（电力系统及其自动化专业论文）6～35kv电网中性点灵活接地及其控制的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文6 3 5 k v 电网中性点灵活接地及 其控制的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师徐玉琴教授指 导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致 谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华 北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 特此申明。 学位论文作者签名： 孤潮 e t 期：型：! ：! z 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：丛鱼 日 期：型! ：! ! ：1 2 导师签名：燮 e t 期：丛：! ：梦 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 6 3 5 k v 配电网中性点接地方式概论比1 电力系统的中性点接地方式大致可分为两类：中性点有效接地和中性点非有效 接地。中性点有效接地方式包括中性点直接接地和经低电阻、低电抗接地；中性点 非有效接地方式包括中性点不接地、经消弧线圈接地和经高电阻接地。中性点接地 方式的选择是一个综合性的技术问题，直接关系到电力设备的绝缘水平、过电压水 平、电网供电可靠性、通信干扰、接地保护方式、人身及设备安全等很多方面，是 电力系统实现安全与经济运行的技术基础。 我国6 3 5 k v 配电网具有数量庞大、分布面广的特点，因此中性点接地方式的 选择对电网供电可靠性和安全运行的影响至关重要。1 9 9 7 年1 0 月1 日颁布的“交 流电气装置过电压保护和绝缘配合”d l t 6 2 0 - - 1 9 9 7 行业标准总结、吸取了多年来 电网的运行经验和研究成果，对6 3 5 k v 配电网的中性点接地方式做出了新的规定： 6 k v 、1 0 k v 钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路构成的系统和所有的3 5 k v 系统，电 容电流大于1 0 a 时，应采用经消弧线圈接地：6 k v 非钢筋混凝土或非金属杆塔的架 空线路构成的系统，电容电流大于3 0 a 时，应采用经消弧线圈接地；1 0 k v 非钢筋 混凝土或非金属杆塔的架空线路构成的系统，电容电流大于2 0 a 时，应采用经消弧 线圈接地；6 k v 、1 0 k v 电缆线路构成的系统，电容电流大于3 0 a 时，应采用经消弧 线圈接地方式；6 3 5 k v 主要由电缆线路构成的送、配电系统，单相接地故障电容 电流较大时，可采用低电阻接地方式，但应考虑供电可靠性要求、故障时瞬态电压、 瞬态电流对电力设备的影响、对通信的影响和继电保护技术要求以及本地的运行经 验等；6 k v 和1 0 k v 配电系统，单相接地故障电容电流较小时，为防止谐振、间歇 性电弧接地过电压等对设备的损害，可采用高阻接地方式。 1 1 1 国内外概况2 3 。1 2 0 1 据了解，世界各国的中压电网接地方式，每个国家甚至同一国家的不同城市都 不尽相同，同一城市也存在不同接地方式并存的情况，主要是根据自己的运行经验 和传统做法来确定。 美国因为有健全的环网供电系统，能够很好的实现连续供电，所以中压电网一 般采用中性点经低、中电阻接地等方式，很少采用谐振接地方式。日本电力系统的 中性点以前主要采用谐振接地方式，二战后因美国原因改成了低电阻接地方式，但 后来谐振接地也得到了一定的发展。 华北电力大学硕士学位论文 德国、法国、瑞典以及芬兰、意大利、奥地利的中压电网普遍采用谐振接地方 式。在独联体和东欧的几个国家中，谐振接地方式在中压电网中占有相当的或绝对 的优势。 自1 9 4 9 年至上世纪8 0 年代，我国基本上沿用前苏联的规定，中压电网多采用 中性点不接地或谐振接地方式。近1 0 多年来，我国沿海一些大城市经济飞速发展， 电网的容量和规模急剧扩大，配电线路逐步实现电缆化，造成系统电容电流急剧增 加。在以电缆线路为主的城市电网，因多种原因造成单相接地过电压而烧坏设备的 事故概率大幅度增加。近几年国家和地方大力投资进行城网、农网改造，电网规模 扩大，电缆线路不断增加，6 3 5 千伏中压配电网原有的中性点不接地方式已不再 适宜，而老式手动调匝式消弧线圈接地方式在运行中也存在一些问题，自动跟踪消 弧线圈补偿装置得到较快发展，出现了直流助磁式消弧线圈、自动调匝式消弧线圈、 调容式消弧线圈等多种消弧线圈以及基于多种调谐原理的自动跟踪补偿消弧装置， 并向消弧补偿、故障选线一体化方向发展。 1 1 2 中陛点接地方式的优缺点比较”1 目前，我国6 3 5 k v 配电网中性点接地方式主要包括：中性点不接地、经消弧 线圈接地和电阻接地方式等。