消弧线圈补偿电网单相接地故障选线方法研究

毕 业 设 计（论 文）消弧线圈补偿电网单相接地故障选线方法研究系 别： 机电信息学院专 业 名 称： 电气工程及其自动化学 生 姓 名： xx学 号： 0801120xxx指导教师姓名、职称 ： xx 讲师2论文题目：消弧线圈补偿电网单相接地故障选线方法研究专 业：电气工程及其自动化本 科 生：x X 签 名 指导老师：x x 签 名 摘 要当中性点不接地系统中发生单相接地时，在接地点要流过全系统的对地电容电流，如果此电流比较大，就会在接地点燃起电弧，引起弧光过电压，从而使非故障相的对地电压进一步升高，使绝缘损坏，形成两点或多点接地短路，造成停电事故。文在分析中性点不直接接地系统单相接地故障的特点，以及其他方法的特点和局限性的基础上，针对一种选线方法。用 Matlab 分别构建系统的仿真模型，并对所提出的选线方法进行仿真，对其可行性做必要的探讨，力求能给故障检测与保护提供可靠的依据，提供基于 Matlab 仿真平台的一个可靠的针对消弧线圈补偿电网单相接地故障选线方法。在实际中多采用过补偿。过补偿就是使 L C ，补偿后的残余电流是电感性的。采用这种方法不可能发生串联谐振的过电压问题。关键词： Matlab 仿真；中性点经消弧线圈接地系统；故障选线研究类型：应用研究3Subject : The Research of One-phase Ground Fault Location Method in Arc Extinction Coil Compensation System Specialty : Power System and AutomationName : Ren Zhi (Signature)_Instructor : Wan Geng (Signature)_ABSTRACTWhen single-phase ground happens in a ungrounded system, the system- to-ground capacitive current will flow through the grounded point. If this current is relatively large, arc will be ignited in the grounded point and then causes over-voltage, leading to further increase of the non- fault phase to ground voltage which damages insulation, causes a short circuit to ground form two or more points and finally results in power outages. This paper firstly analyzes the characteristics of single-phase ground fault that happens in a system with a indirectly grounded neutral point and characteristics and limitations of other methods, then constructs simulation model using Matlab for an opt- line method and gives the simulation for the proposed alignment method and lastly makes the necessary feasibility study of it, striving to give reliable bases of fault detection and protection and Matlab -based simulation platform for line selection method of a reliable arc suppression coil compensation for single-phase grid fault. Over compensation is usually used in practice which makes LC. Compensated residual current is inductive . Over-voltage series resonance problems can not happen if takes this approach.Keywords: MATLAB The coil of arc extinction neutral grounding system Fault locationThesis： Application Research I目 录1 绪 论 .11.1 选题的背景和意义 .11.2 小电流接地系统故障选线综述 .31.2.1 小电流接地系统故障选线研究的意义 .31.2.2 中性点不直接接地系统单相接地时的特点 .4（1）中性点不接地系统单相接地时的特点 .4（2）中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障时的特点 .61.3 小电流接地系统接地选线方法的分类及简介 .71.3.1 利用稳态量选线 .71.3.2 利用暂态分量选线 .91.3.3 注入信号法 .101.3.4 模式识别和多层前馈神经网络选线 .101.3.5 零序电流补偿法 .111.3.6 本章小结 .111.4 本论文的主要工作 .112 小电流接地系统单相接地时故障机理分析 .132.1 小电流接地系统单相接地时稳态故障分析 .132.1.1 中性点不接地系统 .132.1.2 中性点经消弧线圈接地系统 .132.2 小电流接地系统单相接地时暂态故障分析 .132.2.1 单相接地过渡过程的特点 .142.2.2 暂态电容电流的计算 .142.3 本章小结 .163 小电流接地系统故障选线方法的仿真研究 .173.1 系统构建 .173.2 小电流接地系统模型建立与参数设置 .173.2.1 中性点经消弧线圈接地系统的仿真 .223.3 本章小结 .274 结论 .284.1 总结 .284.2 展望 .29致 谢 .30参 考 文 献 .3111 绪 论1.1 选题的背景和意义电能由于其来源广泛，运输快捷简便，使用方便，有利于保护环境等原因，成为现代社会应用最广泛的二次能源。随着社会的进步，电力系统的规模越来越大，复杂性越来越高，自动化程度越来越高，与社会生产和人民生活关系越来越密不可分。随着对电能的依赖性越来越高，为确保社会生产生活的正常运行，对电力系统可靠性和电能质量的要求也越来越高。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：中性点不接地系统，中性点经消弧线圈接地系统和中性点经高阻接地系统。电力系统的运行经验表明，在小电流接地系统中，单相接地故障绝大多数是瞬时性的，特别是对于架空线路，约有 90%以上的故障都是瞬时性故障。瞬时性单相接地故障能迅速自动消除，在系统和用户几乎无法感觉的情况下，接地电弧自动熄灭。即使是永久性单相接地故障，电网仍允许带故障运行 1-2 小时，不必立即切断故障线路，运行人员有较充裕的时间来处理故障，保证供电的不间断。因此，小电流接地系统可以极大的提高供电可靠性，同时也具有提高设备和人身安全性、降低对通讯系统电磁干扰等优点。小电流接地系统发生单相接地时，其他两相对地电压升高为线电压，对电网的绝缘薄弱点形成威胁，系统绝缘受到威胁，如果长时间带故障运行，就有可能使故障进一步扩大成两点或多点接地甚至是相间短路。特别是发生间歇性弧光接地时，由于中性点没有电荷释放通路，会引起弧光接地过电压，进一步危及系统的绝缘。随着线路总长度的增加，电力系统规模的增大，对地电容电流变得越来越大，间歇性弧光接地引起的过电压也变得越来越高。特别是最近几年，由于单相接地故障造成了电缆爆炸，互感器烧毁，甚至母线烧毁，发电机组停运等一系列恶性事故，对电网安全稳定运行造成极大的影响。因此，小电流接地系统发生单相接地故障时，尽快找出并排除故障线路的呼声越来越高。小电流接地系统单相接地故障时，故障电流微弱，故障电弧不稳定，故障特征不明显，加上故障情况复杂，系统运行方式多样等原因，给故障选线带来很大困难。从目前小电流接地选线装置的运行来看，选线正确率低，装置推出率高，除了故障特征不明显外，选线方法单一，多重判据的简单组合也是导致装置选线准确不高的重要原因。因此如何利用多重判据进行合理的组合，以利用它们各自的优势来弥补其他选线方法的局限性事解决小电流接地系统故障选线的一个发展趋势。现代电力系统的超高压、大容量、跨区域的联合系统。配电网是一个综合了很多不同电压等级的变压器、输电线路、保护装置、电力负荷等重要设备的复杂网络。在这种对操作要求严格，安全要求等级高，实验环境恶劣的条件下进行电力科研实验是很难满足的。随着计算机技术的发展和对小电流单相故障时的暂态信号日益重视，采用计算机进行故障分析越来越受到重视。通过计算机仿真建立合理模型，采用合理的数学或功能模块，即能方便进行信息处理。通过仿真软件可以搭建各种故障情况下的模型，来模拟各种故障情况，不但可以方便提取其中的稳态信号和暂态信号，而且通过仿真结果可以对电网故障诊2断和故障预测提供重要的参考数据。因此，利用计算机仿真技术仿真模拟电力系统运行是研究电力系统的重要手段之一。1.2 小电流接地系统故障选线综述1.2.1 小电流接地系统故障选线研究的意义电力系统按其中性点运行方式可分为中性点直接接地系统和中性点不直接接地系统，即大电流接地系统和小电流接地系统。目前世界各国的高压输电网均采用中性点直接接地方式，即大电流接地系统；而中低压配电网则各不相同，基本上都采用中性点不直接接地方式，即小电流接地系统，可分为中性点不接地系统、中性点经电阻接地系统和中性点经消弧线圈接地系统。美、日等国采用低电阻接地方式，这是因为美国历史上曾过高地估计了弧光接地过电压的危害性，中性点经低值电阻接地以泄放线路上过剩的电荷，借以限制弧光接地过电压。这种接地方式可以很快地切除故障，但这并不是最安全的，尤其是当今社会配电网容量不断扩大而使线路电容电流大为增加，致使接地故障电流也大大增加，对人身安全的威胁也进一步加大。最近，法国决定将以前采用的经低值电阻接地的方式，全部改用小电流接地方式，瑞典、德国、前苏联和我国多采用小电流接地方式。可见小电流接地方式在低压配电网中占有重要地位。为保证供电可靠性，我国多采用经消弧线圈接地方式，而中性点不接地方式往往只在电压等级较低、线路不太长的系统或煤矿井下供电系统中使用。我国的配电网由于历史原因发展比较缓慢，规划和布局并不规范，因此比较薄弱，此系统中接地故障率最高，在接地故障中，其中 90%以上为单相接地故障。在单相接地故障时由于三个线电压仍然对称，特别是在中性点经消弧线圈接地系统中，故障时流过接地点的电流很小，不影响对负荷连续供电，故不必立即跳闸， 电力系统安全规程规定单相接地后仍可继续带故障运行一至两个小时。由于小电流接地系统直接应用于生产、生活，它的故障会直接给人们的日常生活带来不便，给工厂企业的生产造成损失。