经消弧线圈接地系统单相接地故障选线的研究设计说明书

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1、 .理工大学紫金学院毕业设计说明书(论文)作 者:学 号：系：电子工程与光电技术专业:电气工程与其自动化题 目:经消弧线圈接地系统单相接地故障选线的研究毕业设计说明书（论文）中文摘要随着社会经济的迅猛发展，电力系统的重要性日益凸显。因而近几年电网的安全可靠运行倍受关注。在电力系统中发生几率最大的故障类型为单相接地故障。而在发生故障后与时确定与切断线路故障则显得尤为重要。本论文主要是利用MATLAB软件对单相接地故障进行仿真，再通过相应的波形来判断故障线路所在。主要是运用零序电流、零序功率以与5次谐波来进行判断和选择。最后分析了几种方法的优缺点与使用场合。关键词 消弧线圈 单相接地故障 MATL

2、AB仿真 故障选线 零序电流35 / 39毕业设计说明书（论文）外文摘要Title The Research on Fault Line Selection of Single-phase Earth Fault through Extinction Coil AbstractThe fast development of social economy sees the growing importance of electrical power system. Therefore, a lot of attention has been paid on the safe operation

3、of power system. And among the plenty kinds of fault circumstances, the single-phase earth fault is most likely to happen. This paper mainly concentrates on the simulation of single-phase fault by MATLAB software, through which we can get the simulation waveforms, and to use the relevant variable to

4、 select the fault line. This paper mainly uses zero-sequence current, zero-sequence power and five harmonic wave to select the fault line. And at last, I analysis the advantages and disadvantages of each method.Keywords extinction coil single-phase earth fault MATLAB simulation fault line selection

5、zero-sequence current目 次1 引言11.1 研究意义11.2 研究现状21.3 本文容32 小电流接地方法综述42.1 特殊信号分析法42.2 故障稳态信号选线法52.3故障暂态信号选线法73 MATLAB的应用103.1 MATLAB概述103.2 MATLAB在电力系统中的应用124 经消弧线圈单相接地故障仿真与分析134.1 选线原理134.2 线路模型建立154.3 仿真波形与分析165 几种方法比较与分析295.1 零序电流幅值比较法295.2 零序电流相位比较法305.3 零序功率比较法305.4 5次谐波比较法315.5 四种选线方法的适用性比较315.6

6、尚需解决的问题32结 论33致 34参考文献351 引言近几年电力系统配电网的安全可靠运行备受关注。系统中发生几率最大的故障类型为单相接地故障。为确保配电系统安全运行，如何快速、准确检测并隔离故障线路成为一个重要研究课题。电力系统运行中，电能由发电厂发出后通过各级变电所经高压输电网送到用户侧，经配电网供给用户。一般来说，110 kV与以上电压等级网络属输电网，360 kV电压等级属配电网。配电网中性点接地方式可分为两类：中性点直接接地(包括经小电阻接地)系统，发生单相接地故障时接地短路电流很大(称为大电流接地系统)；中性点经消弧线圈接地、经高阻接地、不接地等运行方式(称小电流接地系统)。我国配

7、电网接方式通常采用中性点非有效接地（NUGS），它包括中性点不接地系统（NUS），经消弧线圈接地系统(NES)和经电阻接地系统（NRS），因为这样的接线方式在发生单相接地故障时接地电流比较小，所以称其为小电流接地系统1。电网发生单相接地故障时，三相电压仍对称，流过接地点的故障电流较小，不影响对用户正常供电，允许线路带故障运行12 小时。随着配电网规模扩大与城网、农网进一步改造，整个系统对地电容电流越来越大，使弧光接地引起的过电压倍数较高。由于未与时排除故障，在电厂厂用电、二次变电站和大型厂矿企业高压供配电系统曾发生过电缆爆炸、毁烧TV造成发电机组停运、工艺流程中断等恶性事故，影响配电网安全供电

8、。为进一步提高供电可靠性和配电网综合自动化水平，应寻找一种能快速找到故障线路、排除故障的方法8。11 研究意义经消弧线圈接地的系统，也为小电流接地系统。其主要优点在于发生单相接地故障时，故障电流很小，90以上的单相接地电弧都能够自行熄灭，三相线间电压依然对称，不影响负荷正常工作。但是，系统带单相接地故障运行时，故障相对地电压降为0，非故障相电压升高为线电压，会使正常相绝缘薄弱处发生对地击穿，造成两相接地故障，破坏系统安全运行U。这就需要对消弧线圈接地系统单相接地故障进行选线，但由于系统自身的特点，经消弧线圈接地系统故障选线问题一直未能得到很好地解决。因此， 采用规的数学模型、一致的仿真参数，利

