配电网中性点接地方式研究毕业论文

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1、本科毕业设计(论文)配电网中性点接地方式研究燕 山 大 学2013年6月 本科毕业设计(论文)配电网中性点接地方式研究学院(系)：电气工程学院 专 业：电力系统及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师： 答辩日期：2013年6月23日 燕山大学毕业设计(论文)任务书学院：电气工程学院 系级教学单位：电力工程系学号学生姓名专业班级题目题目名称配电网中性点接地方式研究题目性质1.理工类：工程设计( )；工程技术实验研究型()；理论研究型( )；计算机软件型( )；综合型( )。2.文管类( )；3.外语类( )；4.艺术类( )。题目类型1.毕业设计() 2.论文( )题目来源科研课题( )生产

2、实际()自选题目()主要内容1、理论分析不同的中性点接地方式下单相接地时暂态、稳态等值电路2、分别建立10kV系统中性点不接地、直接接地、经低电阻接地、经消弧线圈接地的MATLAB仿真模型3、对四种中性点接地方式下发生单相接地故障时电压、电流波形进行分析。基本要求1遵守毕业设计间的期纪律，按时参加答疑；2独立完成设计任务，培养基本的科研能力；3设计说明书一份(不少于2万字)，A1图纸一张；英文资料翻译不少于3千字；说明书要求条理清晰、文笔通顺，符合毕业设计撰写规范的要求；论文、图纸中的文字符号符合国家现行标准；4完成相关仿真实验，并反映在论文中。参考资料1吴天明. MATLAB电力系统设计与分

3、析. 国防工业出版社2王贤琴, 等. 中性点接地问题的MATLAB 仿真与分析. 广西电力, 2004, 4:36-393自查资料周次14周58周912周1316周1718周应完成的内容查阅文献，掌握相关知识，熟悉MATLAB软件的使用方法。搭建四种中性点接地情况下电力系统仿真模型。对单相接地故障进行仿真。分析仿真结果，对有关问题进行总结。撰写毕业论文，准备答辩。指导教师：职称：年月日系级教学单位审批：年月日摘要摘要电力系统中性点接地是一个涉及到供电可靠性和连续性、配电网和线路结构、继电保护方式、过电压保护和绝缘配合、设备和人身安全、通信干扰、系统稳定等多方面因素的综合性技术问题。本文介绍了配

4、电网中性点不接地、直接接地、经低电阻接地、经消弧线圈接地四种不同的方式，并对中性点不接地、经低电阻接地、经消弧线圈接地三种方式发生单相接地故障时进行了暂态、稳态分析。利用MATLAB仿真平台中的电力系统工具箱(PSB)搭建了10kV电力系统仿真模型，并对相关设备参数进行了计算选择。通过对四种接地方式的仿真，获得四种方式在单相接地故障时的电压、电流波形图和相关数据。同时，对单一接地方式在不同接地条件下的波形、数据进行了对比分析，对不同接地方式在相同接地条件下的波形、数据进行了对比分析。关键词 配电网；中性点接地；MATLAB仿真；单相故障AbstractPower system neutral

5、grounding is one related to the reliability and continuity of supply, distribution and line structures, protection methods, over-voltage protection and insulation coordination, equipment and personal safety, communications interference, system stability and other factors comprehensive technical prob

6、lems.This article describes four different grounding ways containing the distribution network ungrounded, directly to ground through a low resistance grounding and arc suppression coil grounding.And a transient, steady-state analysis of ungrounded, by the low resistance grounding and arc suppression

7、 coil grounding is given when ground fault occurs.Using MATLAB Simulation Platform Power System Toolbox (PSB) to build a 10kV power system simulation model, and related equipment parameters were calculated choice. Through the four grounding simulation, obtaining the voltage and current waveforms and

8、 related data of four grounding ways when single-phase ground fault occurs. A single mode with different ground conditions, the waveform and the data is compared Different grounding modes with the same ground condition,waveform diagram and the data is compared.Keywords Distribution network；neutral g

9、round；MATLAB simulation；single-phase fault目录摘要Abstract第1章 绪论11.1 课题背景和意义11.2 10kV配电网中性点接地方式的发展和现状21.2.1 国外中性点接地方式的发展和现状21.2.2 国内中性点接地方式的发展和现状31.3 课题的发展趋势及存在问题41.4 本文的主要内容5第2章 配电网不同中性点接地方式理论分析62.1 中性点接地方式概况62.2 单相接地故障分析方法72.3 中性点不接地系统72.3.1 单相接地故障稳态分析82.3.2 单相接地故障暂态分析92.4 中性点经小电阻接地系统122. 4.1 单相接地故障稳态

10、分析122. 4.2 单相接地故障暂态分析132.5 中性点经消弧线圈接地系统142. 5.1 单相接地故障稳态分析142. 5.2 单相接地故障暂态分析162.6 中性点直接接地系统172.7 本章小结18第3章 基于MATLAB的配电网仿真和计算203.1 MATLAB软件和PSB模块介绍203.2 10kV配电网模型的搭建203.2.1 10kV配电网仿真模型203.2.2 10kV配电网仿真模型参数设置203.3 中性点不接地系统仿真模型223.3.1 模型参数223.3.2 仿真分析233.4 中性点经小电阻接地系统仿真模型253.4.1 模型参数253.4.2 仿真分析253.5