及时地排除这些故障就显得十分必要。尽管小电流接地系统允许带故障运行一至两个小时，但此时，非故障相电压会升至正常时的 倍，不利于系统的绝缘，长时间带故障运行极易产生3弧光接地形成两点接地故障，引起系统过电压，从而影响系统的安全。所以准确地确定故障线路并尽快将其切除是保证系统安全和对用户供电可靠性的关键。对于单相接地故障的检出，过去主要是用“拉路法” ，它不仅烦琐费时，也为某些接地故障的发展和扩大提供了条件，而且在检除故障过程中，造成对部分电力用户供电中断，造成不应有的损失。所以，进一步提高小电流系统接地故障的选线精度，发展智能型的算法与选线装置，具有较大的理论和实际价值。应用微机型小电流接地保护装置，具有计算速度快灵敏度高和综合分析判断能力强等特点，在不增大接地故障电流的条件下，实现对故障线路的判断和切除。它对电力系统的主要贡献主要有以下几方面：3（1）及时准确地判断和有选择地切除接地故障，实现接地故障的选择性动作，限制小电流接地系统带单相接地故障运行，减少单相接地故障的持续时间，保障系统的安全运行。（2）降低系统的操作过电压水平，使弧光接地等过电压的存在时间减少，这对电力系统及其过电压保护装置都是有益的。（3）降低设备绝缘污闪事故率，降低形成两相异地短路和相间直接短路的机会。（4）能尽量减少对用户的停电时间，从而减少用户因停电造成的损失，提高服务水平。1.2.2 中性点不直接接地系统单相接地时的特点（1）中性点不接地系统单相接地时的特点小电流系统的系统模型如图 1-1 所示，图中画出了 A 相单相接地时的电容电流分布。图 1-2 为系统的零序网络图，当图 1-1 和图 1-2 中 K 断开时，为中性点不接地的情况。图 1-2 中 C0I、C 0II、C 0III分别为线路 I、II、III 的分布电容，用集中的电容表示，U 0为发生单相接地故障时系统的零序电压，I 0I、I 0II分别为线路 I 和线路 II 的对地零序电容电流，此时图中 ，0101为全系统一相对地电容电流之和，用虚线标出的变量不起作用。其各电压相量图如图 1-3 所示。正常时各相均有幅值相等的对地电容电流，其因其大小相等相位相差120，故相量和为零。系统中没有零序电压或只有很小的偏移电压。当 A 相接地时各线路电压电流具有以下特点：（1） A 相的对地电压为零，中性点对地电位升至相电压，B、C 两相对地电压升高为原来的 倍 （图 1-3 中 、 ） ，它们的对地电容电流各3UBDC升高至原来的 倍；（2）在发生单相接地故障后，整个系统都会出现零序电压，幅值等于相电压，方向与故障相原相电压的方向相反，在忽略线路电阻的情况下，线路各处的零序电压大小相等；（3）系统中非故障线路的零序电流为本身的对地电容电流，方向为由母线流向线路；系统中故障线路的零序电流等于所有非故障线路的零序电流之和，其方向为由线路流向母线。即4DUC UBUBDUCDUA图 1-3 A 相接地的电压向量图图 1-2 单相接地时小电流系统的零序网络图I01I01L U0 I0 II0 C03I02I02C02ILKC01I0IIIILD图 1-1 小电流系统单相接地时电容电流分布1CICC1I0L2 2CICC1BCC13BCICC1CC1C03C02L33 02I3 01IBA B CC01L1CC1KLIL5=0 （1-1）ADU= （1-2）B eEjA1503= （1-3）CD jc（1-4）ACDBAU 310（1-5）0I（2）中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障时的特点中性点不接地系统发生单相接地故障时，会在接地点引起多次熄拉弧从而产生间歇电弧过电压，使非故障相电压进一步升高、故障进一步扩大以至发展成相间或多点接地故障。为解决这一问题，通常在变压器中性点接入一个电感线圈通过电感电流对电容电流的抵消作用来减小接地点的电流，使故障点在第一次熄弧后绝缘迅速恢复，从而消灭故障点电弧，防止过电压。消弧线圈的作用表现在以下三点：能在不开断线路的情况下自动消除各种瞬时性故障； 能够降低接地电弧熄灭后的故障相电压恢复速度，以减少电弧重燃的可能性，保证电弧的彻底熄灭并降低电弧过电压的数值； 能保证发生金属性接地故障时继续供电，减少由单相接地故障引起的多相接地或相间短路故障。当图 1-1 和图 1-2 中 K 闭合，且消弧线圈不并联电阻时，为常规的中性点经消弧线圈接地系统，图中 L 为消弧线圈电感， 为消弧线圈的电感性电流。IL此时，故障线路中的零序电流为所有非故障线路零序电流与消弧线圈的电感电流之和，即为图中的 。I0根据对电容电流的补偿程度不同，消弧线圈有以下几种补偿方式： 全补偿：即采用 IL=IC 的补偿方式，可使零序电流接近为零以避免产生弧光过电压，但在架空线路三相对地电容不完全相等的情况下，中性点的对地电压会产生偏移，有可能出现因串联谐振引起的中性点对地电压严重升高，从而危及系统的安全，因此在实际应用中很少采用这种方式。 欠补偿：即采用 ILIC的补偿方式。此时流经接地点的电流为感性电流，即使切除部分线路，不会发生谐振过电压，现在主要采用这种补偿方式，其补偿度（P= 其中 IL为消弧线圈电感，I ec为接地点电容电流）在实际IecL6中一般为 3%10%。在经消弧线圈接地的系统中，发生单相接地故障后，整个系统都会出现零序电压，故障相对地电压为零，非故障相对地电压升高为原来的 倍。当采用3全补偿方式时，非故障线路的零序电流为该线路的对地电容电流；对故障线路，经消弧线圈的补偿后，流经其的零序电流也为本身的电容电流，两者电流的方向均由母线流向线路，这时任何