这三种接地方式优缺点分析比较如下： ( 1 ) 中性点不接地方式 优点：发生单相接地故障时，故障电流较小，线电压维持平衡，对用户供电无 大的影响，不必立即跳闸；有利于瞬时性故障自动熄弧，供电可靠性高；故障点耗 散功率小，对人身及设备安全的威胁小：对通讯线路及信号系统干扰小。 缺点：由于中性点没有电荷释放通路，长时间带故障运行，容易引发间歇性弧 光过电压，非故障相电压升高会引发p t 谐振、断线谐振等暂态过电压，造成污闪、 p t 烧毁、多点接地故障等。 ( 2 ) 经消弧线圈接地方式 优点：在电网发生单相接地时产生感性电流以补偿电容电流，使故障点残流变 小，达到自然熄弧、消除故障的目的。消弧线圈的使用，对抑制间歇性弧光过电压， 消除电磁式电压互感器铁芯饱和引起的谐振过电压，降低线路故障跳闸率，避免单 相接地扩大为相间短路，以及减少人身触电和设备的损坏都有明显的效果。 缺点：消弧线圈接地只能降低间歇性弧光接地过电压发生的概率而不能完全消 除，调谐不当有可能发生工频谐振。永久性单相接地故障时，电流小、故障特征不 明显，难以满足继电保护装置灵敏度要求，不能真正实现故障线路和故障点的快速 定位和隔离。 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 经电阻接地方式 优点：中性点电阻的阻尼作用使单相接地时电容充电的暂态电流受到抑制，基 本消除了间歇性电弧过电压的可能性，也可将其他类型的过电压限制到较低的水 平，使发生异地两相接地的可能性减小。同时接地特征明显，能满足继电保护灵敏 度的要求。 缺点：经低电阻接地时，故障电流增加到数百安培，会引起地电位升高、通信 干扰等问题。经高阻接地电容电流不宜过大，一般不宜大于4 5 安培，所以高阻 接地的局限性较大。每次接地断路器均立即跳开线路，降低供电可靠性( 特别对架 空线网络) ，频繁的分、合闸使断路器及其他相关设备负担重。 1 2 中压配电网中性点灵活接地方式的研究状况 从上述比较可以看出，以自动调谐消弧线圈接地方式为代表的小电流接地方 式，在供电可靠性、人身设备安全、电磁兼容性、故障点熄弧能力等方面都占有优 势，但存在过电压水平较高、故障选线困难等不足【2 】。中性点经小电阻接地有利于 限制过电压水平、接地故障容易检测，但小电阻接地方式下故障电流大，对人身设 备安全和电磁兼容性的影响应予以重视。为了充分发挥经消弧线圈和电阻接地方式 的优势并克服其缺点，一种适用于1 0 k v 配电网可灵活调节的接地方式( 即l o k v 配 电网中性点灵活接地方式) 被提出1 2 j ，后又经过了改进。 改进后这种接地方式的工作原理为：电网正常运行时，消弧线圈和1 2 0 0 f 2 接地 电阻( 由2 个6 0 0 q 电阻串联组成) 并联，消弧线圈预调至最佳补偿状态；当发生 瞬时性单相接地故障时，消弧线圈直接补偿，使故障电流小于一定值，并联的1 2 0 0 q 接地电阻可以抑制瞬时故障引起的过电压，从而使系统继续f 常运行而不停止供电 的同时降低线路设备受过电压的冲击：当发生永久性单相接地故障时，将按地电阻 1 2 0 0 e l 改为6 0 0 f ! ，抑制间歇性弧光接地过电压，荠为故障选线提供特征明显的零序 有功电流，从而对过渡电阻小于3 0 0 0 欧姆的单相接地故障进行选线。另外，接地 电阻的接入，可有效区分虚幻接地与高过渡电阻接地1 2 j 。 其中具体构成如图l 一1 所示。 虽然这种接地方式结合了电阻接地和消弧线圈接地的优点，但是其抑制故障暂 态过电压能力依然值得商榷，并且在研究过程中还发现谐振接地完全补偿时发生单 相接地故障时可能出现残流过大的现象，这些都是这种灵活接地方式所不能解决 的，需要进一步研究和改进。 华北电力大学硕士学位论文 图中： b 母线 图1 1 中性点灵活接地方式的构成 t n b 一一z 型接地变压器，提供系统中性点 c t o 一一中性点电流互感器，获取中性点电流 c t i 、c t 2 c t 。一一线路零序电流互感器 l 一一消弧线圈，补偿电网电容电流 p t 一一母线电压互感器，获取母线线电压及行口三角电压 p t o 一一中性点电压互感器，获取中性点位移电压 r 1 1 l 、r 。2 一一接地电阻器 1 3 研究6 3 5 k v 中心点灵活接地技术的意义 综上所述，l o k v 配电网中性点灵活接地方式兼容了补偿电容电流、抑制配电 网内部过电压、实现故障选线三方面的优点，是一种可综合治理1 0 k v 配电网单相 接地故障危害的新型接地方式。但目前的灵活接地方式在限制单相接地故障暂念过 电压与抑制故障暂态残流方面还存在一些需要改进的地方，在接地方式上还没有真 正实现“灵活”，研究新型灵活接地方式还十分必要。而且，目前研究的中性点灵 活接地方式还仅仅限于1 0 k v 配电网，没有推广到其他电压等级的中压系统，所以， 将此接地方式推广到6 k v 和3 5 k v 有着很重要的实际意义。 1 4 本文的主要工作 本文主要开展了以下工作： ( 1 ) 对6 k v 、1 0 k v 和3 5 k v 这3 个最常见的电压等级的中压配电网分别进行 4 华北电力火学硕十学位论文 了不同接地方式的a t p e m t p 仿真。 ( 2 ) 对仿真结果进行数值分析，指出当前灵活接地方式尚未完全解决的问题， 并对存在的问题进行机理分析。 ( 3 ) 结合仿真结果提出新的灵活接地方案，并进行a t p e m t p 仿真验证其效 果。具体说明新方案的技术特点。说明其在技术上的优势。 ( 4 ) 对新的灵活接地方式进行实际工程应用上的探讨，针对实际应用中可能 出现的问题提出了解决方法，并为控制器的设计制定初步的方案。 华北电力大学硕士学位论文 第二章6 3 5 k v 配电网单相接地故障的a t p e m t p 仿真 2 11 0 k v 配电网单相接地故障的a t p e m t p 仿真啼们阳 2 1 11 0 k v 配电网模型的建立h 1 本文建立了一个典型的l o k v 三相对称系统空载模型，线路采用分布参数模块， 设有5 条出线，其中3 条为电缆线路，2 条为架空线路，如图2 1 所示。其中1 1 0 k v 高压线路用一个1 1 0 k v 的3 相电源代替：为了简化系统变压器用了一个理想的等效 变压器，接线为星一三角接线方式：3 条电缆线路长度均为1 0 k m ，其参数为z l = ( 0 1 2 5 + ；0 0 9 5 ) q k i n ， z o = ( 0 9 7 + j o 3 7 9 ) q 1 k m ，正序容纳为b l = 9 3 6 1 9 p s k m ， 零序容纳为b o = 8 3 5 6 6 9 s ，k m ：2 条架空线路长度均为2 0 k m ，其参数为z 1 = ( o 2 7 0 + j 0 3 5 1 ) o k m ，z o = ( 0 4 7 5 + i 1 7 5 7 ) o k m ，正序容纳为b l = 3 2 6 7 肛s k m ，零序 容纳为b o = 1 1 0 0 肛s k m 4 】：总的电容电流约为4 4 a 。 图2 11 0 k v 中压谐振接地系统空载仿真模型 试验表明故障现象随故障相电压相位的不同而不同，而且在故障相电压处于峰 值和零值时发生故障的故障现象最为典型，其他时刻的故障现象只是在这两者之间 的过渡。故所有的仿真试验都只对故障a 相电压为0 度、4 5 度和9 0 度这三个时刻 发生单相接地故障进行了分析。 2 1 21 0 k v 配电网单相金属性接地故障的a t p e m t p 仿真 通过大量的仿真研究发现，对于本文主要研究的过电压问题，具有如下特征 6 华北电力大学硕士学位论文 同一网络不同故障点、不同种类线路的单相故障仿真结果极为相似。由于篇幅的限 制，本文仅对图2 1 中电缆l 的a 相发生单相故障的情况进行仿真研究说明，故 障点位于电缆线路的1 2 处1 8 1 。 ( 1 ) l o k v 配电网中性点不接地系统的故障仿真 故障发生时刻a 相电压相位为0 故障发生时刻a 相电压相位为4 5 -故障发生时刻a 相电压相位为9 0 图2 2l o k v 中性点不接地系统单相金属性接地故障电流暂态波形图 故障发生时刻a 相电压相位为o 故障发生时刻a 相电压相位为4 5 故障发生时刻 相电压相位为9 0 + 图2 3l o k 、中性点不接地系统单相金属性接地故障中性点过电压暂态波形图 故障发生时刻a 相电压相位为旷故障发生时刻a 相电压相位为4 5 4 故障发生时刻a 相电压相位为9 0 * 图2 4l o k v 中性点不接地系统单相金属性接地故障非故障相电压暂态波形图 ( 2 ) 1 0 k v 配电网谐振接地系统的故障仿真 故障发生时刻a 相电压相位为0 故障发生时刻a 相电压相位为4 5 故障发生时刻a 相电压相位为9 0 * 图2 - - 51 0 k v 谐振接地系统单相金属性接地故障电流暂态波彤图 7 华北电力大学硕士学位论文 故障发生时刻a 相电压相位为0 。故障发生时刻a 相电压相位为4 5 。 故障发生时刻 相电压相位为9 0 图2 61 0 k v 谐振接地系统单相金属性接地故障中性点过电压暂态波形图 故障发生时刻a 相电压相位为0 。故障发生时刻a 相电压相位为4 5 。故障发生时刻a 相电压相位为9 0 。 图2 71 0 k v 谐振接地系统单相金属性接地故障非故障相电压暂态波彩图 ( 3 ) 1 0 k v 配电网中性点灵活接地系统的故障仿真 故障发生时刻a 相电压相位为o 。故障发生时刻a 相电压相位为4 5 故障发生时刻 相电压相位为9 0 。 图2 81 0 k v 中性点灵活接地系统单相金属性接地故障电流暂态波形图 故障发生时刻a 相电压相位为0 口故障发生时刻 相电压相位为4 5 *故障发生时刻a 相电压相位为9 0 图2 91 0 k v 中性点灵活接地系统单相金属性接地故障中性点过电压暂态波形图 8 华北电力大学硕士学位论文 故障发生时刻a 相电压相位为o a故障发生时刻a 相电压相位为4 5 故障发生时刻a 相电压相位为9 0 。 图2 1 01 0 k v 中性点灵活接地系统单相金属性接地故障非故障相电压暂态波形图 故障发生时刻a 相电压相位为0 故障发生时刻a 相电压相位为4 5 。 故障发生时刻a 相电压相位为9 0 。 