在畢業(yè)設(shè)計中遇到問題的時候總會細(xì)心的指導(dǎo)講解，直到我弄懂為止。學(xué)長解決問題是開闊的視野清晰地思路嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度是我以后學(xué)習(xí)生活的榜樣。感謝我的室友同學(xué)。我們在一起度過了很多快樂開心的日子。在他們的幫助下我順利的解決了生活中遇到的各種困難。 最后深深的感謝呵護(hù)我成長的父母。每當(dāng)我遇到困難的時候父母總是第一個給我鼓勵的人?；仡?0多年來走過的路每一個腳印都浸滿著他們無私的關(guān)愛和諄諄教誨