11、中性点经消弧线圈接地系统仿真模型273.5.1 模型参数273.5.2 仿真分析293.6 中性点直接接地系统仿真模型343.6.1 模型参数343.6.2 仿真分析343.7 不同接地方式的对比分析363.8 本章小结37第4章 配电网不同中性点接地方式的应用384.1 中性点不接地方式384.1.1 中性点不接地系统特点384.1.2 中性点不接地系统适用范围384.2 中性点经小电阻接地方式394.2.1 中性点经小电阻接地系统特点394.2.2 中性点经小电阻接地系统适用范围394.3 中性点经消弧线圈接地方式404.3.1 中性点经消弧线圈接地系统特点404.3.2 中性点经消弧线圈

12、接地系统适用范围404.4 中性点直接接地方式404.4.1 中性点直接接地系统特点404.4.2 中性点直接接地系统适用范围414.5 本章小结41结论42参考文献43致谢46附录47第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题背景和意义配电网系统作为直接为用户生产生活提供电能支持的系统，其所具有的功能就是把变电站或者小型电厂提供的电力输送给没个用户，并且在必要的地方进行合适电压等级的转换。在配电网运行中，如何提高系统的可靠性和经济性受到国内外的重视。如美国将优化电力系统整体特性和灵活性作为了近期三个研究目标之一。根据美国能源部(DOE)输配电办公室及美国电力研究院(EPRI)公布的电力产业未来工作

13、设想，将配电网智能型自动化配电的实现作为第一建设目标，以此来提高供电可靠性和经济性。在国内，政府部门也将投入巨额资金对城市电网和农村电网为主的配电网进行大规模改造，包括了扩大电网容量、更新电网设备、将强电网结构、应用最新控制技术等，其目的就是为了提高配电网系统可靠性和经济性。配电网一般包括高压配电网、中压配电网和低压配电网。目前在实际应用中，高压配电网运行较多，主要包括110kV和35kV电压等级，个别负荷较重的工业区或商业密集区也有采用220kV电压等级的。中压配电网主要是指10kV电压等级，个别区域或部门也有采用20kV电压等级的。低压配电网则是指380V或220V的用户电压。在三种配电网

14、类型中，中压配电网电网量大面广，担负着直接为广大用户供电的任务，而且其中性点接地的方式历来就是一个复杂的系统工程问题。从技术角度来说，中压配电网中性点接地方式涉及到电网的安全运行、供电可靠性、过电压和绝缘的配合、继电保护、接地设计等多个因素，同时对通信和电子设备的干扰、人身安全等方面有重要影响。对配电网选择合适的中性点接地方式是最重要和最灵活的提高中压配电网可靠性和经济性的方法之一，因此研究中性点接地方式的特性对配电网的运行也显得尤为重要。目前配电网中性点接地方式主要有四种：中性点不接地、中性点直接接地、中性点经电阻接地和中性点经消弧线圈接地。为了适应中压配电网的发展，其中性点接地方式从不接地

15、发展为现在的经小电阻接地和经消弧线圈接地方式。对于架空线路配电网，消弧线圈接地方式比较合适。而在电缆配电网中，这些中性点接地方式就各有利弊了。因此需要对以电缆线路铺设或电缆线路和架空线路的混合线路铺设的中压配电网进行分析研究，从而对现有的几种方式进行改进或者找到一种更有利于提高配电系统运行的接地方式。电力系统接地方式涉及配电网的供电可靠性、安全运行、用户安全、通信干扰、建设资金投入等诸多问题。在专业技术方面涉及电力系统、过电压、绝缘配合、通信自动化、电磁干扰、继电保护、接地设计等诸多方面。因此配电网中性点接地是一个内容广泛，涉及领域众多的系统工程问题，收到国内外专家学者的重视，同时也是重要的研

16、究课题。近些年，世界各国工业飞速发展，电网所承受的负荷也随之增加，为应对所产生的的问题，配电网结构发生了很大的改变，原有的架空线为主的配电网系统正在被电缆取代，随着电网规模的不断扩大以及电缆的大量使用，系统中的电容电流大幅度的增加，特别是在后夜用户负荷减少，电缆对地及相间电容形成的夜间容性无功过剩及对地电容电流的增大对配电网产生的影响日益严重。特别是当单相接地故障发生时，过大的电容电流使电弧不能自熄，严重威胁到中压配电网的安全运行情况。同时，非故障相的对地电压的增大，导致线路故障的几率也随之增大。现在的社会对配电网的安全运行要求越来越高，有些地区部门甚至需要不间歇供电，为应对当前面临的问题，选

17、择合适的中性点方式尤为重要。1.2 10kV配电网中性点接地方式的发展和现状1.2.1 国外中性点接地方式的发展和现状原苏联对于中性点不接地的方式有过详细规定，具体如下：6kV电网单相接地电流小于30A；10kV电网单相接地电流小于20A；1520kV电网单相接地电流小于15A；35kV电网单相接地电流小于10A。当单相接地电流超过上述规定时，则需要采用中性点经消弧线圈接地方式。而在实际中，为提高供电可靠性，前苏联和东欧配电网基本采用了经消弧线圈接地方式。 消弧线圈是由德国工程师彼得逊于1916年发明并使用在配电网中，同时他也提出了经消弧线圈接地的电力系统谐振接地方式。以此来解决因电网对地电容