9、用MATLAB程序作为仿真的统一平台，对经消弧线圈接地系统单相故障的各种选线方法进行离线仿真，就具有一定的现实意义4。消弧线圈接地系统在我国35kV以与以下的电压等级的电网系统中应用非常广泛，而单相接地故障在小电流接地系统中故障率很高，且近年来随电网容量的加大接地电流也在增大，同时因单相接地故障造成的损失也更越重。单相接地故障时非故障相对地电压升高，同时易产生系统谐振，对电网设备的绝缘产生破坏作用，这种损伤积累到一定程度会造成避雷器、PT爆炸或绝缘子闪络等情况。通常选接地的办法是利用变电所的交流绝缘监察装置发出接地信号，然后根据接地拉闸顺序选择出接地出线柜。没有发生单相接地的线路，也需短时间停

10、电，这对要求连续供电的企业会造成影响。所以研究应用迅速、准确的小电流接地选线装置意义重大， 可大大提高电力供应中的安全、经济性。12 研究现状在原联，NUGS得到了广泛应用，其保护原理从过流、无功方向，发展到了群体比幅；日本在供电、钢铁、化工用电中普遍采用NUS或NRS，所以选线原理简单，采用基波无功方向方法。德国多使用NES，并于30年代就提出了反映接地故障开始时暂态过程的单相接地保护原理。法国在使用NRS几十年后，现在正以NES取代NRS，同时开发出了高新技术产品，零序导纳接地保护。90年代初，国外已将人工神经网络原理应用于保护并有文献提到应用专家系统方法11。在我国，从1958年起就一直

11、对此问题进行研究，提出了多种选线方法，并开发出了相应的装置。已经提出的选线方法均以零序电压来启动保护或选线装置，因此可根据是否利用故障电流把它们分成两类，第一类：如比幅法、比相法、群体比幅比相法、首半波法、谐波电流方向法、五次谐波分量法、有功分量法、能量法、还有近年出现的应用小波分析、最大原理8、模糊推理或模式识别来实现故障选线的多种方法；第二类：如拉线法、注入信号跟踪法。随着选线理论的发展，各种选线装置也相继问世，50年代末我国就利用接地故障暂态过程研制成功了选线装置，80年代中期我国又研制成功了微机接地选线装置，最近又增添了残流增量法微机接地选线装置，到目前为止，基于上述不同选线理论已经先

12、后推出了几代产品。但在实际应用中的效果并不十分理想，所以此问题还有必要进一步研究。在中性点非直接接地系统中，一条线路出现单相接地故障，整个系统都会出现零序电压和零序电流。母线电压互感器二次开口三角形绕组电压为3倍零序电压，在此处安装绝缘监视装置监测零序电压并对故障选线装置发出启动信号。通过过电压继电器发出接地信号，值班人员观察相应仪表，手动拉合线路，直到找到故障线路(电压表指示正常)。该方法使一些非故障线路用户也短时间停电，降供了供电可靠性，延长了系统单相接地运行时间，增大了故障和误操作的可能性，无法满足变电站无人值班、实现综合自动化的要求。自小电流接地故障选线问题被提出以来，相关学者与实际工

13、程人员提出了基于不同原理的多种选线方法。根据采用信号方式的不同，这些选线方法可以分为基于特殊信号选线方法和基于故障信号选线方法两大类9。当中性点经消弧线圈接地系统发生单相故障时，所有非故障线路零序电流波形是相似的。=0时，所有非故障线路零序电流的互相关系数应该是接近1的；故障线路和非故障线路零序电流波形有较大的差异，其互相关系数偏离1较远。因此通过比较各零序电流之间的互相关系数便可以找出故障线路。由于非故障线路零序电流波形相似，故它们的零序电流互相关系数较大；非故障线路与故障线路零序电流波形相差较大，互相关系数较小。然而由于各线路零序TA的特性不可能完全一样，现场电磁环境复杂等原因，各线路零序

14、电流互相关系数可能在一个较大的围波动。根据试验结果，当过渡电阻较大时，暂态信号微弱，故障线路与非故障线路零序电流互相关系数可达0.8以上；当试验结果加入较大的随机噪声时，非故障线路零序电流互相关系数也降至0.9以下。因此不能给线路零序电流互相关系数确定一个有效的阀值来判断零序电流波形是否相似以选取故障线路。尽管如此，故障线路与非故障线路零序电流的互相关系数仍明显小于非故障线路零序电流之间的互相关系数，可以根据该特征来确定故障线路。13 本文容为提高供电可靠性，我国中、低压配电网多采用小电流接地运行方式。本文针对小电流接地系统中最常见的单相接地故障，采用了利用各相零序电流相位和幅值的比较方法来确

15、定故障线路。本课题利用MATLAB的PSB工具箱对每条线路分别建立故障数学模型，各条线路同时利用采样的零序电流和零序电压的数据，对所得的仿真结果于理论想对比，确定故障线路，从而正确选线。同时指出了未来应着重研究的方向，以提高单相故障模式下正确的故障选线率，降低误判、漏判率。本论文的主要工作容首先是大量搜集与小电流接地单相故障相关的资料，在了解单相故障选线的原理以后，再通过学习MATLAB进行仿真。并且本文试图利用不同的方法，通过仿真来解决选线问题。2 小电流接地选线方法综述21 特殊信号法2.1.1残流增量法残流增量法适用于谐振接地系统，在电网发生单相接地故障时，如果增大消弧线圈失谐度(或改变

