基于MATLAB 仿真的谐振接地系统单相接地故障分析-免费论文阅读-下载.pdf

- 1 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 基于基于 matlab 仿真的谐振接地系统单相接 地故障分析 仿真的谐振接地系统单相接 地故障分析 李辉，唐轶* 作者简介：李辉，（1986-），男，研究生，主要研究方向：供电系统安全与保护 通信联系人：唐轶，（1957-），男，教授，主要研究方向：电能质量和供电系统安全与保护. e-mail: （中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏 徐州 221008） 5 摘要摘要： 我国中低压电网主要采用小电流接地系统， 单相接地故障选线问题一直是谐振接地系 统的一个重要研究课题。 本文针对谐振接地系统， 从理论上分析了发生单相接地故障时零序 电压和零序电流的特征。 采用 matlab 里面的电力系统仿真工具搭建了 10kv 谐振接地系统模 型，通过仿真，对理论分析进行了验证，为选线算法的研究提供了理论依据。 关键词关键词：谐振接地；单相；接地故障；零序电压；零序电流 10 中图分类号中图分类号：tm77 single-phase-to-ground faulted analysis for resonant grounded system based on simulation by matlab li hui, tang yi 15 (school of information and electrical engineering,china university of mining single-phase; ground fault; zero sequence voltage; zero 25 sequence current 0 引言引言 小电流接地方式主要有中性点不接地、 中性点经消弧线圈接地和经高阻抗接地。 其中经 消弧线圈接地的系统又称为谐振接地系统。单相接地故障是配电网中的常见故障1，当发生30 单相接地故障时，故障相电压会降低，非故障相电压会升高，但线电压仍然保持对称，所以 不影响供电，可继续运行 12 小时，不需要立即跳闸，短时间内不影响用户供电，提高了供 电的可靠性， 这是小电流接地系统的一个优点。 但是发生永久性单相接地故障而长时间不被 排除，会导致线路的绝缘水平降低，容易引发更严重的故障，如相间短路或多点接地，当发 生弧光接地时会导致全系统过电压，进而损坏设备，影响安全生产，极大的降低了供电的可35 靠性，因此要求必须在最短时间内找出故障线路然后将其排除。对于谐振接地系统来说，由 于消弧线圈的补偿作用， 使单相接地故障时故障线路电流很小而且方向不确定， 选线难度很 大。本文利用 matlab 软件的电力系统工具箱搭建了谐振接地系统单相接地故障模型进行 了仿真分析，为选线方法的研究提供了依据。 - 2 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 1 谐振接地系统单相接地故障分析谐振接地系统单相接地故障分析 40 当谐振接地电网发生单相接地故障时，消弧线圈能使接地电弧自动瞬间消灭2 3。消弧 线圈的电感电流可以对电网的接地电容电流进行补偿， 限制了接地故障电流的破坏作用。 补 偿后的残流接地电弧易于熄灭， 当残流过零电弧熄灭后， 消弧线圈还能降低故障相恢复电压 的幅值和初速度，防止接地电弧重燃并使之彻底熄灭。当发生永久性单相接地故障时，就需 要迅速找出故障线路，以便能尽快使断路器跳闸，或者使调度部门能够正确的转移负荷。故45 障线路的准确而快速的检出是有重要意义的， 但谐振系统经消弧线圈补偿后故障相残流的故 障特征不明显，要准确检出有一定难度，下面将仔细分析单相接地故障发生时的故障特征。 1.1 零序电压变化规律零序电压变化规律 如图 1 所示，当 n r 且l 时，即为中性点经消弧线圈接地系统。 当中性点经消弧线圈接地时，配电网的线路 k l的 a 相发生单相经过渡电阻接地时，由50 节点电压方程可知， 0 abc 3/1/1/1/) (1/1/1/)(1/ )(1/ ) dn d uj crrrj l ej crrj lej crej cr += + ? ? （3 (1) 得： 0 22 22 3 13(1/3) 3 13(1/3) cos 3 13 a n dd n a n dd n j a n dd n e u rr rjrcl rr e rr rrcl rr e e rr rrc rr = + + = + + = + + ? ? ? ? （） （） （） （） (2) 式中：l消弧线圈补偿电感； 55 lc 2 3/11=，为消弧线圈补偿脱谐度； 3 arctan() 3 1 d n d n rc rr r rr = + + ，其它参数同上。 由上式可见，中性点经消弧线圈接地系统的零序电压大小与相电压、相对地绝缘电阻、 故障相接地电阻、相对地电容、消弧线圈补偿脱谐度和消弧线圈并联电阻的大小有关系，当 电网参数固定时，零序电压的大小只与消弧线圈补偿脱谐度和故障点接地电阻的大小有关。 60 同样根据式(1-2)，可以画出零序电压 0 u ? 随故障点过渡电阻 d r的改变而变化的矢量图， 如图 1-2 所示： - 3 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 c e? 1 l k l n l 1 c a e ? b e ? n c n r k r 1 r k c 图 1 小电流接地系统单相接地故障的等值电路 fig.1 equivalent circuit of single phase earthed fault in non-effective earthed power system 65 a e ? ag u ? b e ? c e ? bg u ? 