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配电网单向接地故障的测距摘要摘要：配电网是电力电网系统的重要环节，配电网通过安全而稳定地运行，从而为用电设备提供可靠的电能。配电网的传输线路复杂，而且处在各种各样的环境中，由于其复杂性和多变性，发生电力故障是难免的事。在所有的故障中，单相接地短路故障是最容易发生的。电网故障发生后，在最短的时间内，对故障处进行精准测距和定位，尽可能隔离并排除故障，保证电网的持续正常运行是电力行业亟待解决的问题。但是，由于配电网所处环境等实在复杂，测距定位难度随之加大。当前，对单相接地故障的快速而准确的定位仍然是一个难题。本文进行了配电网单相接地故障测距的研究和探讨。首先介绍了配电网的运行方式和运行原理，然后介绍了配电网单相接地故障产生的原因和危害，对目前存在的各种测距方法的准确性、可靠性进行了切实的研究和细致的分析，归纳整理了各种方法的优缺点，最后在Matlab/Simulink环境下利用SimPowerSystem模块搭建了配电网中性点不接地系统单相接地故障的仿真模型，通过仿真了解其危害，为实现准确故障测距定位，采用合理的排障措施提供思路，从而提高配电网的工作可靠性，为用电设备提供安全可靠的运行环境。关键词：配电网，单相接地，测距，SimulinkAbstractDistribution network is one of the important components of the power system , its security, stability , reliable operation is to protect the peoples power of life. However, the distribution network circuit complexity , changing environment , a variety of failures will inevitably occur , in which single-phase ground short-circuit fault is most likely to occur in a fault . When the grid fails, the shortest possible time , to the point of failure for accurate ranging and positioning, fault isolation within the minimum range, thus ensuring the continued normal operation of the power grid is essential workers can not shirk responsibility. However, the distribution network resulted in a complex environment of increasing difficulty locating fault location , the current situation, for fast and accurate positioning single-phase ground fault is still a full and perfect yet solved .This paper studied and discussed the distribution network of single-phase ground fault location . First introduced the principle of operation mode and operation of the distribution network , and then introduces the causes and distribution network harm resulting single-phase ground fault , the accuracy of various methods ranging existing reliability studies carried out effectively and detailed analysis, collate and analyze the advantages and disadvantages of each method , and finally in the Matlab / Simulink environment to build a distribution