图2 11l o k v 中性点灵活接地系统单相金属性接地故障故障选线电流波形图 2 1 31 0 k v 配电网经2 0 0 0 f z 过渡电阻的单相接地故障a t p e m t p 仿真 ( 1 ) 1 0 k v 配电网中性点不接地系统的故障仿真 故障发生时刻a 相电压相位为o 故障发生时刻a 相电压相位为4 5 。 故障发生时刻a 相电压相位为9 0 地故障电流暂态波形图 故障发生时刻a 相电压相位为o 故障发生时刻a 相电压相位为4 5 。 故障发生时刻a 相电压相位为9 0 图2 1 3l o k v 中性点不接地系统单相经过渡电阻接地故障中性点位移电压暂态波形图 9 华北电力大学硕士学位论文 故障发生时刻a 相电压相位为0 。故障发生时刻a 相电压相位为4 5 口故障发生时刻a 相电压相位为9 0 图2 1 41 0 k v 中性点不接地系统单相经过渡电阻接地故障非故障相电压暂态波形图 ( 2 ) 1 0 k v 配电网谐振接地系统的故障仿真 幅 勰l l l lq l ij l i i1 a 川川： 故障发生时刻a 相电压相位为0 1 j | _ l i l i ： 川5 + ：! 1 1 1 ，1 i i l l j - j ：， 故障发生时刻a 相电压相位为4 5 。故障发生时刻a 相电压相位为9 0 谐振接地系统单相经过渡电阻接地故障电流暂态波形图 故障发生时刻a 相电压相位为0 0故障发生时刻a 相电压相位为4 5 。 故障发生时刻a 相电压相位为9 0 。 障中性点位移电压暂态波形图 故障发生时刻a 相电压相位为o 故障发生时刻a 相电压相位为4 5 。 故障发生时刻a 相电压相位为9 旷 图2 1 71 0 k v 中性点谐振接地系统单相经过渡电阻接地故障非故障相电压暂态波形图 ( 3 ) l o k v 配电网中性点灵活接地系统的故障仿真 0 -iiiiii5=1ii5i=| 8i 。差_ 孙眠搿柚 焉 “ 眦川 华北电力大学硕十学位论文 故障发生时刻a 相电压相位为矿故障发生时刻a 相电压相位为4 5 。故障发生时刻a 相电压相位为9 0 灵活接地系统单相经过渡电阻接地故障电流暂态波形图 故障发生时刻a 相电压相位为0 故障发生时刻a 相电压相位为4 5 故障发生时刻a 相电压相位为9 0 。 障中性点位移电压暂态波形图 故障发生时刻a 相电压相位为0 4 故障发生时刻a 相电压相位为4 5 。故障发生时刻a 相电压相位为9 旷 图2 2 0l o k v 中性点灵活接地系统单相经过渡电阻接地故障非故障相电压暂态波形图 璃阐阐 故障发生时刻a 相电压相位为0 。故障发生时刻a 相电压相位为4 5 0 故障发生时刻 相电压相位为9 0 。 图2 2 1l o k v 中性点灵活接地系统单相经过渡电阻接地故障故障选线电流波形图 2 1 41 0 k v 配电网单相接地故障仿真分析 通过仿真可以看到! o k v 中压配电网随着接地方式的不同以及故障时刻的不同 存在以下一些现象： ( 1 ) 从仿真图中可以看到中性点不接地系统故障相电压9 0 4 时发生单相金属性 华北电力火学硕十学位论文 接地故障时中性点最大暂态过电压为1 4 8 k v ，非故障相过电压最大幅值为1 9 8 k v ， 故障点最大暂态过电流幅值为5 8 7 a ，暂态过程均较短，大约l t ：当a 相电压0 发 生单相金属性故障时中性点最大暂态过电压幅值为8 9 k v ，比相电压峰值8 2 k v 稍 大一点，非故障相电压最大幅值为1 4 4 k v ，故障点暂态电流最大幅值为1 0 6 a ，暂 态过程更短，在1 2 t 左右。 而当中性点不接地系统发生经2 0 0 0 f 2 过渡电阻接地故障时候，由于过渡电阻的 阻尼作用，故障电流与中性点位移电压都较小，不存在过电压的问题：非故障相电 压有小幅度的变化，但三相仍基本对称。 ( 2 ) 谐振接地系统故障相电压9 0 。时发生单相金属性接地故障时中性点最大暂 态过电压为1 4 7 k v ，非故障相电压最大幅值为1 9 6 k v ，故障点最大暂态过电流幅值 为5 8 0 a ，暂态过程均较短，大约l t ：当a 相电压0 。发生单相金属性故障时中性点 晟大暂态过电压幅值为8 5 k v ，比相电压峰值8 2 k v 稍大一点，非故障相电压最大 幅值为1 4 4 k v ，电压暂态过程更短，故障点暂态电流最大幅值为l1 0 a ，其暂态过 程长，存在一个衰减较慢的、数值可观的残流。 当中性点谐振接地系统发生经2 0 0 0 f ) 过渡电阻接地故障时候，故障电流与中性 位移点电压起始值也都较小。其中故障电流逐渐衰减到零值附近，补偿电流从零逐 渐增大到相应补偿值；中性点位移电压也从零逐渐增大到一u 。，不存在过电压的问 题；非故障相电压也没有暂态过电压，会在一定时间内逐渐由相电压过渡到线电压； 整个暂态过渡过程大约3 0 0 4 0 0 m s 。 ( 3 ) 通过仿真可以看出在文献 2 提出的中性点灵活接地方式下发生a 相会属 接地时，在0 。和9 0 。两个a 相电压相位下故障电流的暂念峰值几乎没有变化，故障 稳态电流为4 9 a 的阻性电流。两个故障相位下中性点位移过电压峰值分别为8 4 k v 和1 4 6 k v ，非故障相过电压最大峰值分别为1 4 4 k v 和1 9 4 k v ，可以看出1 2 0 0 f ! 