16、限压电阻阻值)，相应故障点残余电流(零序电流)随之增大。该方法建立在微机快速处理与综合分析判断基础上。具体选线过程：当系统发生单相接地故障后，采集各条出线零序电流，将消弧线圈补偿度改变一档，再次采集各条出线零序电流，对比各条出线在消弧线圈换档前后零序电流变化量，其中变化量最大的线路即为故障线路。该方法原理简单、灵敏度与可靠性较高，不受TA等测量误差影响，但增大了接地点电弧。2.1.2“S注入法”首先由TV三相二次电压判别故障相别9，再从TV副边向接地相注入信号电流，其频率一般取各次谐波之间数值，确保不被工频分量和高次谐波分量干扰。故障时接地相TV副边处于短路状态，由副边感应的信号电流沿接地线路

17、接地相流动并经接地点入地。用信号电流探测器在开关柜后对每条出线进行探测，探测到注入信号的线路即为故障线路。该方法利用处于不工作状态的接地相TV注人信号，不会对设备产生不良影响(检测不受任何固有信号影响)。但注入信号强度受TV容量影响，经高阻接地时发信机可能产生误判15。对只装设两相,CT的架空出线难于得到零序电流，须用新方法：首先定出故障的相别，然后向接地相注入信号电流，其频率f0可取在各次谐波之间，使其不反应工频分量与高次谐波。故障时接地相的PT副边处于被短路的状态，由副边感应来的信号电流沿接地线路的接地相流动并经接地点入地。用信号电流探测器在开关柜后对每一条出线进行探测，探测到注入信号的线

18、路即故障线路。该方法利用处于不工作状态的接地相PT注入信号，不增加一次设备，不影响系统运行。但经高阻接地时，发信机工作可能不满足要求而产生误判。2.1.3注入变频信号法针对“s注入法”高阻接地时存在的问题，注入变频信号可以较好解决。其原理是根据故障后位移电压大小不同，而选择向消弧线圈电压互感器副边注入谐振频率恒流信号或向故障相电压互感器副边注入频率为70 Hz恒流信号，然后监视各出线注入信号产生的零序电流功角、阻尼率的变化，比较各出线阻尼率大小，再计与受潮与绝缘老化等因素可得出选线判据。但当接地电阻较小时，信号电流大部分经故障线路流通，导致非故障线路阻尼率较大。22 故障稳态信号选线法2.2.

19、1零序电流基波电流比幅法流过故障线路的零序电流数值上等于所有非故障线路对地电容电流之和(故障线路零序电流最大)。只要通过比较零序基波电流幅值和自身电容电流大小就能确定出故障线路。分别比较每条线路零序电流和其他线路零序电流之和，相等的那条线路就是故障线路，若均不相等，则为母线故障；预先计算出每条馈线对地电容大小，单相接地时比较测得的零序电流是否与本线路电容电流大小相等，若相等为故障线路，若所有线路均相等，则为母线故障。该方法不能排除电流互感器不平衡电流受线路长短、系统运行方式与过渡电阻的影响，检测灵敏度低。当某一线路远远长于其他线路(分布电容与系统总分布电容相差不大)或经高阻接地时，可能发生误判

20、，而且无法检测母线故障。特别对经消弧线圈接地系统，由于消弧线圈的补偿故障线路零序电流很小，用该方法根本无法选线。针对经过消弧线圈补偿后接地残流过小、难以准确选线的问题提出了零序电流比值选线方法。根据消弧线圈容量变化前后零序电流比值变化趋势不同确定接地故障线路。该方法不需延缓切除阻尼电阻，响应速度快、算法简单、实现容易。2.2.2零序基波电流比相法利用故障线路零序电流与非故障线路零序电容电流流动方向相反特点找出故障线路。但该方法在线路较短、零序电流值较小时受“时钟效应”影响相位判断困难，易受过渡电阻和不平衡电流影响，不适用于经消弧线圈接地系统。2.2.3零序基波电流群体比幅比相法利用零序电流比幅

21、法和零序电流相位比较法，先进行零序电流幅值比较，选出几个较大的零序电流，在此基础上进行相位比较，零序电流方向不同的即为故障线路。该方法在一定程度上解决了前两种方法存在的问题，但同样不能排除电流互感器不平衡电流、过渡电阻的影响与相位判断的死区对经消弧线圈接地的小电流接地系统失效。2.2.4零序电流有功分量法该方法使用在自动跟踪消弧电抗器的小电流接地系统中，利用消弧线圈串联非线性电阻的特点，在发生接地故障后、非线性电阻被短接前，非故障线路不与消弧线圈构成低阻抗回路，零序电流为本身接地电容电流4。故障线路经接地点与消弧线圈构成低阻抗回路，零序电流为所有非故障线路电容电流与LR串联支路电流向量之和，故