network single-phase ground fault simulation model to learn about the single-phase ground short circuit hazards arising for calculating accurate fault location , using reasonable measures to provide troubleshooting ideas to improve the distribution network reliability , providing safe and reliable operating environment for electrical equipment.Key Words: Distribution network, single-phase ground fault, Simulink目录摘要1Abstract2目录41.绪 论51.1研究目的与意义51.2国内外研究现状61.3课题研究内容与要求62.配电网单向接地故障基本内容72.1配电网的运行原理72.2单相接地产生原因与危害82.3配电网单相接地的特点93. 配电网单相接地故障测距的方法113.1阻抗法113.2行波法113.3 故障分析法124. 系统仿真144.1 Matlab/Simulink简介144.2系统建模144.3 仿真结果与分析185. 总 结21致谢23参考文献241.绪 论1.1研究目的与意义在电工学日益发展成熟的19世纪末期，雅克比发明了第一台实用电动机，随后西门子发明了第一台使用的自激式发电机，爱迪生发明了白炽灯，电力系统在此基础上诞生了1。带那里系统经过了早期的直流输电、高压交流输电、超（特）高压交流输电等阶段，直到现代的超（特）高压交直流混合输电。电力系统是由发电、变电、输电、配电等环节加上传输线路到达电能用户的一个整体2。配电网（Distributed Power System）是整个系统的关键环节，它是连接电力用户和输电系统的纽带（图 1）。图 1 我国配电网的典型结构诚然，电力系统因其复杂的工作环境等因素，在运行过程中发生故障不可避免。在所有故障中，短路故障是最常见也是危害最大的故障。单相接地短路故障的发生率为最大，约占80%左右的比例，会对电力系统产生严重影响1。在人们的生产生活中，配电网是不可或缺的，它是所有用电设备正常运行的保障。当前，我国的配电网自动化技术正蓬勃发展，但是还处于初级阶段，还有电力科学家的进一步研究。一旦电网出现故障，得不到及时高效的处理，将会造成很大影响。因此，摆在电力行业工作人员面前的任务就是，在最短的时间内，及时找出故障发生的原因，迅速排查线路中的故障点，把故障控制在最小范围，尽量降低受影响用户的数量。配电网单相接地故障测距，合理地减少和避免单相接地故障造成的影响，就具有很重要的现实意义。通过对该课题的研究，一方面要熟悉配电网备运行的原理和发生单项接地故障产生的危害，分析几种测距方法的利与弊。1.2国内外研究现状就目前来讲，我国的电力系统常用的接地方式主要有4种：中性点直接接地、中性点经消弧线圈接地、中性点经过电阻器接地以及中性点不接地。我国配电网主要采用中性点非有效接地或不接地的方式，其产生的电流小，又叫小电流接地系统。我国相关电力规程规定，小电流接地系统发生单相接地故障时，可带故障继续运行12小时。但是，如果长期运行将会造成更大的相间短路故障，会造成严重的损失。于是，找出故障线路，合理选线排除故障，势在必行。长期以来，国内外继电保护工作者对此类小电流接地系统单相接地故障选线装置进行了不懈的研究与探索，提出了基于不同方面故障特征的多种原理的选线方案，并且研制了相应的装置，在电力系统中发挥了相应的作用。但是基于配网区别于输电网固有的特点：节点多，分支线路多，广泛分布于城市及农村、直达所有的用户，这给配电网的单相接地故障选线和测距带来了困难。小电流接地系统单相接地保护看似简单易行，但实践证明是十分复杂的，这也是一些国家不采用小电流接地方式的主要原因之一。近年来，国内外相继提出了多种小电流接地故障的测距定位方法，总结一下主要有阻抗法、S注入法、智能算法、行波法等等。这些不同的测距方法，各有优缺点，应用场合和环境各异，针对具体故障问题，如何选择出正确的、最优的方法，需要考虑众多的因素，有待电力工作者进一步的研究和探索。1.3课题研究内容与要求本课题针对配电网小电流接地系统的特点，主要的研究内容和要求是：l 了解配电网的运行原理；l 分析单项接地故障造成的危害；l 利用理论知识搭建单相接地故障Simulink仿真模型；l 对模型进行调试，得出正确结果；l 归纳总结测距方法，分析利弊2.