并 联电阻在充分发挥暂态过电压的抑制功能上是值得商榷的。当发生永久性金属性接 地时，故障后3 s 投入选线电阻，用以加大故障点零序电流进行选线。仿真显示故障 稳态的有功电流为5 4 a ，而投入选线电阻后零序电流变为9 9 a ，可以较容易的区分 故障线路。 但如果发生经2 0 0 0 f 2 过渡电阻接地，故障零序电流有明显下降，故障稳态零序 电流和故障选线零序电流的数值差进一步缩小( 如图2 2 1 ) ，不利于区分故障线路。 故障暂态过程变化规律与谐振接地系统的情况基本相同。 ( 4 ) 金属性接地故障发生时，故障相的电压越接近峰值，则故障暂态的高频 分量越严重；反之，故障相的电压越接近零值附近，故障暂态高频分量就越小。 华北电力大学硕士学位论文 2 2 其他中压配电网单相接地故障的a t p e m t p 仿真 2 2 16 k v 配电网单相接地故障的a t p e m t p 仿真1 6 k v 系统的供电半径较1 0 k v 要小，为4 1 5 k m ，相应的6 k v 母线出线也少一 些。本文建立的6 k v 模型也是三相对称系统空载模型，线路也采用分布参数模块， 设有4 条出线，其中2 条为电缆线路，2 条为架空线路，如图2 2 2 所示。其中1 l o k v 高压线路用一个1 1 0 k v 的3 相电源代替；为简化系统变压器仍用一个理想的等效变 压器。接线为星一三角接线方式；2 条电缆线路长度均为1 0 k m ，其参数为z ，= ( o 1 2 5 + j o 0 9 5 ) q ，k m ，z o = ( o 9 7 + j 0 3 7 9 ) q k m ，正序容纳为b i = 9 3 6 1 9 s k i n ，零序容纳 为b o = 8 3 5 6 6 p s k m ：2 条架空线路长度均为1 2 k m ，其参数为z i = ( o 2 7 0 + i 0 3 5 1 ) q ，k m ，z o = ( 0 4 7 5 + j 1 7 5 7 ) q k m ，正序容纳为b i = 3 2 6 7 肛s k m ，零序容纳为b o = 1 1 0 0 p s k m ；总的电容电流约为1 8 a 。 图2 2 26 k v 中压谐振接地系统空载仿真模型 本文对图2 2 2 中架空线4 的a 相发生单相故障的情况进行了仿真研究，故障 点位于架空线4 的线路1 2 处。 2 2 1 1 6 k v 配电网单相金属性接地故障的a t p e m t p 仿真： ， ( 1 ) 6 k v 配电网中性点不接地系统的故障仿真 j 一 i 1 故障发生时刻a 相电压相位为矿 故障发生时刻a 相电压相位为4 5 故障发生时刻a 相电压相位为9 矿 图2 2 36 k v 中性点不接地系统单相金属性接地故障电流暂态波形图 华北电力大学硕士学位论文 故障发生时刻a 相电压相位为o 故障发生时刻 相电压相位为4 5 。 故障发生时刻 相电压相位为9 旷 图2 2 46 k v 中性点不接地系统单相金属性接地故障中性点过电压暂态波形图 故障发生时刻 相电压相位为0 0故障发生时刻 相电压相位为4 5 故障发生时刻a 相电压相位为9 0 - 图2 - - 2 56 k v 中性点不接地系统单相金属性接地故障非故障相电压暂态波形图 ( 2 ) 6 k v 配电网谐振接地系统的故障仿真 故障发生时刻a 相电压相位为0 _ 故障发生时刻a 相电压相位为4 5 故障发生时刻a 相电压相位为9 0 。 图2 - - 2 66 k v 谐振接地系统单相金属性接地故障电流暂态波形图 故障发生时刻a 相电压 目位为0 0故障发生时刻a 相电压相位为4 5 。 故障发生时刻 相电压相位为9 0 图2 2 76 k v 谐振接地系统单相金属性接地故障中性点过电压暂态波形图 4 华北电力大学硕士学位论文 故障发生时刻a 相电压相位为0 故障发生时刻 相电压相位为4 5 故障发生时刻 相电压相位为9 0 。 图2 - - 2 86 k v 谐振接地系统单相金属陛接地故障非故障相电压暂态波形图 2 2 1 2 6 k v 配电网经2 0 0 0 q 过渡电阻的单相接地故障a t p e m t p 仿真： ( 1 ) 6 k v 配电网中性点不接地系统的故障仿真 故障发生时刻 相电压相位为o 。故障发生时刻a 相电压相位为4 5 4故障发生时刻a 相电压相位为9 0 4 图2 2 96 k v 中性点不接地系统单相经过渡电阻接地故障电流暂态波形图 故障发生时刻a 相电压相位为o 故障发生时刻a 相电压相位为4 5 。故障发生时刻a 相电压相位为9 0 。 图2 3 06 k v 中性点不接地系统单相经过渡电阻接地故障中性点位移电压暂态波形图 故障发生时刻a 相电压相位为0 口故障发生时刻a 相电压相位为4 5 。故障发生时刻a 相电压相位为9 旷 图2 一16 k v 中性点不接地系统单相经过渡电阻接地故障非故障相电压暂态波形图 ( 2 ) 6 k v 配电网谐振接地系统的故障仿真 1 5 华北电力大学硕+ 学位论文 + “。4 。”