22、障线路有功电流明显大于非故障线路，通过检测各线路零序电流有功分量大小就可确定故障线路。该方法零序电流中有功分量较小，不利于选线，仍存在TA不平衡电流的影响。2.2.5零序电流无功功率方向法该方法适用于中性点不接地系统，判别依据是故障线路零序电流无功分量落后于零序电压90。，而非故障线路零序电流无功分量超前于零序电压90。，无功功率0,则线路k为故障线路，否则为母线故障。此法的本质是寻求最大零序无功功率突变量的代数值，从理论上基本消除了CT不平衡的影响，但也有两个缺陷：首先，计算过程中需取一参考信号，若该信号出问题，将造成该算法失效；其次，该算法在计算过程中需求出有关相量的相位关系，计算量太大。

23、文献14提出最大原理的快速算法，达到了减小计算量，省去使用参考信号的目的。图2.1 单相接地故障时零序电流、电压相量3 MATLAB的应用31 MATLAB概述作为当今世界最流行的第四代计算机语言，MATLAB软件语言系统，由于它在科学计算、网络控制、系统建模与仿真、数据分析、自动控制、图形图像处理、航天航空、生物医学、物理学、生命科学、通信系统、DSP处理系统、财务、电子商务等不同领域的广泛应用以与它自身所具备的独特优势，目前MATLAB已倍受许多科研领域的青睐与关注。MATLAB软件是由美国Math Works公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算系统。MATLAB是英文matrix

24、laboratory(矩阵实验室)的缩写，被誉为“巨人肩上的工具”。由于使用MATLAB编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式完全一致，所以不像学习其他高级语言，如Basic、Fortran和C等语言那样难于掌握，用MATLAB编写程序犹如在演算纸上排列出工时与求解问题。在这个环境下，对所要求解的问题，用户只需简单地列出数学表达式，其结果便以数值火图形方式显示出来。3.1.1 MATLAB/SIMULINK简介使用MATLAB/SIMULINK软件进行电力系统数字仿真，具有三个突出的优势。1）电力系统仿真工具箱功能强大，工具箱部的元件库提供了经常使用的各种电力原件数学模型，并且提供了可以自己

25、编程的方式创建合适的元件模型。2） 强大的MATLAB平台。如前所述，在一样的平台上，MATLAB的数值运算功能为进行电力工程方面的运算提供了强有力的后盾。随着信号处理技术的成熟，各种信号处理方法在电力方面的应用尤为的重要。MATLAB提供的信号处理工具箱、数字信号处理滤波模块、滤波器设计工具箱、小波分析工具箱和神经网络工具箱、为经过电力仿真后数据处理提供了功能齐全的分析手段。3）友好的界面。友好的界面充分体现了软件使用的难以程度。从电力系统仿真、到数值计算、图像处理、再到信号分析。MATLAB提供给技术人员和科研人员的不仅仅是各类问题的解决方案，更重要的是这些技术的使用变得尤为轻松简单。Si

26、mPowerSystem是在Simulink环境下进行电力电子系统建模和仿真的先进工具。它是Simulink下面的一个专用模块集，主要是由加拿大的HydroQuebec和International公司共同开发的，其功能强大，可以用于电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等过程的仿真，它提供了一种类似电路建模的方式进行模型绘制，使用者不需要自己编程而只需将仿真的电力系统图搭建在工作窗口中，MATLAB自动将其变化成状态方程描述的系统形式，便可以在SIMULINK下进行仿真研究了13。3.1.2 PSB简介PSB(PowerSystemBlockset)是MATLAB提供的上具箱之一，只需要在MA

27、TLAB的命令窗口输入“powerlib”命令，就可以调出powerlib的模型库。其用户窗口如图3.1所示：图3.1 SimPowerSystem 原件库电力系统工具箱包含的模块有：Electrical Sources(电源库)、Elements(元件库)、Power Electronics(电力电子元件库)、Machines(电机库)、Connectors(连接器库)、Measurements(测量仪器库)、Extra Library(附加元件库)、Demos(示例库)、Powergui(图形用户界面graphical user interface)，它是一个电力系统分析模块。Powerl

28、ib的模型库既包括了目前已知的所有电力系统设备，也包括了simulink的所有模块。PSB通过系统扩展simulink提供了一套独特的环境，用于多域建模和控制器设计，用户可以方便地建造模型，并可以快速绘出网络拓扑结构，并且同时分析各部分的作用。PSB主要有以下的特征：1) 提供了MATLABSimulink环境下电力系统的拓扑建模和仿真。使用标准的电力符号，便于电力系统的直观建模；2) 包含电力系统几乎所有标准模型，包括电力系统网络、电力机械装置、电力电子器件、各种控制测量模块以与三相电力模型等，可以方便地测量电压、电流、阻抗以与变压器的磁通等。增加了三相相序分析、谐波分析等模块，同时还增加了