18、电流引起的单相接地弧光过电压的问题。消弧线圈自1916年投入使用以来积累了大量经验，如柏林市30kV电网中，共有电缆1400km，电容电流高达4kA，其也采用了经消弧线圈接地的运行方式。但消弧线圈并非解决了所有问题，后来由于220kV电网中事故较多，19世纪60年代就不再使用消弧线圈了。在英国，其66kV的电网中性点采用了经电阻接地的方式。对于33kV以下由架空线路组成的配电网则改成了经消弧线圈接地的方式；而电缆组成的配电网仍旧采用经电阻接地的方式。法国城市配电网电压定为20kV，其中性点采用的是经电阻或电抗接地方式。自1962年开始采用20kV电压起，电缆共4886km，中性点采用经小电阻接

19、地方式，单相接地电流1kA。比利时布鲁塞尔的10kV系统的中性点采用的是小电阻接地方式，单相接地电流原为2kA，现在为了减少对通讯的影响，现改为1kA1.美国在20年代中期至40年代中期，在其2277kV电网中采用了快速切除故障的中性点直接接地方式，约占电网的71。自1947年，经消弧线圈接地方式有所发展；约占5.4，经电阻或小阻抗接地方式约各占6.5；不接地系统约占10.6。自1950年以来，日本20kV电缆和架空线路混合电网一直采用中性点不接地方式，而随着电缆的增加，为防止接地继电器的误动、拒动和中性点位移，现在开始采用经40-90低电阻接地方式。1969年改用40+460电阻器接地方式，

20、0.7秒短接460电阻确保迅速准确选线断开单相接地故障线路。1975年统计11-33kV配电网中性点不接地系统约占40%，经消弧线圈约占28%，经电阻接地约占30%，直接接地约占2%。其电阻接地电流限制在100200A。东京电力公司所属配电网，其中性点接地方式为66kV配电网采用电阻、电抗和消弧线圈接地；22kV配电网采用电阻接地方式2。1.2.2 国内中性点接地方式的发展和现状建国初期至80年代，我国完全参照了前苏联的规定，对366kV配电网中性点主要采用不接地或经消弧线圈接地两种方式。80年代中期，我国10kV配电网中电缆线路逐渐增多，定容电流增大，而且运行方式经常发生变化，对消弧线圈调整

21、存在困难，当单相接地的时间很长时，容易发展为两相短路。对此，从1987年起，广州采用了地电阻接地方式来满足10kV电缆较低的绝缘水平；随后深圳根据其10kV电网的实际情况，从95年开始实施10kV电网的低电阻接地的工程；天津电缆网线比较多，过去多以消弧线圈接地为主，现在对其35kV电网试行低电阻接地方式。上海在90年代对35kV配电网全面采用低电阻接地方式3。中压电网的中性点接地方式在国内也有不同的观点，并已成为电网改造中的一个热点问题，根据我国多年的运行经验及科学技术的进步，解决了中压电网中性点经消弧线圈接地系统长期难以解决的技术难题。自动跟踪消弧线圈及接地选线装置的不断完善和推广应用，为中

22、压电网中性点经消弧线圈接地提供了技术保障。为此，在我国采用中性点经消弧线圈接地方式是我国中压电网的发展方向。世界各国大多在50年代前后，开始采用不接地或经消弧线圈接地，到六十年代以后，有的国家开始采用直接接地或经小电阻接地，有的仍采用经消弧线圈接地方式。1.3 课题的发展趋势及存在问题国内外对配电网中性点接地进行了大量的研究，也得出了比较一致的结论：中性点不接地系统的优点，中性点谐振接地系统具有比之更多的优点，；同样，中性点不接地系统所具有的缺点，中性点谐振接地系统也拥有，只是在最大幅值弧光过电压的出现概率上有所下降。在中性点直接接地系统中，中性点低值电阻器接地系统具有更多的优点，而对于中性点

23、经直接接地系统中的缺点，中性点低值电阻器接地系统也都具有，仅是在故障电流方面有所减小。中性点经中值电阻器和低值电阻器接地系统中的区 别不大，经高值电阻器接地系统受限制性较大，所以国内外多采用经消弧线圈接地或低值电阻器接地。目前，在我国的中压配电网中主要有中性点不接地，中性点经消弧线圈接地，中性点经低值电阻接地以及自动跟踪补偿消弧线圈装置接地等方式。这些方式都各自独特的优点，尤其以经小电阻接地和消弧线圈接地两种方式发展尤为迅速。中压电网的中性点接地方式在国内也有不同的观点，并已成为电网改造中的一个热点问题，根据我国多年的运行经验及科学技术的进步，解决了中压电网中性点经消弧线圈接地系统长期难以解决

24、的技术难题。自动跟踪消弧线圈及接地选线装置的不断完善和推广应用，为中压电网中性点经消弧线圈接地提供了技术保障。为此，在我国采用中性点经消弧线圈接地方式是我国中压电网的发展方向。不同的接地方式有着其特点，但也存在着各自的问题。在不直接接地系统中，当单相接地电流过高时，弧光电压不能自行熄灭，给配电网造成严重损害。中性点经小电阻接地系统，接地点的电流较大时，当零序保护动作不及时或拒动时，将使接地点及附近的绝缘受到更大的危害，导致相间故障发生。当发生单相接地故障时，无论是永久性的还是非永久性的，均作用与跳闸，使线路的跳闸次数大大增加，严重影响了用户的正常供电，使其供电的可靠性下降。在中性点经消弧线圈接