。? ：i ： l 黜 ! ：8 i | i l | o - l i | _ j | i i ；j i 。4 熊 故障发生时刻 相电压相位为矿故障发生时刻a 相电压相位为4 5 。故障发生时刻a 相电压相位为9 0 。 图2 3 26 k v 中性点谐振接地系统单相经过渡电阻接地故障电流暂态波形图 喇 故障发生时刻a 相电压相位为旷 删 删撇 故障发生时刻a 相电压相位为0 。故障发生时刻a 相电压相位为4 r故障发生时刻a 相电压相位为9 0 。 图2 3 46 k v 中性点谐振接地系统单相经过渡电阻接地故障非故障相电压暂态波形图 2 2 23 5 k v 配电网单相接地故障的a t p e m t p 仿真 3 5 k v 的中压配电网供电半径在2 0 5 0 k i n ，输电功率也较1 0 k v 大，所以相应 母线出线一般也多些。本文建立的3 5 k v 模型仍然采用的是三相对称系统空载模型， 线路同样采用分布参数模块，设有6 条出线，其中2 条为电缆线路，4 条为架空线 路，如图2 3 5 所示。其中1 1 0 k v 高压线路用一个1 1 0 k v 的3 相电源代替：为简化 系统变压器仍用一个理想的等效变压器，接线为星一三角接线方式：2 条电缆线路 分别是长度为2 0 k m 的2 4 0 m m 电缆和长度为3 0 k m 的1 5 0 m m 电缆，4 条架空线中， 2 条是长度5 0 k r n 的2 4 0 m m 架空线，另外2 条是长度3 0 k m 的1 8 5 m m 架空线，其具 体参数见表2 ；总的电容电流约为2 8 5 a 。 本文对图2 3 5 中电缆1 的a 相发生单相故障的情况进行了仿真研究，故障点 位于电缆线路的l 2 处。 华北电力火学硕士学位论文 图2 3 53 5 k v 中压谐振接地系统空载仿真模型 表2 13 5 k v 线路仿真模型参数“1 线路 线路 线路横截长度正序零序i e 序零序i f 序零序 序呼种类面积( m m )( k m )【也| i 【l 乜阻l u 感l u 感l u 容l u 档 ( n k i n ) ( g k m )( m h k i n ) ( m h k i n ) f ，k m ) ( uf k i n ) l也缆2 4 02 000 7 6 3o9 5 30 2 8 30 9 9 f03 3 403 1 9 2【u 缆l5 03 00 1 2 50 9 703 0 210 6 00 2 9 802 6 6 3 架空线2 4 05 0 013 2 02 3 21 0 0 95 0 4 40 0 1 150 0 0 3 8 4黎空线2 4 05 0ol3 202 3 210 0 95 0 4 400 l l500 0 3 8 5架宁线1 8 53 00 i70 2 9 9l0 7 45 3 6 9o0 1 0 8 00 0 3 6 6 架空线1 8 53 001 702 9 91 0 7 453 6 90 0 1 0 80 0 0 3 6 2 2 2 1 3 5 k v 配电网单相金属性接地故障的a t p e m t p 仿真 ( 1 ) 3 5 k v 配电网中性点不接地系统的故障仿真 故障发生时刻a 相电压相位为o 故障发生时刻a 相电压相位为4 5 故障发生时刻a 相电压相位为9 0 _ 图2 3 63 5 k v 中性点不接地系统单相金属性接地故障电流暂态波形图 1 7 华北电力火学硕十学位论文 故障发生时刻a 相电压相位为o 故障发生时刻a 相电压相位为4 5 。故障发生时刻a 相电压相位为9 旷 图2 3 73 5 k v 中性点不接地系统单相金属性接地故障中性点过电压暂态波形图 故障发生时刻 相电压相位为0 。故障发生时刻 相电压相位为4 5 。故障发生时刻 相电压相位为9 0 图2 3 83 5 k v 中性点不接地系统单相金属性接地故障非故障相电压暂态波形图 ( 2 ) 3 5 k v 配电网谐振接地系统的故障仿真 故障发生时刻a 相电压相位为o o故障发生时刻 相电压相位为4 5 故障发生时刻a 相电压相位为9 0 4 图2 3 93 5 k v 谐振接地系统单相金属性接地故障电流暂态波形图 故障发生时刻 相电压相位为0 -故障发生时刻a 相电压相位为4 5 故障发生时刻a 相电压相位为9 0 口 图2 4 03 5 k v 谐振接地系统单相金属性接地故障中性点过电压暂态波形图 8 华北电力犬学硕士学位论文 故障发生时刻a 相电压相位为0 故障发生时刻a 相电压相位为4 5 。故障发生时刻a 相电压相位为9 0 图2 4 13 5 k v 谐振接地系统单相金属性接地故障非故障相电压暂态波形图 2 2 2 2 3 5 k v 配电网经2 0 0 0 n 过渡电阻的单相接地故障a t p e m t p 仿真： ( 1 ) 3 5 k v 配电网中性点不接地系统的故障仿真 故障发生时刻a 相电压相位为旷故障发生时刻a 相电压相位为4 5 。故障发生时刻a 相电压相位为9 0 图2 - - 4 23 5 k v 中性点不接地系统单相经过渡电阻接地故障电流暂态波形图 故障发生时刻a 相电压相位为o 故障发生时刻a 相电压相位为4 5 。