29、机械装置，如汽轮机与其调节器、直流电机、同步电机、异步电机等模型；3)通过使用变步长积分和Simulink中的过零检测模块，提供了更快的网络拓扑分析和高精度的电力系统仿真。可以描述状态空问、计算稳态电流和电压，还可预置或改变初始电流和电压条件来计算电力系统电流等；4)功能强大，除了可进行电力系统的连续时域仿真，通过采用固定步长的梯形积分法，可以先离散化电力系统模型，再进行仿真，从而大夫提高仿真速度。32 MATLAB在电力系统中的应用在前面已经介绍过，在Simulink中专门设置了电力系统“SimPowerSystems”的模块库，包括10类模块库。从电源、线路元件、电力电子元件到电机元件等，

30、几乎囊括了现今电力系统中所有元件的类型和种类。机器或元件的相关参数可以自己进行设置和调试。这样即可以对现实真实的线路进行仿真模拟。并且得到相应情况或故障时相关分量，如电压、电流的幅值、相位等所关心的问题。元件库种类齐全，参数自行设置，使得MATLAB可以对现实中任意的线路进行模拟。这样既可加强对理论知识的深化和理解，同时也可以对相应工程的设计、参数设置等相关量的围有大致较为准确的了解。4 经消弧线圈单相接地故障仿真41 选线原理本论文利用零序电流电压即相关量进行仿真分析，再通过仿真的波形结果，进行计算后得出选线的结果。小电流接地系统发生接地故障时，非故障线路的保护流过的零序电流为该线路本身非故

31、障相的对地电容电流之和，其方向从母线指向线路。而故障线路的保护通过的零序电流为所有非故障线路零序电流之和，其方向是从线路流向母线的。零序电流保护便是利用这一特点实现接地保护的。当小电流接地系统发生接地故障时，故障线路始端零序电流将变大。零序电流保护一般用在有条件安装零序电流互感器的线路上，适用于支线比较多的系统。发生接地故障后，一般发出信号，直接指出故障线路。在有些无人值班的变电站中，发生接地故障后直接跳闸。单相接地故障主要特征：1)零序电压互感器开口电压通常为零(实际上由于不平衡电压的影响小于5V)，接地后接近l00V，其中：金属性接地，经电阻接地U02(30，100)。 2)非接地线路(设

32、线路序号为K)的零序电流IOK为该线路对地等效电容电流，相位超前零序电压 U0为90。 3)接地线路零序电流I0和非接地线路的零序电流方向相反，即相位滞后零序电压 U0是90，且等于所有非接地线路中电容电流与变压器中性点电流之和。4) 对经消弧线圈接地系统，零序电流5次谐波对以上结论成立。利用零序电流的相关性进行中性点经消弧线圈接地系统故障选线的一种新方法，以解决当零序电流中含有较强直流分量时由于电流互感器饱和引起电流采集信号波形畸变带来的选线失效问题。消弧线圈接地系统发生单相接地故障后，非故障线路的零序电流波形是相似的，而故障线路零序电流波形与非故障线路差别较大。利用现代信号处理方法计算出其

33、相关系数，分析各线路零序电流的相似性，确定故障线路。根据该原理开发了选线装置，并进行了实时数字仿真试验，验证在各种工况下都可以正确地选出故障线路。本方法有如下特点：1）适用于中性点经消弧线圈接地系统和中性点不接地系统；2）当中性点经消弧线圈接地系统在电压相位角较小时发生故障，由于直流分量的影响，故障线路零序电流波形畸变，本方法充分利用该信息，解决了其他方法在此情况下误选的问题；3）利用零序电流波形的相似性而不利用幅值选线，抗过渡电阻能力强；4）自身有滤波作用，抗干扰能力强。利用零序电流方法判断时，流过故障线路的零序电流数值上等于所有非故障线路对地电容电流之和(故障线路零序电流最大)。只要通过比

34、较零序基波电流幅值和自身电容电流大小就能确定出故障线路。分别比较每条线路零序电流和其他线路零序电流之和，相等的那条线路就是故障线路，若均不相等，则为母线故障；预先计算出每条馈线对地电容大小，单相接地时比较测得的零序电流是否与本线路电容电流大小相等，若相等为故障线路，若所有线路均相等，则为母线故障。利用零序有功功率方法判断，该方法在使用在自动跟踪消弧电抗器的小电流接地系统中，利用消弧线圈串联非线性电阻的特点，在发生接地故障后、非线性电阻被短接前，非故障线路不与消弧线圈构成低阻抗回路，零序电流为本身接地电容电流。故障线路经接地点与消弧线圈构成低阻抗回路，零序电流为所有非故障线路电容电流与LR串联支

