小电流接地系统单相故障的Matlab仿真

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1、小电流接地系统单相故障的 Matlab 仿真周羽生,彭 琢,韦肖燕,邝江华(长沙理工大学电气与信息工程学院,长沙 410076)摘要:小电流接地系统发生单相接地故障导致非故障相电压升高,为防止进一步扩大成两点或多点接地甚至相间短路,应及时采取措施消除该故障。文中利用 Matlab对中性点不接地系统单相接地故障进行仿真,重点探讨了仿真模型的搭建过程;通过对各线路零序电流波形的分析,判断出故障线路;通过对故障线路三相电压、电流波形的分析,判断出接地相。该方法简单、准确、可靠,较好解决了中性点不接地系统单相接地问题。关键词:小电流接地系统;仿真;零序电流;三相电压;三相电流中图分类号:TM743 文

2、献标志码:A 文章编号:1003 28930(2009)0420050203Matlab Simulation on Single2phase2to2earth Faultof Small Current Grounding Power SystemZHOU Yu2sheng,PENG Zhuo,WEI Xiao 2yan,KUANG Jiang2hua(College of Electrical Engineering and Information,Changsha Universityof Science and Technology,Changsha 410076,China)Abst

3、ract:The single 2phase grounding fault happens in the small current grounding power system,the voltageof unfault phase will jump higer;In order to prevent the fault from enlarging two pots.or more pots.ground2ing fault or even short2circuit betweem phases,action should be taken to eliminate the faul

4、t in time.In this pa2per,using matlab to simulate single 2phase 2 to 2earth fault of the neutral ungrounding power system,by analy2zing zero sequence current of each line,the fault line is judged;by analyzing three 2phase voltage、three 2phasecurrent of fault line,the fault phase is judged.The method

5、 is simple、exact and reliable,which well solves sin2gle 2phase grounding fault of the neutral ungrounding power system.Key words:small current grounding power system;simulation;zero sequence current;three 2phase voltage;three 2phase current 小电流接地系统又称为中性点非直接接地系统,包括三种接地类型1:中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点经高阻接地。我

6、国 110 kV以下的电网多采用该系统。其优点2是,当系统发生单相接地故障时不形成短路回路,只是经线路对地电容形成回路,接地点的电流很小,三相线电压仍然保持对称关系,不影响对负荷连续供电,故不必立即跳闸,规程规定可以继续运行1 2 h,从而提高了系统运行的可靠性。但是小电流接地系统发生单相接地故障时,其它两相对地电压升高,有可能进一步扩大成两点或多点接地甚至是相间短路。所以,一旦发生了单相接地故障,希望能尽快找到故障点以便运行人员及时排除故障。1 中性点不接地系统以中性点不接地系统为例,对小电流接地系统单相接地故障作理论分析。假定馈线2 的A 相经过渡电阻接地,接地电阻为 50 8。当馈线2的

7、 A 相接地后,如果忽略负荷电流和电容电流在阻抗上的压降,则故障线路各相对地电压为UA 2D=0(1)第 21 卷 第 4 期2009 年 8 月 电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报Proceedings of the CSU2EPSA Vol.21 No.4Aug.2009收稿日期:2008 2 10 206;修回日期:2008 211205基金项目:湖南省自然科学基金项目(07JJ3101);湖南省科技计划项目(2007FJ3008)UB2D=EB-EA=3EAe-j150b(2)UC2D=EC-EA=3EAej150b(3)式中,EA、EB、EC是发电机三相电动势。可知全系统 A

8、 相对地的电压等于零,因此各元件 A 相对地电容电流也等于零;而故障线路的非故障相的电压升高到原来的 3 倍,其对地电容电流也随之升高3 倍。如考虑负荷电流和电容电流在阻抗上的压降,故障相电压电流不会降低到 0,但较故障前依然会降低。非故障相的电压电流不会升高 3 倍,但较故障前依然会升高。2 系统仿真Matlab 的 电 力 系 统 工 具 箱 PSB(powersystem block)含有丰富的电力系统元件模型,包括电源、电机、电力电子、控制和测量以及三相元件库等3,再 借 助于 其他 模块 库或 工 具箱,在Simulink 环境下,可以进行电力系统的仿真,尤其可以实现复杂的控制方法仿

9、真。2.1 模型窗口的建立在 Matlab 的命令行窗口(command window)中输入 powerlib2,打开一 个称为 powerlib2 的Simulink 窗口,它包含电力系统工具箱下的各种子模块集合,有电源、元件、电力电子、电机、连接以及测量等子模块库。依次点击 File/New/Model,打开一个 Model 编辑窗口,将其另存为 scs.mdl 保存,然后就可以在该窗口搭建各种系统模型。2.2 中性点不接地系统的初步搭建双击powerlib2的子模块库,根据需要,拷贝或拖曳元件模块到 scs 模型窗口。安排好各元件大致的顺序后,拖动鼠标左键将各模块端口连线连接好。本文仿