0 u? o g cg u ? 图 2 中性点经消弧线圈接地系统零序电压偏移轨迹 fig.2 trajectory of zero voltage migration in resonance grounding system 70 由图 2 可见， 中性点经消弧线圈接地系统零序电压随故障点过渡电阻的变化会出现两种 情况： (1)当0时， 即系统处于过补偿状态， 此时0， 0 u ? 末端会随故障点过渡电阻 d r的增大在图中按图中右边虚线顺时针移动。当 d r0=时，即 a 相发生金属性接地故障，此时 0a ue= ? 。当 d r ，此时 0 0u = ? ，即为75 电网正常运行状态。 中性点经消弧线圈接地系统同中性点不接地系统一样， 无论故障点过渡 电阻和补偿程度如何变化，系统线电压一直保持对称不变。 1.2 零序电流变化规律零序电流变化规律 在中性点经消弧线圈接地系统中，假设线路 k l的 a 相发生单相金属性接地故障，流经 - 4 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 非故障线路i电流互感器上的零序电流为： 80 00 1 3() f ii i iuj c r =+ ? (3) 由式(1-3)可见，在中性点经消弧线圈发生单相接地故障时，非故障线路上流过的零序 测量电流与中性点不接地系统相同。 流经故障线路 k l零序电流互感器上的零序电流为： 00 11 0 1 3311 3 () 3 () n nn g kik ii ikn n f ilr i i k iujcc rrrl iii = = = + = + ? ? （ (4) 85 式中： n r i?消弧线圈并联电阻上产生的电流； l i?消弧线圈电感上产生的电流。 由式（1-4）可见，故障线路上的零序电流等于所有非故障线路上的零序电流与消弧线 圈电感产生的电流和并联电阻上产生的电流之和， 它的大小和方向由消弧线圈补偿电感电流 决定，现分析如下： 90 欠补偿：即 1 1 n i i c l = （）0时，故障线路的零序测量电流还与消弧线圈的补偿脱 谐度和电网各对地电容电流的分布有关。当 1 1 n ik i cc l = （）时，故障线路上测量的 零序电流方向与中性点不接地相同，即由线路流向母线；当 1 1 n ik i cc l = （）=时，故 障 线 路 上 测 量 的 零 序 电 流 为 纯 有 功 电 流 ， 方 向 也 是 由 线 路 流 向 母 线 ； 当 1 1 n ik i cc l = （）时，故障线路上测量的零序电流为感性，感性电流方向由线路流向95 母线，容性电流由母线流向线路。 全补偿：即 1 1 n i i c l = （）=0，此时在接地点处的电容电流与电感电流大小相同， 正好完全补偿，接地点处的电流只剩下有功部分，在故障线路上测到的零序电流有两部分， 即本线路的产生的容性无功电流， 方向由母线流向线路， 和由消弧线圈并联电阻与各相对地 绝缘电阻产生的有功部分，方向为由线路流向母线。 100 过补偿：即 1 1 n i i c l = （）0时，故障线路上流过的零序测量为感性电流和有功电 流两部分，方向都为线路流向母线。 - 5 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 2 基于基于 matlab 的谐振接地系统仿真的谐振接地系统仿真 2.1 仿真模型仿真模型 105 图 3 小电流接地系统仿真模型图 fig.3 simulation diagram module of non-effective earthed power system 本仿真分析的谐振接地系统是由 5 条电缆组成的辐射状网络， 该电网中电源采用无限大 电源4 5 6，主变压器采用 three-phase transformer 模型，变比为 110kv/10kv，联结组别为110 0 yy，容量为 31.5mva； 0 y侧有中性点不接地、中性点经随调式消弧线圈接地和中性点经 预调式消弧线圈接地三种接地方式， 图 3 中仿真模型是中性点不接地方式的模型图。 输电线 路采用贝杰龙数学模型，线路正序电阻为r=0.17/km，正序对地电感l=1.21mh/km，正 序 对 地 导纳 为c=9.7nf/km， 线 路零 序 电阻 为 0 r=0.23 /km ，零 序 对地 电 感为 0 l=5.48mh/km，线路零序对地导纳为 0 c=6nf/km。整个出线总长度为 40km，各线路的长度115 如表 1。 表 1 仿真线路长度 tab.1 length of simulation line 线路 l1 l2 l3 l4 l5 长度（km） 11 6 8 10 5 120 2.2 谐振接地系统故障分析谐振接地系统故障分析 1中性点不接地系统，线路 l1发生单相接地故障，故障相为 a 相，故障点距离母线 5km，故障时刻为 0.025s，即 a 相电压达到最大值时，发生金属性接地故障，仿真得到故障 线路零序测量电流、非故障线路的零序电流、接地电流和零序电压的波形图如图 4 所示。 - 6 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 t/s a 00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1 -100 -50 0 50 100 150 t/s a 125 （a）故障线路零序测量电流 （b）非故障线路零序测量电流 00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 t/s a 00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 x 10 4 t/s v （c）接地电流 （d）零序电压 图 4 中性点不接地系统仿真波形（90=，l1=5km） fig.4 simulation waveform in neutral ungrounded power system（90=，l1=5km） 130 由图 4 可见， 当单相接地故障发生在故障相电压峰值附近时， 故障线路和非故障线路在 故障起始时都有较高的高频振荡频率， 暂态过程在半个周波至一个周波内衰减为零， 之后零 序电流中只有稳态信号， 故障线路和非故障线路的零序测量电流的暂态高频信号和稳态信号 方向都相反。 