35、路电流向量之和，故障线路有功电流明显大于非故障线路，通过检测各线路零序电流有功分量大小就可确定故障线路。该方法零序电流中有功分量较小，不利于选线，仍存在TA不平衡电流的影响。利用5次谐波分量判断，经消弧线圈接地系统消弧线圈是针对基波设计，基波零序电流几乎被消弧线圈电感电流抵消。与基波情况相比较，消弧线圈在5次谐波下感抗为基波下的5倍，通过消弧线圈的电感电流减小到15，而线路容抗在5次谐波下减小到15时5次谐波容性电流就增大到5倍，可近似认为消弧线圈对5次谐波电流是开路的。故障点非线性因素会产生谐波电流，其中以5次谐波分量为主。在发生单相接地时5次谐波电流在各线路上的分布与基波零序电流一样。除基

36、波零序分量以外，谐振接地系统中5次谐波电流最大(为非故障线路的总和)。根据5次谐波电流大小、方向或功率方向找出故障线路。42 线路模型建立图4.1 经消弧线圈接地单相故障仿真图图4.1建立了一个三回路的仿真模型。因为小电流接地系统是供电系统的中间环节，根据电网分割理论和等效代换理论，可将小电流接地系统从整个网络中单独独立出来，将小电流接地系统的输入端以一个带阻抗的无穷大容量的三相电压源等效，输出端以一个并联的RLC回路代替后面电路中出现的电阻、电感和电容，中间分别接入变压器、架空线路等器件。其中架空线路使用统一的参数进行设定，这样利于仿真波形的比较和分析；采用3-phase Fault器件来模

37、拟接地故障，它能够准确地模拟线路接地故障的发生和排除，可同时得到单相接地或多相接地的系统。为了更具代表性，本文仿真采用了不同的线路三相负荷，也可以通过调整线路模型参数来模拟不同的距离、阻抗等接地。在电压和电流的输出端加入了加法器和乘法器，这样就可以同时得到零序电流和三相电流的波形，利于接下来对波形进行准确的分析。采用的是3条出线电路的10KV系统。三相电源容量为250MVA，频率为50HZ，XR ratio为10，A相初相角为180。负载：电压等级10KV，频率50HZ，三相有功功率为1106W，三相感性无功功率为06106var；线路长度分别为线路1为l0km、线路2为20km、线路3为1k

38、m和35km；假设线路3在距母线1km发生B相接地故障。消弧线圈采用l0的过补偿方式，电阻为575，C为0O1，由公式可得电感为276H，其它参数与不接地系统的参数一样。仿真开始时间为000s，结束为01s，微分方程解算器选择变步长(Variablestep)；ode23tb(stiff TRBDF2)；最大步长、最小步长和初始步K都选择为(auto)；相对容差为(1e-3)；绝对容差为(auto)；仿真频率为50HZ。表4.1 RLC的各变量数值名称正序零序R(/km)0.12730.3864L(H/km)0.9337*10-34.1264*10-3C(F/km)12.7*10-97.751

39、*10-943 仿真波形与分析4.3.1零序电流法对于小电流系统单相接地，最重要就是得到零序电流和零序电压的数据，而对于MATLAB 来说，就是得到零序电流和零序电压的波形，对波形进行分析，从而得到哪相发生故障。首先应该知道零序电流3I0IA+IB+IC，零序电压3U0UA+UB+UC。图4.2至图4.4（见下页）分别为线路1、2、3段地零序电流波形。期中图6是故障线路3的零序电流波形。由仿真结果可得：1）可以很清楚得看到0s0.005s线路是完好的，因此零序电流为0；而0.005s0.06s线路发生故障，线路出现零序电流；0.06s0.10s故障解除，零序电流逐渐趋于0。可以明显观察得到，故

40、障线路3的零序电流远远大于非故障线路1、2的零序电流。而且，线路3的零序电流的相位与线路1和线路2的相位相反。因此从零序电流的幅值和相位上可以判断出来线路3段发生单相接地故障。图4.2 线路1段零序电流（非故障线路）图4.3 线路2段零序电流（非故障线路）图4.4 线路3段零序电流（故障线路）2）由图4.5三段线路零序电流之和的波形可以看出：线路从0.005s开始发生故障，波形发生突变，但是会发现三条线路的零序电流之和仍然为零。即A相和C相的零序电流大小之和等于B相零序电流的大小，但方向相反，即验证IA=-(IB+IC)(其中IA IB IC分别为A、B、C三相的电流)的正确性。图4.5 三段

41、线路零序电流之和故障相零序电流非故障相零序电流图4.6 线路1、2段三相零序电流（非故障线路）图4.7 线路3段三相零序电流（故障线路）可以得出中性点经消弧线圈接地系统的特点如下：1）比较零序电流的幅值，幅值最大的即为故障线路；2)如果系统中某-一相发生故障，那么系统中该相各元件对地的电容电流趋于0；3)在非故障线路上有零序电流，其数值等于本线路对地电容电流，电容性无功功率的方向为由母线流向线路；4)在故障线路上，零序电流为全系统非故障元件零序电流之和，电容性无功功率的方向为由线路流向母线；5）零序回路基本上呈纯容性，所有非故障线路上的零序电流同相，超前零序电压90。，故障线路上零序电流等于非