25、地系统中，当系统发生接地时，由于接地点残流很小，且根据规程要求消弧线圈必须处于过补偿状态，接地线路和非接地线路流过的零序电流方向相同，故零序过流、零序方向保护无法检测出已接地的故障线路。因目前运行在中压电网的消弧线圈大多为手动调匝的结构，必须在退出运行才能调整，也没有在线实时检测电网单相接地电容电流的设备，故在运行中不能根据电网电容电流的变化及时进行调节，所以不能很好的起到补偿作用，仍出现弧光不能自灭及过电压问题。中性点经消弧线圈接地方式存在的两大缺点，也是两大技术难题。1.4 本文的主要内容本次毕业设计所研究的课题是配电网中性点接地方式研究，其主要内容是：(1)理论分析不同的中性点接地方式下

26、单相接地时暂态、稳态等值电路。(2)分别建立10kV系统中性点不接地、直接接地、经低电阻接地、经消弧线圈接地的MATLAB仿真模型。(3)对四种中性点接地方式下发生单相接地故障时电压、电流波形进行分析。通过对配电网中性点接地方式的研究，以此来了解不同接地方式所具有的优缺点，以及每种方式的供电可靠性。5第2章 配电网不同中性点接地方式理论分析第2章 配电网不同中性点接地方式理论分析2.1 中性点接地方式概况配电网中性点接地方式是指电力系统中的发电机和变压器的中性点与大地的电气连接方式。中性点接地方式可以分为大电流接地系统和小电流接地系统，前者包括中性点直接接地，后者包括中性点不接地、中性点经电阻

27、接地和中性点经消弧线圈接地。在大电流接地系统中，当发生单相接地故障时，由于接地过渡电阻很小且存在短路回路，致使接地电流很大，此时保护装置将动作切除故障。而在小电流接地系统中，当发生单相接地故障时，由于中性点非有效接地，故障点处的电流不会很大，电容电流很小，故允许短时间内带故障运行。由于不同中性点接地方式有其各自的特点，对于接地方式的选取也需要按照相关因素选择。其中影响中性点接地的因素主要如下：(1)供电可靠性供电可靠性作为电力系统的首要要求在中性点接地方式选择上也是最先考虑的。根据我国电网的实际情况来看，我国城市电网设备一般比较陈旧，技术更新不快多数用户供电为单电源单回路方式，一旦发生事故，会

28、给国民经济带来严重损失，同时也影响人民生活。(2)人身安全当配电网尤其是高压配电网发生单相接地故障时，故障点以及中性点接地装置附近都会产生接地电流和跨步电压，跨步电压越大，危险越大。而跨步电压的大小取决于故障点处电流大小，因此选择合适的中性点接地方式尤为重要。(3)绝缘水平绝缘性能会影响到设备的可靠性、安全性以及经济性，而设备的绝缘水平又与中性点接地方式密切相关。(4)继电保护在中性点接地方式中，小电流接地系统的继电保护问题是很大的技术难题。当发生永久性接地故障时，由于接地保护很难正确的选择故障线路，需人工进行拉闸检修，这样就造成相关地区用户停电问题。若自动重合闸不成功，停电时间将会延长，对于

29、重要用户是觉得不允许的。(5)通信干扰通信干扰的产生与中性点接地方式密切相关，若零序阻抗较低，则以电感耦合为主；若零序阻抗较高，则以电容耦合为主。中性点接地方式牵涉到配电网系统的各个方面，故对其的研究也具有十分实际的意义。当配电网正常运行时，不同中性点接地方式及其差异在仿真系统中基本没有反映。但是，当系统发生单相接地故障时，因中性点接地方式的不同，单相接地故障点处的电流的大小和非故障相工频电压的变化是不相同的。所以对不同中性点接地方式的研究也主要分析存在于二者之间的互换特性，以此展示出不同接地方式的内在联系以及各种接地方式的特点和使用范围。2.2 单相接地故障分析方法在配电网正常运行时，不同的

30、中性点接地方式不会反映出很明显的运行差异。但是，当配电网发生单相接地故障时，因接地方式的不同，故障相电流和非故障相电压会产生明显变化。一般在研究中性点单相接地故障时，会以这两者的数值来研究不同接地方式的基本运行特性。同时，通过分析两者之间的互换特性，可以得出不同接地方式的内在联系，以及各种方式的特点和适用范围。具体分析故障相电流和非故障相电压的具体方法如下：(1)画出由三大基本元件构成的电力系统化简等值接线图；(2)根据复合序网图求出各相电压、电流，即可得到故障相的电流和非故障相电压升高等问题的解，从而对接地方式作出比较和评价。2.3 中性点不接地系统中性点不接地方式是指配电网系统中系统中性点