10、真母线带 3 出线的系统,其中出线 3 发生 A 相接地故障,仿真模型如图 1所示。图 1 仿真模型Fig.1 Simulation model2.3 仿真参数设置点击 scs 模 型窗口 的Simulation/ConfigurationParameters菜单,在打开的对话框中设置如下:仿真开始时间0 s,结束时间0.2 s;解法器选择Variablestep,Ode23tb;最大步长、最小步长、初始步长都选择 auto;相对容差为 0.001,绝对容差选择为auto 方式。模型内部元件参数:系统频率统一为 50 Hz。三相电源电压设置为 10 kV。线路用集中参数型等值电路表示,三出线长

11、度分别是 60 km、80 km 和100 km,线路各序参数使用元件固有参数:正序电阻=0.01273 8/km,零序电阻=0.3864 8/km;正序感抗=0.9337 mH/km,零序感抗=4.1264mH/km;正序容抗=12.74 pF/km,零序容抗=7.751 pF/km。各线路末端三相负荷的参数根据需要自行设置。2.4 接地点的实现单相接地故障可以通过断路器、单相阻抗和接地元件的串联结构6来实现。更为简单的方法,是运用图 3 所示的三相故障模块,即在故障线路上并联 32phase Fault 模块。32phase Fault 模块可以实现各种相间故障、接地故障,通过调节 32p

12、hase Fault 的选项来仿真不同相的接地,通过调节 32phase Fault 的过渡电阻的阻值来模拟接地电阻,还可设置故障发生与切除的时间,同时还可以通过调整 3 2phase Fault 前后线路模型参数来模拟不同距离接地。值得注意的是,模拟金属性接地时,由于故障电阻和接地电阻参数不能设为 0,将其设置足够小即可。32phaseFault 模块参数设置:line3中部A 相发生单相接地故障,接地电阻为 50 8,接地时间 0.045 s。2.5 测量模块的实现分析小电流接地系统接地故障,最重要的目标是获得零序电流或零序电压的数据;应用对于Matlab 分析,就是得到各出线的零序电流或

13、零序电压的波形,对其故障期间的波形进行分析,从而判断故障相与故障线路。零序电流:I0=1/3(IA+IB+IC)(4)零序电压:U0=1/3(UA+UB+UC)(5)为测得各线路的零序电流和零序电压,原理如式(4)、(5),首先在各线路首段串联三相电流电压测量模块 Three phase V2I measurement,此模块有两个输出端,输出矢量信号,分别输出线路的三相电流和三相电压;然后用分路器模块 Demux 将矢量信号分解成三个单一信号,分别是 A 相、B 相和C相的电流或电压;最后用加法器将三个单一信#51#第 4 期 周羽生等:小电流接地系统单相故障的 Matlab 仿真号合成一个

14、信号,即 3 倍的零序电流或零序电压,再经过数值为1/3的增益模块Gain,将零序电流或零序电压在示波器 Scope 中输出。如果需要对信号进行其它处理,可在示波器中将信号存为.mat 的数据文件,保存在 Matlab 的工作空间 Workspace,然后就可以利用 Matlab 的各种信号及图形处理工具对其进行处理。3 故障选线及选相运行 Simulink,运行完后,在各个示波器中就可以参看线路的零序电流波形。仿真得到的各线路的零序电流波形如图 2所示。(a)线路 1 的零序电流波形(b)线路 2 的零序电流波形(c)线路 3 的零序电流波形图 2 各线路的零序电流波形Fig.2 Zero

15、2sequence current waveform of each line 通过对图 2(a)(b)(c)比较,可以发现:0 s 0.045 s 各线路完好,三相电流对称,因此零序电流等于 0。而 0.045 s 系统发生单相接地故障,三相电流不再对称,且直到仿真结束时刻 0.2 s,系统单相接地故障仍未排除;因此0.045 s 0.2 s各线路存在较大的零序电流。线路 3零序电流的方向与线路1、2 零序电流的方向相反,并且数值比它们大;在同样时刻对 3 个图形进行采样,会发现线路 3 零序电流等于线路 1、2 零序电流和,且极性相反。中性点不接地系统发生单相接地故障,可以通过比较各线路零