42、故障线路上零序电流之和，滞后零序电压90。，即故障线路和非故障线路的零序电流方向为反向 。同时也可由不同情况下的波形图得到选线结果，分析如表4.2所示：表4.2 各情况下的经消弧线圈接地选线结果故障线路接地电阻（）电流（A）故障距离（km）故障相选线结果L10L1+7.1153BL1L2-1.369L3-5.810L250L1-0.3645BL2L2+2.856L3-2.492L2100L1-0.17310BL2L2+1.609L3-1.454L1150L1+2.7907BL1L2-0.578L3-2.230L3200L1-0.7021BL3L2-0.627L3+1.330总结以上分析， 可得

43、出如下结论：在发生单相接地时，全系统都出现了非常明显的零序电流； 比较零序电流的幅值，幅值最大的即是故障线路；如果系统中某一相发生故障，如B相，那么系统中各元件B相对地的电容电流趋于0； 在非故障的元件上有零序电流，其数值等于本身的对地电容电流，电容性无功功率的实际方向为由母线流向线路； 在故障的线路上，零序电流为全系统非故障元件对地电容电流的总和，电容性无功功率的实际方向为由线路流向母线。因此，小电流接地系统对发生瞬时或短暂单相接地故障时可不停电，提高供电可靠性；但若发生永久性接地故障时，为防止故障点扩大，必须尽快地进行故障选线和定位。4.3.2零序电压法图4.8至图4.10是线路1、2、3

44、段零序电压的波形。其中，图4.8和图4.9为非故障线路的零序电压，图4.10为故障线路的零序电压。由下图可得：1）可以清楚看到0s0.005s线路是完好的，因此零序电压为0；而0.005s0.06s线路发生故障，线路中出现零序电压，三段线路的零序电压波形如图4.8至图4.10所示； 0.06s0.10s故障解除，零序电压逐渐趋于零。可以发现，三段线路的零序电压幅值大小相差不大，最初相位一样。可能是由于参数设置的原因，理论上来说，故障相的零序电压的幅值应比非故障相的零序电压幅值要大。2）从理论分析而言，在0.06s0.10s时，故障解除，但由于三相电路短路故障发生器闭合时有初始输入量和初始状态量

45、，因而A相和C相的电压波形会下移。若画出相应的向量图，即发生了中性点的漂移。在0.005s0.06s发生故障时，若将三相母线电压放大，会发现UB0.0050.06=UB00.005。总结以上分析， 可得出如下结论：发生单相接地时，全系统出现了非常明显的零序电压；比较零序电压的幅值，幅值最大的即是故障线路。图4.8 线路1段零序电压图4.9 线路2段零序电压图4.10 线路3段零序电压图4.11 线路1、2段三相零序电压（非故障线路）图4.12 线路3段三相零序电压（故障线路）4.3.3零序功率法图4.13至图4.15为线路1、2、3段零序功率波形仿真图。由波形图可知：1）由于仿真系统模型中的零

46、序电压都是一致的，因而零序功率的差别取决于零序电流的差别同零序电流比幅法一样，零序功率也可以从数值和相位两方面区分线路故障线路的零序功率幅值明显大于非故障线路，相位与非故障线路的相位相反2）从仿真的数值上看，非故障线路之间的零序功率也有微小的差别。但相比较故障相的零序功率而言，无论是有功功率还是无功功率，都相差将近一倍。因此同零序电流幅值比较法一样，只需要检测出各条线路的零序功率的大小以与相位，即可确定故障线路。3）当过渡电阻增大时，故障线路与非故障线路的零序电流差别减小，零序功率差别也随之减小，但由于零序电流乘以零序电压，相当于对零序电流的数值做了放大，因此零序功率的数值区别就较明显了单纯从

47、数值上看该法优越于零序电流比幅法，但是一个较小的外界干扰信号导致的零序功率也较大，引起误判另一方面，实际应用中零序功率的检测要难于零序电流检测因此该方法的局限性与使用环境同比幅法基本一样。图4.13 线路1段零序功率（非故障线路）图4.14 线路2段零序功率（非故障线路）图4.15 线路3段零序功率（故障线路）4.3.4 5次谐波电流法在图4.1仿真模型的基础上增加傅立叶分析器模块，对各线路零序电流采集五次谐波五次谐波电流幅值如图4.16至4.18所示。根据仿真结果可知：1)线路的五次谐波零序电流幅值都比较小故障发生前，非故障线路的5次谐波的峰值分别为0.09A和0.07A，而故障线路的5次谐