31、与大地没有任何形式的连接，而在系统的三相与大地之间分布着电容，正常时，各相对地电压是对称的，中性点对地电压为零。发生单相接地故障时，流过故障点的电流主要为电容电流，故障相对地电压为零，非故障相对地电压升高为线电压，电网出现零序电压。中性点接地系统的实现很简单，不需要再中性点处附加其他装置。作为非有效接地的一种，可视为经容性阻抗接地系统。2.3.1 单相接地故障稳态分析配电网中性点不接地系统如图2-1所示，为故障点电流。假设A相出现发生单相接地故障，不计系统及线路阻抗，零序等值电路如图2-2所示，为故障点零序电压，为零序电流，为单相等值电容总和。图2-1 中性点不接地系统三相线路示意图图2-2

32、中性点不接地系统的单相接地故障等值电路在中性点不接地系统中，故障电流为系统中等值电容电流，故障电流通常只有几十安培，由于其值远小于正常的负荷电流，一般不会对线路和设备造成破坏。但是，该类故障电流不宜持续时间过长，需要及时自动切除故障线路。在中性点不接地系统中，任何一点的零序阻抗都为无穷大。线路或者其他元件的串联阻抗要比通过线路对地导纳表示的并联阻抗小得多，因此可以忽略不计。这时，故障点处接地电流由各相对地的电容电流构成。因此可得各相电容电流： (2-1)故故障点处电流： (2-2) (2-3)式中，与A相电源电压方向相反，为相电压有效值。非故障相电压数值上等于线电压：= (2-4)2.3.2

33、单相接地故障暂态分析根据戴维南定理，将图2-1简化为图2-3。图中O表示中性点，线路阻抗忽略不计。故单相接地电流计算可得：图2-3 中性点不接地系统单相故障等值电路 (2-5) (2-6)式中，单相接地电流，A；电源角频率，rad/s；相对地电容，F；故障前的相电压，V；故障点的过度电阻，；中性点不接地系统单相故障稳态、暂态等值电路图如图2-4所示，为故障前瞬间电压。当发生金属性接地时=0，有：= (2-7)在不接地系统中单相接地的暂态过程使非故障相产生高频振荡电压，从而使回路中电流急剧升高，其值远大于金属性接地时的问题电流。由图2-4知： (2-8)(1)稳态简化等值电路 (2)暂态简化等值

34、电路图2-4中性点不接地系统单相故障简化等值电路 (2-9) (2-10)由上面的公式可以看出暂态电压与暂态电流均由两部分组成，一部分是以电源角频率变化的和，称为强迫分量；另一部分是以振荡频率的自由分量；两自由分量的相角差为，。式(2-9)和式(2-10)中的、值如下：， ，当很小时，且，时，可得 (2-11) (2-12)其幅值为： (2-13) (2-14)，当远小于，时，由以上推导可得： (2-15) (2-16)当配网发生单相接地故障时，接地点将产生间歇性电弧接地过电压。对于中性点不接地方式，故障相A相产生的过电压为：=(1.52.5) (2-17)非故障相过电压分别为：=(2.53.

35、5) (2-18)2.4 中性点经小电阻接地系统中性点经小电阻接地，就是在系统中性点与大地之间接入了一定阻值的电阻，以此用于释放线路上的过剩电荷，来限制弧光接地过电压。除此之外也人为的增加了有功电流，使得更易于实现选择性保护。一般选用的电阻的值较小。由于选用小电阻接地，当发生单相故障接地时，故障电流一般在100-1000A之间，故保护装置可以根据检测到的故障电流，及时切除配电网系统中的接地线路。同时，在故障发生期间，非故障相的电压也得到限制。中性点经小电阻接地方式在城市配电网中得到广泛应用，因为这种接地方式可以将对发生接地故障时的运行设备和城市通信系统产生的影响限制到最小程度。该接地方式所进行

36、的中性点设备投资不高，系统事故率低，有利于整个系统的安全可靠运行。但是中性点经小电阻接地也有其不足之处，由于接地故障电流较大，较大的接触电压和跨步电压都会对人身安全造成威胁。大电流电弧还有可能烧毁电缆，酿成火灾。2. 4.1 单相接地故障稳态分析中性点经低电阻接地等值电路图如图2-5所示。假设A发生单相接地故障，其零序等值电路图如图2-6所示，为故障点零序电压，为零序电流，为中性点接地电阻，为通过的电流，为电容电流。由下面的等值电路可知：=(+) (2-19)- (2-20)图2-5 中性点经小电阻接地系统三相线路示意图2-6 中性点经小电阻接地系统的单相接地故障等值电路= (2-21)中性点

37、零序电压，V；中性点接地电阻，；2. 4.2 单相接地故障暂态分析故障相A相产生的过电压为：=(1.5+) (2-22)非故障相过电压为：=(2.5+) (2-23)在中性点经小电阻接地系统中，按接地电阻对其进行选择。这种选择的原因是将非故障相的最大工频电压限制到了相电压的2.8倍以下。当发生单相接地故障时，系统可以对单相接地故障电流呈现出最大电阻值。2.5 中性点经消弧线圈接地系统中性点经消化线圈接地即早中性点与大地之间接入一个电感线圈。当系统发生单相接地故障时，故障点处流过电容电流，电网中出现中性点位移电压，而接入的电感线圈会产生一个感性电流，使容性电流与感性电流因相位相反而相互抵消，从而