配电网单向接地故障基本内容2.1配电网的运行原理和电力系统其他部分相比，配电系统具有如下一些特点46：配电系统在整个电网中运行过程中，往往会因电力负荷的随机变化，再加上外界的各种干扰，导致配电系统的供电可靠性明显降低。一般地，系统运行分为正常运行状态、检修状态和故障运行状态（图 2）。图 2 配电网的运行状态目前，我国配电网具有的特点有:1）配电网中电缆线路复杂密集，呈现高度不均匀性，故障定位难度加大；2）不同于国外，具有独特的中性点接地方式，国外电网技术难以应用；3）多采用单电源的开环运行方式；4）单相接地故障是配电网的主要故障，传统的测距方法都针对此种故障；6）配电网位于用户前端，线路一般较短，要求测距精度较高。2.2单相接地产生原因与危害在电力电网系统实际的运行过程中，对甘肃兰州地区10KV配电线路中经常发生单相接地故障的若干个小区域进行了实地探讨，分析并总结了产生此类故障的主要原因：1）线路中的一些变压器的因高压而引起下线断裂；2）电力开关、继电保护装置等的绝缘子被大电流击穿；3）长导线断线后落到大地上、房屋上或者搭在其他导体上。4）导线与大型建筑物或者树木距离过近；5）线路上的分支熔断器绝缘击穿；6）导线上落了大量积雪，导致断裂；7）鸟类的危害所致；8）天空中的各种漂浮物导致；9）其它原因其中，断线、绝缘击穿、导线接触数目是配电线路发生单相接地故障最频繁的原因，大约占各种原因的85%以上。单相接地故障造成的危害也是多方面的。其一，配电线路某处如若单相接地，变电所的电压互感器会因零序电压电流的影响，磁芯饱和，励磁电流激增，长久运行必将烧毁电压互感器，进而造成变电所其它设备的异常和损害，电能间断，出现大面积的停电故障，带来不必要的经济损失。其二，如果发生单相接地故障，产生的大电压大电流，有可能击穿绝缘保护，可同时烧毁配电变压器、熔断器等配电线路设备，产生大火花引燃周围可燃物造成大的火灾是最不想看到的后果。其三，如果配电网某地段单相接地故障程度严重，危害有可能殃及临近的电网，这造成的影响，不可想象。其四，因为单相接地后，裸露的导线接触大地，其周围会产生大的电场和大电流。如果在夜间，人们行走难以发现故障点，就有可能造成人身触电危险，牲畜等触电伤亡的事故，造成的经济损失也是人们不想遇到的。其五，发生单相接地故障后，为了生产生活的继续，检修工作势在必行。一方面要进行人工选线，这就要求对整个配电线路段实行停电处理，中断了正常的供电，会使得人民的生产和生活停滞，造成一定的损失，供电可靠性收到影响；另一方面游客可能造成电能供应的长期中断，这类现象发生在环境恶劣，地理位置偏远的地区，风雨雪霜的恶劣天气，灌木丛生的线路环境必将给维修带来巨大的困难。如果这样的接地故障频繁发生，也会导致电网的供电量大幅度较少，从而影响供电的经济效益和质量指标。其六，发生单相接地故障的时候，产生的大电流击穿供电线路的绝缘皮，电能就会流逝和释放到自由空间，造成电能的极大浪费，电能损耗不可估量。2.3配电网单相接地的特点在电力系统中，中性点的接地方式是一个综合的、系统的、重要的问题，它关系着用电的安全可靠性。我国的电力系统有这样的规定，110KV以上高压电网都采用中性点直接接地的方式，这样的好处是，一旦发生接地故障，电压电流等不会太大，会使得电网中的设备造价不会很高。但是，在配电中低压线路中，我们一般采用中性点非正常接地或者中性点不接地的方式，这样的单相接地故障，就会造成大电压电流，产生短路故障危害。下面就以配电网中性点不接地方式为例，介绍小电流接地系统的一些特点。电源的中性点不接地运行方式，多采用在低中压配电线路段，其主要有以下特点：l 接地故障电流较小，产生电弧时间段短，绝缘效果好；l 短时间内可带故障运行，方便电工人员检修；l 不会对周边电网系统造成大的干扰；l 该接地方式线路结构简单、经济实用、供电连续性好。图 3 中性点不接地系统发生单相接地故障时的情况如（图 3）所示为中性点不接地系统。正常运行方式下，三相电压呈Y型分布，总的对地电容电流之和为0。当发生单相接地时，如图中的L3相发生单相接地故障，故障相的对地电压就变为0，即 L3相的对地电压变为0，对地电容电流为0；非故障相电压变为原来的1.732倍，即L1、L2相的相电压变为原来的1.732倍，对地电容电流和骤增。故障相产生的的零序电压，故障相零序电流大小就为。一般地，令三相电压和电流分别为和，配电网中性点不接地的方式发生单相接地故障时，零序电压和零序电流为： 3. 配电网单相接地故障测距的方法3.1阻抗法阻抗法是最早使用的一种方法，它的前提是传输线是均匀传输线。故障距离的获取是通过测量故障处到测量处之间的阻抗，并建立故障定位方程，求解而得。由于原理简单，对硬件要求低，容易实现、算法稳定，在电力系统中广泛应用10。