故障发生时刻a 相电压相位为9 0 图2 4 33 5 k v 中性点不接地系统单相经过渡电阻接地故障中性点位移电压暂态波形图 故障发生时刻a 相电压相位为0 故障发生时刻a 相电压相位为4 5 故障发生时刻a 相电压相位为9 0 。 图2 4 43 5 k v 中性点不接地系统单相经过渡电阻接地故障非故障相电压暂态波形图 1 9 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 3 5 k v 配电网谐振接地系统的故障仿真 故障发生时刻a 相电压相位为矿故障发生时刻 相电压相位为4 5 故障发生时刻a 相电压相位为9 0 * 图2 4 53 5 k v 中性点谐振接地系统单相经过渡电阻接地故障电流暂态波形图 圳 删猢 。i d】自_ “ 故障发生时刻a 相电压相位为0 。 故障发生时刻 相电压相位为4 5 。故障发生时刻 相电压相位为9 0 * 图2 4 63 5 k v 中性点谐振接地系统单相经过渡电阻接地故障中性点位移电压暂态波形图 故障牲生时刻a 相电压相位为0 。故障发生时刻h 相电压相位为4 5 。故障发生时刻 相电压相位为9 旷 图2 4 73 5k v 中性点谐振接地系统单相经过渡电阻接地故障非故障相电压暂态波形图 通过仿真可以看到6 k v 与3 5 k v 配电网与1 0 k v 配电网有相似的仿真结果，具 体表现在以下几个方面： ( 1 ) 从仿真图中可以看到6 k v 、3 5 k v 中性点不接地系统发生单相金属性接地 故障时候，其中性点过电压、非故障相过电压以及故障点电流变化规律与l o k v 的 相同； ( 2 ) 6 k v 、3 5 k v 中性点不接地系统发生经2 0 0 0 f ! 过渡电阻的单相接地故障时 候，其中性点位移电压、非故障相电压以及故障点电流变化规律与1 0 k v 的相同； ( 3 ) 6 k v 、3 5 k v 中性点谐振接地系统发生单相金属性接地故障时候，系统的 中性点过电压、非故障相过电压、故障点电流以及消弧线圈补偿电流的变化规律也 与1 0 k v 的相同： 华北电力大学硕士学位论文 ( 4 ) 6 k v 、3 5 k v 中性点谐振接地系统发生经2 0 0 0 f 2 过渡电阻的单相接地故障 时候，系统的中性点位移电压、非故障相电压、故障点电流以及消弧线圈补偿电流 的变化规律也与1 0 k v 的相同； ( 5 ) 谐振接地系统当a 相电压0 。发生单相金属性故障时故障点都存在一个衰 减较慢的( 可维持数百毫秒) 、数值可观的残流： ( 6 ) 消弧线圈的加入对故障暂态过电压的抑制均不明显，具体数值见表2 2 。 表2 - - 26 、3 5 k v 系统不同接地方式的单相金属性接地故障最大过电压 线路电压等级中性点接地方式中性点晟大过电压非故障相塌大过| u 压 6 k v不接地 8 6 5 k v ( 1 7 7 p u ) i3 o k v ( 2 6 5 p u ) 谐振接地 8 4 7 k v ( i 7 3 p u ) 1 27 k v ( 25 9 pu 、 3 5 k v不接地 3 9 6 k v ( 1 3 8 0 u ) 6 59 k v ( 2 3 0 pu ) 谐振接地3 91k v ( 1 3 7 p u ) 6 4 6 k v ( 2 2 5 p 1 1 ，) 2 3 本章小结 本章对6 k v 、1 0 k v 、3 5 k v 配电网模型，在不同中性点接地方式下发生单相金 属性接地故障和经2 0 0 0 f 2 过渡电阻的单相接地故障分别进行了a t p e m t p 故障仿 真。并着重分析了故障相( a 相) 在不同相位发生单相接地故障时的中性点暂态电 压、非故障相暂态电压和故障点暂态电流的变化规律。仿真显示，6 k v 、1 0 k v 、3 5 k v 配电网有着相似的仿真结果，中性点暂态电压、非故障相暂态电压和故障点暂态电 流有着相似的变化规律。 2 l 华北电力大学硕士学位论文 第三章中性点灵活接地方式的研究与改进 由前面的仿真可知，目前的中性点灵活接地方式尽管可以一定程度上减弱故障 暂态过电压对设备的冲击，并且选线精度也比谐振接地方式有所提高，但是谐振接 地系统存在的诸如过电压、残流过大等一些不足也继承了下来，需要对其进一步研 究，提出新的灵活接地方案。 3 1 目前中性点灵活接地方式存在的不足 3 1 1 在抑制故障暂态过电压方面的不足 通过上一章的仿真结果可以看到，当1 0 k v 系统中的消弧线圈并联了1 2 0 0 q 的 电阻后( 如图3 1 ) ，发生单相金属性接地故障时中性点与非故障相最严重的过电 压幅值从谐振接地时的1 4 8 k v 和1 9 8 k v 变为了1 4 7 k v 和1 9 6 k v ，其抑制故障暂 态过电压的作用相当有限。 r n 2 r n t 图3 11 0 k v 中性点灵活接地简化原理图 l 一一消弧线圈：r mr 。2 一一接地电阻器，均为6 0 0 d ；k 一一常开开关 文献 1 0 】指出在抑制暂态过电压方面，因为并联电阻的作用是直接消耗掉l ( 或 c ) 中的能量使之不能全部传送到c ( 或l ) 中去，因此并联电阻愈小愈好。