16、序电流的大小和方向,由故障线路零序电流与非故障线路零序电流在大小和方向上的差异性,从而做出选线判断,也就是基波零序电流比幅比相法。再确定故障相,可用故障线路的电流电压的波形作为判据,如图 3 所示。(a)故障线路的三相电压波形(b)故障线路的三相电流波形图 3 故障线路的三相电压电流波形Fig.3 Three 2phase voltage and current of the fault line 比较图 3 中电流电压波形:故障发生后,A 相电压降低,同时 A 相电流升高。由此可以判断出 A相就是故障相。4 结语小电流接地系统在我国中低压电网被广泛应用,该系统中单相接地故障发生次数占总故障次

17、数的 80%以上。因此,对小电流接地系统单相接地故障的研究具有及其重大的意义。本文作者应用Matlab 对该系统单相接地故障进行仿真,通过对(下转第 99 页)#52#电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报 第 21 卷tomation Equipment),2005,25(7):12-17.8 葛少云,张国良,申刚,等(Ge Shaoyun,Zhang Guo2liang,Shen Gang,et al).中压配电网各种接线模式的最优分段(Optimal sectioning of connection modesin medium voltage distribution system

18、s)J.电网技术(Power System Technology),2006,30(4):87-91.9 郭永基.电力系统可靠性原理和应用M.北京:清华大学出版社,1986.10葛 少 云,郭 明 星,王 成 山,等(Ge Shaoyun,GuoMingxing,Wang Chengshan,et al).城市高压配电网接线模式比较研究(Comparative study of connec 2tion modes in high2voltage distribution networks)J.电力自动化设备(Electric Power Automation E2quipment),2004

19、,24(2):33-37.11闵 宏生,阙之 玫,吴 丹,等(Min Hongsheng,QueZhimei,Wu Dan,et al).不同负荷密度下的配电网供电模式 研究(Study on the distribution networkpower supply modes under different load density)J.供用电(Distribution&Utilization),2006,23(2):19-21,24.12陈大宇,肖峻,王成山(Chen Dayu,Xiao Jun,WangChengshan).基于模糊层次分析法的城市电网规划决策综合评判(A FAHP 2b

20、ased MADM method inurban power system planning)J.电力系统及其自动化学报(Proceedings of The CSU2EPSA),2003,15(4):83-88.13郭团军,程浩忠,周敏,等(Guo Tuanjun,ChengHaozhong,Zhou Min,et al).中压配电网络实用规划方法(A practicable method for mid2voltage powersystem planning)J.电 力系 统及 其自 动化 学报(Proceedings of the CSU2EPSA),2003,15(6):25-28,

21、52.14王敏,丁明(Wang Min,Ding Ming).含分布式电源的配电系统规划(Distribution network planning inclu2ding distributed generation)J.电力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSU2EPSA),2004,16(6):5-8,23.作者简介:谢晓文(1977-),男,本科,工程师,研究方向为输配电及用电应急管理。Email:xxw_刘 洪(1979-),男,博士,讲师,研究方向为城市电网规划和决策支持理论。Email:(上接第 52 页)各线路零序电流大小和方向的比较,判别出故障线路;通

22、过故障线路三相电流和三相电压的分析,判别出故障相。该方法简单、准确,较好地解决了中性点不接地系统单相接地问题。参考文献:1 贺家李,宋从矩.电力系统继电保护原理 M.北京:中国电力出版社,2004.2 张森,张正亮.MATLAB 仿真技术与实例应用教程M.北京:机械工业出版社,2003.3 吴天明,谢小竹,彭彬.Matlab 电力系统设计与分析M.北京:国防工业出版社,2004.4 张庆生,陶维青(Zhang Qingsheng,Tao Weiqing).MATLAB对小电流接地系统单相故障的仿真(Em2ulation of matlab in the single 2phase to gro

23、und faulton power system with neutral unearthed)J.仪器仪表 用 户(Electronic Instrumentation Customer),2006,13(5):154-155.5 陈志亮,范春菊(Chen Zhiliang,Fan Chunju).基于 5次谐波突变量的小电流接地系统选线(Fault line se 2lection for small current grounding system based onthe fifth harmonic current mutation in distributionsystem)J.电力系统及其自动化学报(Proceedingsof the CSU2EPSA),2006,18(5):37-41,69.作者简介:周羽生(1965-),男,博士,副教授,研究方向为电力系统继电保护与配电网自动化、高温超导电力技术、高电压绝缘与监测。Email:彭 琢(1982-),男,硕士研究生,研究方向为配电网接地选线技术。Email:韦肖燕(1982-),女,硕士研究生,研究方向为配电网自动化。Email:#99#第 4 期 谢晓文等:中压配电网接线模式综合比较