电桥法包括电阻电桥法和电容电桥法，其在阻抗法中比较广泛使用。其具有简单方便的优点，但也具有不适合测量高电阻和闪络性故障的缺点。3.2行波法行波法（图 4）也是电力系统接地故障测距中常用的一种方法，其理论基础为行波传输线理论。行波法对接地故障的定位速度快，定位精度高，主要分为A、B、C型三种行波测距法。图 4 行波的折射与反射A型行波测距根据行波在测量处与故障处的传播速度和时间来决定距离，该方法简单明了，精度较高，但是由于对故障点产生的行波特性了解程度不足，再加上其它的限制条件，其应用并不广泛。B型行波测距的原理是借助通信信道得到故障点第一个波头信号到缆线两端的信息来进行故障测距。因为此方法只利用第一个波头，从而消除了反射波和透射波的影响，但要求到达两端的时间精确，才能保证测距的精确度。C型行波测距的方法是在故障线路的一侧施加脉冲激励，根据脉冲的往返时间来估算距离。图 5 单端行波故障测距原理图 6 双端行波故障测距原理在早期阶段，行波法因其优秀的特点成为当时的研究热点。在随后的时间里，高频电子线路理论，尤其是传输线理论日益发展，人们进一步加深了对行波应用技术的认识。再者，随着电子技术的飞速发展，信号处理技术相继成熟，尤其是小波相关性理论13的引入，为行波测距带来了新的方法，行波测距技术更全面，测距的精准度更高11。3.3 故障分析法其实，在电力系统运行方式、运行参数等确定的条件下，配电线路中某点发生接地故障时，其两端的电压和电流均是故障距离的函数。基于此原理，故障分析法产生了，它就是利用线路某处发生故障时所获得的故障处的电压与电流，通过分析与计算得到故障距离，主要分为单端数据测距和双端数据测距。1、利用单端数据测距该测距方法根据单端测到的电压与电流等数据，来计算故障点的距离。对于单一架空线或电缆，现有的测距方法均用到了集中参数模型和分布参数模型。在短距离配电线路中，两种数学模型的误差小，而且分布参数模型更符合实际6。利用单端工频量来进行测距，随着研究的深入，相继出现了多种方法，包括解一次和二次方程测距法，耦合双回线一次方程测距法以及迭代法（零序电流相位修正法和零序电流修正法）。考虑电路分布电容的影响，通过前一种方法的国度，可通过解微分方程法来进行距离求解。再者，近年来，相关工作者进行了多学科的交叉渗透，提出了更新颖的一些测距方法，如神经网络、进化优化、模糊理论等测距方法，其应用还不是很广泛，目前尚处于研究阶段。现有的单端数据测量法存在一定程度的误差，根本原因是故障过渡电阻的存在。引入对端阻抗可以解决，但又要受到对端阻抗的影响。随着各种技术的发展，双端或多端故障测距法产生了。2、利用双端数据测距相比于单端测距法，双端测距法利用线路双端的电压、电流数据，列出两组方程，求解距离，两方程两未知数，可以很好地求解，从而消除了过渡电阻的影响，测距准确度较高。目前，常用的双端测距法在原理上不存在误差，采用了精确的分布参数模型。但是，它不善于处理数据同步和伪根判别等问题，还是有待改进的。4. 系统仿真4.1 Matlab/Simulink简介美国Mathworks公司开发的Matlab软件，是当今应用最广泛的科技类软件之一。该软件以矩阵运算为基础，支持多种数据类型，将计算的数值化和图形的可视化融合在一个交互式的工作环境中。Matlab提供了几十多种专用领域的工具箱，这其中包括诸如控制系统工具、信号处理工具箱、小波工具箱、通信以及电力系统工具箱等等，极大地体现了程序设计的方便性和灵活性，用户可以直接调用工具箱函数来实现所需的程序功能。再者，使用者还可以编写自己的工具箱，进而在Matlab中加载之，扩展了Matlab强大的功能。广义上，Simulink作为Matlab一个较大的工具箱，它提供了一个可视化的仿真环境。在Simulink中，用户只需鼠标操作内置的系统模块就可以构建一个复杂的系统模型，并提供了一系列仿真设置与分析工具，功能强大。特别是，Simulink在较高版本里增加了专门用于电气仿真的模型块，即SimPowerSystem 14。该模块含有非常丰富的电气元器件模型，包括三相电源、变压器、线路等模型，所有的模型可以通过对话框进行详细的参数设置，使得复杂的电气系统建模与仿真变得更加简单方便、直观快捷。4.2系统建模我国电力章程规定，110kv以上的高压系统采用大电流接地方式，即中性点直接接地方式，35kv及以下的配电低压系统采用小电流接地方式，即中性点非正常接地和不接地方式。本文研究的对象是小电流接地方式中的中性点不接地方式（图 7）的单相接地故障问题。图 7 中性点不接地方式单相接地故障原理图根据2.3节讲到的中性点不接地方式的原理，利用simulink的PSB模型库建立一个500V中性点不接地系统的仿真模型（图 13）。l Three-Phase Source。