38、降低故障电流，达到消弧的目的。根据补偿度的不同，消弧线圈分为三类：(1)全补偿，电感电流等于系统的对地电容电流，理想状态下故障点电流为零；(2)欠补偿，电容电流大于电感电流，补偿后的残留呈容性；(3)过补偿，对地电容电流小于电感电流，补偿后的残留呈感性。在实际生活中，一般采用过补偿方式进行接地，使脱谐度控制在10%以内。同时，在运行过程中，消弧线圈易发生铁磁谐振，故需要装设消谐装置。当配电网改变运行方式时，也应及时调整消弧线圈的失谐度，进行合理性补偿，以此缩短单相故障时的运行时间。2. 5.1 单相接地故障稳态分析中性点经消弧线圈接地的等值电路图如图2-7所示。假设A相发生单相接地故障，自身阻

39、抗忽略不计，系统的零序等值电路如图2-8所示，接地点回流的残余电流为零序电压，为零序电流，为消弧线圈电感值，为对地的等值电容，为通过消弧线圈的零序电流，为通过电容零序电流。由下面的等值电路可知：=(+) (2-24)=(-)=- (2-25)图2-7 中性点经消弧线圈接地系统三相线路示意图图2-8 中性点经消弧线圈接地零序等值电路2. 5.2 单相接地故障暂态分析中性点经消弧线圈接地系统单相故障等值电路如图2-9所示，为零序电压，为三相对地电容，为消弧线圈电阻，为消弧线圈电感，为零序回路等值电感，为零序回路等值电阻。图2-9 中性点经消弧线圈接地系统单相故障等值电路(1)暂态电容电流根据上图可

40、知 (2-26)当时，回路电流的暂态过程具有周期性衰减和振荡特性，时，回路电流具有非周期性振荡衰减特性，并逐渐趋于稳定状态。架空线路的自由振荡频率一般为3001500Hz，架空线路的电感远大于电缆线路，对地电容较架空线路大许多倍，故其自由振荡频率为15003000Hz，持续时间极短。因为暂态电容电流是由稳态工频分量和暂态自由振荡分量两部分组成的，利用的关系和t=0时电容电流为=0这一初始条件，经过拉氏变换等运算可得式(2-27)。(2-27)式中：相电压的幅值，为电容电流的幅值；为暂态自由振荡分量的角频率；为自由振荡分量的衰减系数，其中的为回路的时间常数。若系统的运行方式不变，则为一常数。当较

41、大时，自由振荡衰减较慢；反之，则衰减较快。因为上式中含有和两个因子，故从理论上讲，在相角为任意值时发生接地故障，均会产生自由振荡分量。当=0时，其值最小，当时，其值最大。此时，当故障相在电压峰值、即接地，电容电流自由振荡分量的振幅出现最大值。 (2-28)由此可见，暂态自由振荡电流分量的幅值与自振角频率和工频角频率之比成正比。(2)暂态电感电流消弧线圈电感电流由暂态的直流分量和稳态的交流分量组成，表达式为： (2-29)电源的角频率与暂态电感电流振荡角频率相等，幅值与接地瞬间电源电压的相角有关，时其值最大，时，其值最小。(3)暂态接地电流暂态接地电流是由暂态电容电流和暂态电感电流叠加而成。当单

42、相接地故障发生后，故障点会有衰减很快的暂态电容电流和衰减较慢的暂态电感电流，暂态接地故障电流的幅值和频率主要由电容电流决定，暂态电感电流的直流分量不会影响接地点故障电流的极性，可是会改变其幅值的大小4。2.6 中性点直接接地系统中性点直接接地系统属于大电流接地系统，当系统发生单相接地故障时，由于中性点直接接地的钳位作用，使得中性点对地电压很小，理想状况下，中性点与大地保持等电位。因此每相对地电压不会升高，防止了电弧接地过电压的问题。该接地方式中，电气设备对大地的绝缘只需按相电压考虑，对于高压系统来说会使电气设备的绝缘造价降低，除此之外，这种方式还改善了保护设备的工作性能，具有很高的经济价值。中

43、性点直接接地系统等值电路图如图2-10所示。图2-10 中性点直接接地系统三相线路示意图当系统正常运行时，三个相电压与线电压均对称，且大小相等，相位相差，系统中三相对地电流对称，因此大地中并无电流。假设A相发生单相接地故障，中性点对地电压为零，即系统的零序电压为零。根据上图可知： (2-30)式中：为接地故障点处综合电阻为中性点接地电阻2.7 本章小结本章介绍了四种接地方式的概况，并主要对影响中性点接地方式的因素，包括过电压、通信干扰与电磁兼容、供电的可靠性、设备安全、绝缘水平的配合、人身安全等因素进行了阐述。根据不同接地方式的系统三相示意图和零序等值电路图对四种接地方式在发生单相接地故障时做

44、了稳态分析和暂态分析，初步了解了故障相和非故障相电压、电流的变化情况。19第3章 基于MATLAB的配电网仿真和计算第3章 基于MATLAB的配电网仿真和计算3.1 MATLAB软件和PSB模块介绍MATLAB 软件是由Mathworks软件公司所开发的以矩阵计算为基础，将计算可视化程序设计融合到一个交互的工作环境中，可实现工程计算、算法研究、建模与仿真、数据分析及可视化和工程绘图等功能的强大工具。MATLAB软件拥有强大的工具箱，包括信号处理，控制系统，神经网络，图像处理，小波等。借助MATLAB软件的功能，不同专业的研究人员可以更为直观，方便的理解系统的运行特性。PSB模块是电力系统模块库