48、波峰值约为0.16A。故障发生后，非故障线路的5次谐波的峰值分别为0.05A和0.04A左右，而故障线路的5次谐波峰值约为0.08A.因而也可以通过比较5次谐波的峰值来进行单相接地故障的选线。但是由仿真波形也可以发现，在故障发生时，没有5次谐波分量。因而在实际应用中如此小的电流很容易被各种干扰信号淹没，必须采用较精密的设备才能检测2)检测时问短。从图18至图20中可看出：当在t=0005s时刻发生故障，五次谐波零序电流和电压仅持续了不到002s，在t=003s时信号就基本消失了，在0.07s时又出现，持续了不到0.02s到0.09s时就又没了，因此对检测的快速性提出了较高的要求。五次谐波法的最

49、人优点是可以用于经消弧线圈接地的系统中，但对检测设备的快速性、灵敏性等要求较高。图4.16 线路1段零序电流5次谐波分量（非故障相）图4.17 线路2段零序电流波形5次谐波分量（非故障相）图4.18 线路3段零序电流波形5次谐波分量（故障相）同时也可以利用Powergui模块中的FFT Analysis（快速傅里叶分析）来进行对谐波分量所占百分比的分析。如图4.19中所示，可以清楚地看出各次的谐波分量在波形中所占的百分比。图4.19 线路1段零序电流傅里叶波形分析图4.20 Powergui模块中分析条目5 几种方法比较与分析51 零序电流幅值比较法单相接地短路时，如图5.1（见下）流过故障元

50、件的零序电流在数值上等于所有非故障元件对地电容电流之和，即故障线路上的零序电流最大，所以只要通过零序电流幅值大小比较就可以找出故障线路。但这种方法不能排除CT（电流互感器）不平衡的影响，受线路长短、系统运行方式与过渡电阻大小的影响，且系统中可能存在某条线路的电容电流大于其它线路电容电流之和的情况，可见此法在理论上就是不完备的。需指出，该方法有两种变形，在实际中都有使用，但均针对特定条件8。分别以线路上的I0与其它线路上的IO之和进行比较，其中相等的那条线路是故障线路。根据图2(k1开)可得出如下选线判据： （5.1）（i=1,2,n;j=1,2,n）使(5.1)式成立的出线j为故障线路，若对所

51、有出线。（5.1）式均不成立，则为母线故障。图5.1 小电流接地系统单相接地另一种变形，分别预先计算出每条馈线对地电容大小，单相接地时，比较测得的I0是否与本线路的电容电流大小相等，不相等的即为故障线路，若都相等则为母线故障。（5.2）其中：C0i是线路对地电容；Ea是电源电势；i=1,2,n。使（5.2）式不成立的出线则为故障线路，若对所有出线（5.2）式均成立，则为母线故障。图5.2 单相接地零序网等效该方法不能排除电流互感器不平衡电流受线路长短、系统运行方式与过渡电阻的影响，检测灵敏度低。当某一线路远远长于其他线路(分布电容与系统总分布电容相差不大)或经高阻接地时，可能发生误判，而且无法

52、检测母线故障。特别对经消弧线圈接地系统，由于消弧线圈的补偿故障线路零序电流很小，用该方法根本无法选线。文献7针对经过消弧线圈补偿后接地残流过小、难以准确选线的问题提出了零序电流比值选线方法。根据消弧线圈容量变化前后零序电流比值变化趋势不同确定接地故障线路。该方法不需延缓切除阻尼电阻，响应速度快、算法简单、实现容易。52 零序电流相位比较法NUS中故障线路与非故障线路的零序电流分别为从线路流向母线和从母线流向线路，所以只要比较零序电流方向就可找出故障线路。此法在故障点离互感器较远且线路很短时，零序电压、电流均较小，会产生“时针效应”，相位判断困难。且受CT不平衡电流、过渡电阻大小、继电器工作电压

53、死区与系统运行方式的影响，易误判，并对NES失效。53 零序功率比较法该方法使用在自动跟踪消弧电抗器的小电流接地系统中，利用消弧线圈串联非线性电阻的特点，在发生接地故障后、非线性电阻被短接前，非故障线路不与消弧线圈构成低阻抗回路，零序电流为本身接地电容电流。故障线路经接地点与消弧线圈构成低阻抗回路，零序电流为所有非故障线路电容电流与LR串联支路电流向量之和，故障线路有功电流明显大于非故障线路，通过检测各线路零序电流有功分量大小就可确定故障线路。该方法零序电流中有功分量较小，不利于选线，仍存在TA不平衡电流的影响。该方法适用于中性点不接地系统，判别依据是故障线路零序电流无功分量落后于零序电压90。，而非故障线路零序电流无功分量超前于零序电压90。，无功功率0(取无功功率由母线流向线路为正方向)的线路为故障母线。但该方法受过渡电阻影响比较大，在过渡电阻较大时检测零序电压非常困难。该方法根据各条出线电气量来区分故障线路和健全线路，具有自举特点。但在零序电流较小时容易误判