该模块用来模拟三相发电机电源系统，考虑配电网的低压特性，设置线电压为500V，频率为50Hz，连接方式为星形Y，为中性点不接地形式。其详细的参数设置见（图 8）。图 8 lThree-Phase Source模型参数设置l Three-Phase V-I Measurement。该模块为三相电压电流检测元件，用来检测线路上的电压和电流，和三相电源系统同频率50Hz。其详细参数设置见（图 9）。图 9 Three-Phase V-I Measurement参数设置l Three-Phase PI Section Line。该模块模拟三相传输线，同样保持在50Hz工作频率，传输线的长度设置为短程0.1km。其详细参数设置见（图 10）。图 10 Three-Phase PI Section Line参数设置l Three-Phase Fault。该模块用来模拟接地故障，可设置任意相的故障，本仿真设置的单相接地故障的故障相为A相，即A相短路，起始时间为第0.04s，故障持续时间为0.06s到第0.1s故障停止。具体参数见（图 11）。图 11 Three-Phase Fault模型参数设置l Three-Phase Series RLC Load。该模块用于模拟线路负荷，频率同样设置为50Hz，其它参数设为默认值。详细参数设置见图11：图 12 Three-Phase Series RLC Load参数设置图 13 中性点不接地系统单相接地故障仿真模型4.3 仿真结果与分析在仿真以前，为了确保仿真的正确进行，需要加入SimPowerSystems的环境模块（图 15），仿真开始时间设置为0.0s，停止时间设置为0.2s。运行算法设置为ode23tb，相对容限为1e-3，其它默认。详见如（图 14），然后运行仿真。图 14 仿真参数设置图 15 SimPowerSystem环境模块及其面板图 16 各线路的零序电流图图 17 故障线路的电压和电流波形运行仿真，仿真停止后，得到的各线路的零序电流见（图 16），可以看出线路在0.04,0.1时间范围内出现零序电流，三相电流不再对称，线路3（图 16下）的幅值较大，为线路1、2幅值之和，且极性相反，根据第2章原理，可判断出线路3发生单相接地故障。根据发生接地故障的线路波形（图 17）可知，A相电压与电流均在0.04s迅速升高，从而判断出A相发生了接地故障。5. 总 结电力系统是发电、输电、配电等一个有机的整体。如前所述，电网中性点接地系统可分为大电流接地系统和小电流接地系统。在小电流接地系统中发生单相接地时，在一般情况下，可继续运行12小时，这是小电流接地系统运行方式的优点。但是要明白的是，某相接地后，其它两相的对地电压升高1.732倍，若长此运行，必将会严重损害电力系统。因此，有必要对小电流接地系统的单相接地短路故障的判断进行研究，以便及时准确的排除故障15。本文的主要内容如下：绪论部分。该部分主要介绍了本文研究课题配电网单相接地故障测距的研究目的和意义，并简单叙述了单相接地测距的研究现状，最后给出了本文的研究内容和要求。配电网单相接地故障理论。该部分首先介绍了配电网在整体电力系统所起的作用，相比于其它的组成，配电网所表现出的特点，并简单叙述了配电网的运行方式，包括：正常运行状态、故障运行状态和检修状态。接着根据对甘肃兰州周边电网的实地考察，详细介绍了配电网单相接地故障产生的原因，并对造成的危害进行了系统的说明。单相接地故障是电力系统最容易发生的的故障，必须引起重视。最后，针对配电网经常使用的中性点不接地运行方式系统，分析了其出现单相接地故障时的电压电流分布情况，得出了此种情况下单相接地故障的基本理论。配电网单相接地故障测距方法。该部分根据目前处理单相接地故障测距的相关技术文献，分析并总结了常用的阻抗法、行波法、故障分析法等测距方法。详细介绍了各测距方法的使用范围，表现出的优点和存在的不足之处，并对新的故障测距方法进行了展望。配电网单相接地仿真。该部分首先简介了Matlab/Simulink软件，指出了其中的SimPowerSystem模块专门用于电力系统的仿真。根据第2章对中性点不接地方式的单相接地模型的分析结果，在Simulinkd的GUI环境下建立了中性点不接地方式的单相接地故障的仿真模型，详细设置了各模块参数，仿真结果显示了发生故障的线路，以及故障线路的故障相电压电流的急剧变化情况，仿真结果表明与实际的故障现象吻合。配电网单相接地故障测距，目前已有不同的测距方法，并取得了不错的测距效果，但是测距的准确性和精确性还存在一定程度的不足。随着配电自动化技术的不断发展，各种智能方法引入到故障测距之中，多学科的交叉渗透，必将会促进故障测距方法的进步，维持电网安全、稳定、可靠运行，造福人们生产和生活。致谢时光如梭，转眼间就要离