45、的缩写，它是一种针对电力系统可视化建模和仿真的工具。PSB模块包含电机、变压器和线路用电力电子等丰富的元件模块。通过这些元件，操作者可以搭建所需模型，所有模型都是建立在一定的数学模型的基础上，并能够反映元件的真实性能，同时每种元件还可修改相应的参数。PSB模块是与MATLAB下的Simulink工具同时使用的，这样就使一些复杂的、非线性的电气模型和仿真变的简便，直观。3.2 10kV配电网模型的搭建3.2.1 10kV配电网仿真模型本次仿真模型是在10kV电压等级下的仿真，共有四回出线，为电缆和架空线路混合线路。仿真系统结构图如图3-1所示。3.2.2 10kV配电网仿真模型参数设置在本次仿真

46、模型中，三相电源容量为300MVA，主变一次侧电压等级为110kV，二次侧电压等级为10kV，连接方式为Yg，频率50Hz，A相初相角为零，变压器采用Three-Phase-Transformer(Two Windings)模型。输电线路采用PSB模块库中的贝杰龙数学模型，该模型计算是利用分布参数，可提高计算精度。图3-1 仿真系统结构在本次仿真模型搭建中，四种不同接地方式的参数统一设置。仿真开始时间和停止时间为0.0s和0.1s，仿真故障起始时间和停止时间设定为0.03s和0.07s；步长类型选择为Variable.step，最大步长0.02，最小步长和初始步长设定为自动方式。MATLAB

47、提供了多种常微分解题器，这些解题器可以在给定的初始时间及条件下，通过数值方法计算没个程序步骤的解，并验证该解是否满足给定的允许误差。根据本次毕设中的仿真，如果设置的解题器和允许误差不合理，则对于某些故障情况不但解题速度很慢，而且仿真的得到的线路零序电流精度很差。因此本次设计选取了ode15s解题器，允许误差至少小于0.001，该解题器专门用于解Stiff方程的变阶多步算法，在仿真中具有较快的运算速度。相对容差为1e-3，绝对容差为自动方式。本次仿真采用线路分别为：架空线路选用LGJ-240型号导线，电缆线路选用YJV22-3300型号交联聚乙烯电力电缆。同查阅电力工程设计手册获取导线参数如表3

48、-1所示。表3-1混合线路分布 线路类型1234架空线路/km8005电缆/km091010线路电气参数如表3-2，表3-3所示。表3-2架空线路电气参数电气参数电阻/km电感mH/km电容F/km正序0.451.29.49e-3零序0.64.155.2e-3表3-3 电缆线路电气参数电气参数电阻/km电感mH/km电容F/km正序0.1030.2190.329零序0.9270.9880.1633.3 中性点不接地系统仿真模型3.3.1 模型参数仿真模型如图3-2所示。在该仿真模型中，故障点处过渡电阻选取了0、5、10、100、2000五不同个等级的阻值分别进行仿真分析，由此观察，在不同过渡电

49、值下的故障电流和非故障相电压。同时，选定5过渡电阻下的波形图，与其他接地方式进行比较。图3-2中性点不接地系统仿真模型3.3.2 仿真分析10kV配电网不接地系统仿真结果如图3-3、图3-4、图3-5、图3-6所示。从仿真波形图中可以看出，中性点不接地系统只有线路发生故障后才会出现零序电压和零序电流，流过故障线路的零序电流比非故障相线路的零序电流要大许多，二者差别较大，并且二者相位相反。根据相关理论可知，流过故障线路的零序电流时流过所以非故障相线路的零序电流的总和。此时，系统故障处对地电压为零，非故障相对地电压升高至线电压。图3-3 故障点电流图3-4 中性点电压图3-5 故障线路三相电压、电

50、流图3-6 非故障线路三相电压、电流当故障点过渡电阻不同时，仿真数据如表3-4所示。表3-4 不同过渡电阻值下的仿真数据接地点过渡电阻()B相电压()C相电压()中性点电压()故障点电流(A)01.511.620.61695.9851.351.400.43489.32101.281.290.33375.561001.061.050.0672.4020001.021.0103.98通过仿真波形图和仿真数据分析，可以看出在故障点过渡电阻为5时，故障点电流最大值是489.32A，中性点工频过电压为0.55，非故障相的工频过电压为1.28和1.46。通过表格中的数据我们还可以看出随着故障点过渡电阻的增

51、加，故障点处的电流逐渐减小，当发生金属性接地也就是故障点过渡电阻为0时，流过故障点处的电流最大，此时对系统的危害也最大。3.4 中性点经小电阻接地系统仿真模型3.4.1 模型参数仿真模型图如图3-7所示。在该仿真模型中，故障点处过渡电阻固定为5，中性点接地电阻一次选取2、5和10，以此观察不同中性点接地电阻下的波形图。同时选取中性点接地电阻为10下的波形图与其他接地方式进行比较分析。图3-7 中性点经小电阻接地系统仿真模型3.4.2 仿真分析10kV配电网经小电阻接地系统仿真结果如图3-8、图3-9、图3-10、图3-11所示。由仿真波形图和仿真数据分析可以看出，当中性点接地电阻为10时，故障