而灵活 接地系统用1 2 0 0 f ! 的并联接地电阻属于高阻，所以其抑制故障暂态过电压方面的效 果并不明显。尤其是当发生弧光接地故障时高电阻不能有效的泄漏前一次燃弧时 线路上的残余电荷，不利于降低重燃产生的过电压：如果是低值电阻则有利于降低 弧光接地产生的过电压。 3 1 2 在故障选线方面的不足 1 0 k v 中性点灵活接地系统在发生永久性单相接地故障3 s 后将接地电阻改为 华北电力大学硕士学位论文 6 0 0 f 2 进行故障选线。6 0 0 q 并联接地电阻的投入有利于增大故障电流，提高接地故 故障特征量，进一步满足继电保护装置灵敏度要求。 但是当发生经高阻接地故障时，6 0 0 q 接地选线电阻对接地故障电流的增大作 用并不明显。如图2 2 l 所示，当过渡电阻达到2 0 0 0 f l 的时候，投入6 0 0 q 接地选 线电阻后的故障电流只有2 3 a ，比投入前的1 8 a 只大o 5 a ，要分辩故障线路对c t 的要求很高，而且在这种情况下选线过程中抗干扰的能力会大大下降。文献 2 】所述 的中性点灵活接地装置要准确分辩3 0 0 0 f 2 过渡电阻下的单相接地故障还是有一定难 度的。 3 1 3 金属性单相接地故障时暂态残流过大 在仿真中发现，当故障相电压过零值时发生单相金属性接地故障或者经低值过 渡电阻的单相接地故障时，消弧线圈在全补偿状态下故障点会有一个幅值可观的、 衰减的电流，衰减过程可以达到数百毫秒。图2 5 和图2 8 均显示了这个残流， 并且其严重程度与发生接地故障时故障相的电压相位有关。当故障相电压在0 度、 1 8 0 度时，残流最严重。这个残流的存在可能使故障点电弧无法熄灭，使得消弧线 圈失去应有的补偿效果，给系统带来严重的危害。通过研究表明残流过大的形成主 要是在含有并联谐振回路的系统中产生的，其产生条件是故障时故障相电压在过零 值( 相位在0 度、1 8 0 度) 附近并且过渡电阻很小。尽管其产生的条件相对苛刻， 但是后果严重，应给予重视。关于此残流产生的机理请参看附录l 。 3 2 中性点灵活接地方式的改进 由于中性点灵活接地方式原本是针对1 0 k v 电网的，所以下面的研究以1 0 k v 电网灵活接地为研究对象，并把研究结果与原来的1 0 k v 中性点灵活接地方式进行 比较，来体现其在抑制暂态过电压、故障选线以及抑制暂态残流等方面的优势。关 于中性点灵活接地方式向6 k v 与3 5 k v 配电系统的推广与相关的研究，将在下一章 中具体介绍。 3 2 1 接地电阻的选择与投切配合n 川阳印 文献 1 0 中明确指出：“串联电阻的作用是使电感中的磁能和电容中的电能在相 互转换的过程中不断被消耗，显然它愈大愈好；并联电阻的作用是直接消耗掉l ( 或 c ) 中的能量使之不能全部传送到c ( 或l ) 中去，因此它愈小愈好。”这是过电压 理论的基本观点之一，具有普遍的指导意义。由于并联电阻在故障中与消弧线圈的 并联关系，因此其数值本应该尽量的小，但考虑到故障电流应该在适当的范围内， 以及电阻的制造等因素，接地电阻的阻值选择了3 0 q 。又由于3 0 q 的电阻较小，为 华北电力大学硕士学位论文 了保证消弧线圈的补偿效果，它在单相故障时不能长时间运行，因此其连接方式应 改为故障短时连接方式，如图3 2 所示。 r x x 图3 2改进后的1 0 k v 灵活接地系统 l 一消弧线圈：r d b 一中性点并联电阻；r 。一选线电阻 由于加入了3 0 q 的并联电阻，在故障初始t ，2 1 t 内退出，退出前故障电流变 大仿真显示在a 相电压0 和9 0 。时故障的故障电流最大幅值为3 0 6 a 和6 0 1 a ，中 性点位移电压最大幅值却分别只达到了8 4 k v 和1 1 i k v ，而非故障相电压暂态的最 大幅值也非别只有1 4 2 k v 和1 7 2 k v ，发挥了电阻接地的优点。又出于快速断丌并 联电阻，所以其产生的过电流的时间也尽可能限制到非常小的程度了。见图3 3 ， 3 4 ，3 5 所示。 故障发生时刻a 相电压相位为0 故障发生时刻a 相电压相位为9 0 。 地系统单相金属性接地故障电流暂态波形图 故障发生时刻a 相电压相位为0 故障发生时刻a 相电压相位为9 0 图3 - - 4l o k v 改进后的灵活接地系统单相金属性接地故障中性点位移电压暂态波形图 华北电力大学硕士学位论文 故障发生时刻 相电压相位为0 故障发生时刻 相电压相位为9 0 图3 51 0 k v 改进后的灵活接地系统单相金属性接地故障非故障相电压暂态波形图 并联电阻的退出原则是在单相接地故障发生后，并联电阻至少流过一个完整的 0 6 1 8 0 。或1 8 0 4 3 6 旷的半波之后的电流过零点时退出，这个过程可以通过对用晶闸 管构成的电力电子开关控制来实现。这样可以保证电阻的退出不对系统造成冲击影 响，而且其作用的时间在t ，2 t 之间可以满足短时释放暂态能量进而限压的需要。 3 2 2 选线电阻的选择与投切配合心纠 选线电阻的大小关系到选线电流的大小，对提高选线准确率相当重要。原来的 1 0 k v 中性