故障线路零序测量电流和接地电流的暂态高频部分和稳态工频基波部分都具有135 相同的方向， 但接地电流比故障线路零序测量电流在数值上要大一些， 大的这一部分即是故 障线路本身对地电容产生的电容电流。 故障线路和接地点处零序电流的稳态基波分量的相位 超前于零序电压 90，非故障线路零序电流的稳态基波分量的相位滞后于零序电压90， 零序电压经过一个短暂的暂态过程升高，暂态振荡频率幅值比较小。 2中性点经消弧线圈接地系统，补偿度为全补偿，线路 l1发生单相接地故障，故障相140 为 a 相，故障点距离母线 5km，故障时刻为 0.025s，即 a 相电压达到最大值时，发生金属 性接地故障，仿真得到故障线路零序测量电流、非故障线路的零序电流、接地电流和零序电 压的波形图如图 5 所示。 00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1 -300 -200 -100 0 100 200 300 t/s a 00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1 -100 -50 0 50 100 150 t/s a （a）故障线路零序测量电流 （b）非故障线路零序测量电流 145 - 7 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 t/s a 00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 x 104 t/s v （c）接地电流 （d）零序电压 图 5 中性点经消弧线圈接地仿真图（90=，l1=5km） fig.5 simulation waveform in neutral resonant grounding power system（90=，l1=5km, 0=） 150 由图 5 可见，当中性点经消弧线圈接地系统在故障相电压峰值附近发生单相接地故障 时，它的暂态过程与中性点不接地系统基本一致。但稳态零序测量电流却小很多，此时的故 障线路零序测量电流只有本身线路产生的对地电容电流。 故障线路的稳态故障零序测量电流 要远远小于中性点不接地系统的零序测量电流， 而非故障线路的零序测量电流与中性点不接 地系统相同。 故障线路和非故障线路零序电流的稳态工频分量具有相同的相位， 均滞后于零155 序电压90。接地电流的暂态过程与中性点不接地系统一致，而稳态接地电流非常小，几乎 接近于零，这是因为消弧线圈全补偿的效果。 3中性点经消弧线圈接地系统，补偿度为过补偿 15%，线路 l1发生单相接地故障，故 障相为 a 相，故障点距离母线 5km，故障时刻为 0.025s，即 a 相电压达到最大值时，发生 金属性接地故障，仿真得到故障线路零序测量电流、非故障线路的零序电流、接地电流和零160 序电压的波形图如图 6 所示。 00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1 -400 -300 -200 -100 0 100 200 t/s a 00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1 -100 -50 0 50 100 150 t/s a （a）故障线路零序测量电流 （b）非故障线路零序测量电流 00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 t/s a 00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 x 10 4 t/s v （c）接地电流 （d）零序电压 165 图 6 中性点经消弧线圈接地仿真图（90=，l1=5km） fig.6 simulation waveform in neutral resonant grounding power system（90=，l1=5km, 0.15=） - 8 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 由图 6 可见，当中性点经消弧线圈过补偿 15%接地，当在故障相电压峰值附近发生单 相接地故障时， 它的暂态过程也与中性点不接地系统基本一致。 故障线路零序测量电流的相 位与非故障线路零序测量电流相同，都滞后于零序电压90。过补偿时的接地电流较全补偿170 时的要大一些，为感性电流，相位与零序电压相反。 4中性点经消弧线圈接地系统，补偿度为欠补偿 15%，线路 l1发生单相接地故障，故 障相为 a 相，故障点距离母线 5km，故障时刻为 0.025s，即 a 相电压达到最大值时，发生 金属性接地故障，仿真波形图如图 7 所示。 00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 t/s a 00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1 -100 -50 0 50 100 150 t/s a 175 （a）故障线路零序测量电流 （b）非故障线路零序测量电流 00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 t/s a 00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1