52、点处最大电流为645.55A，非故障相工频过电压为1.15和1.10。同时还可以看出，当中性点接入电阻阻值减小时，故障点处的电流随之增大。在中性点小电阻接地系统中，故障点处的电流都非常大，因此没有带故障运行的能力，需要继电保护设备能够及时跳闸保护。图3-8 故障点电流图3-9 中性点电压图3-10 故障线路三相电压、电流图3-11 非故障线路三相电压、电流当中性点接地电阻阻值不同时，仿真数据如表3-5所示。表3-5 不同中性点接地电阻下的仿真数据中性点接入电阻值()B相电压()C相电压()中性点电压()中性点电流(A)故障点电流(A)21.261.280.13661.69829.9851.21

53、1.180.23455.44725.47101.151.100.29299.35645.553.5 中性点经消弧线圈接地系统仿真模型3.5.1 模型参数仿真模型如图3-12所示。在该仿真模型中，故障点处过渡电阻固定为5，分别选取-10%、-5%、0、5%、10%五种不同补偿度下的电感值进行仿真。补偿度公式如下：图3-12 中性点经消弧线圈接地系统仿真模型 (3-1)架空线的线路电容电流计算公式： (3-2)式中：为架空线路电容电流，A为电网额定电压，kV为线路长度，km系数2.7适用于无避雷线的线路，3.3适用于有避雷线的线路，本次计算中选取3.3。电缆线路的电容电流计算公式： (3-3)式中

54、：为导线截面积，mm2为电网额定电压，kV消弧线圈电感计算公式： (3-4)式中：为电网额定电压，kV为角频率,rad/s根据设定的电压等级，混合线路长度，角频率，由上面的公式计算出不同补偿度下的消弧线圈电感值，-10%的电感值3.95H，-5%的电感值3.75H，0的电感值3.55H，5%的电感值3.35H,10%的电感值3.15H。3.5.2 仿真分析10kV配电网经消弧线圈接地系统仿真结果(1)全补偿时仿真如图3-13、图3-14、图3-15、图3-16所示。图3-13 故障点电流图3-14 中性点电压图3-15 故障线路三相电压、电流图3-16 非故障线路三相电压、电流(2)补偿度为1

55、0%时仿真如图3-17、图3-18、图3-19、图3-20所示。图3-17 故障点电流图3-18 中性点电压图3-19 故障线路三相电压、电流图3-20 非故障线路三相电压、电流(3)补偿度为-10%时仿真如图3-21、图3-22、图3-23、图3-24所示。图3-21 故障点电流图3-22 中性点电压图3-23 故障线路三相电压、电流图3-24 非故障线路三相电压、电流当补偿度不同时，仿真数据如表3-6所示。表3-6 不同补偿度下的仿真数据补偿度接入电感(H)B相电压()C相电压()中性点电压()中性点电流(A)故障点残流(A)10%3.151.341.380.428.790.725%3.3

56、51.341.380.4311.871.103.551.341.380.437.810.06-5%3.751.351.380.4310.610.35-10%3.951.341.380.4310.080.87补偿度不同时，中性点所接消弧线圈的电感值也就不同，通过对仿真波形图和仿真数据分析，可以看出当全补偿时，故障点残流最小，有利于电弧的熄灭。同时从发挥消弧线圈的作用上来看，补偿度绝对值越小越好。但是在实际情况中补偿度绝对值越小，正常运行和电网发生断线故障时中性点的位移电压就越高。为保证在单相接地时有效地抑制弧光过电压的产生，一般要求消弧线圈的脱谐度整定在5以内。除此之外为了避免电网切除部分线路时

57、发生串联谐振过电压的危险，消弧线圈一般采用过补偿方式。3.6 中性点直接接地系统仿真模型3.6.1 模型参数仿真模型如图3-25所示。在该仿真模型中，故障点过渡电阻固定为5，然后进行仿真。图3-25中性点直接接地系统仿真模型3.6.2 仿真分析10kV配电网直接接地系统仿真结果如图3-26、图3-27、图3-28、图3-29所示。由仿真波形图和仿真数据可以看出当中性点直接接地系统出现单相故障时，相当于中性点与故障点被短接，故障点处和中性点处均流过很大的短路电流，故障线路上的非故障相电流急剧减小，而在非故障线路上，三相电压和三相电流没有变化，随着过渡电阻的增加，故障电流和中性点电流减小。因此中性

58、点直接接地系统其最大的优点在于，当发生单相故障时，非故障线路不受影响。图3-26 故障点电流图3-27 中性点电流图3-28 故障线路三相电压、电流图3-29 非故障线路三相电压、电流当过渡电阻阻值不同时，仿真数据如表3-7所示。表3-7不同过渡电阻值下的仿真数据接地点过渡电阻()B相电压()C相电压()中性点电流(A)故障点电流(A)01.311.082101.111901.3751.171.01942.32966.15101.121.01595.51615.121001.021.0175.4878.1720001.001.013.884.023.7 不同接地方式的对比分析固定过渡电阻阻值为5，小电阻接地系统接地电阻选择10，经消弧线圈接地系统选择全补偿情况，仿真数据如表3-8所示。表3-8 不同接地方式仿真比较接地方式B相电压()C相电压()故障点电流(A)不接地系统1.351.40489.32经小电阻接地系统1.151.10645.55经消弧线圈接地系统1.341.38486.48直接接地系统1.171.01966.15由上表可以看出中性点经