毕业论文-基于MATLAB仿真的电力系统短路故障分析.doc

. . 山东农业大学毕 业 论 文 基于MATLAB仿真的电力系统短路故障分析 院 部 机械与电子工程学院 专业班级 电气工程及自动化四班 届 次 2015 届 学生姓名 学 号 指导教师 二一五年六月五日装订线. . . 目 录摘要IAbstractII1 绪论1 1.1 电力系统短路故障的危害1 1.2 基于Matlab仿真系统故障的前景12 无穷大功率电源供电系统三相短路仿真1 2.1无穷大功率电源供电系统三相短路的暂态过程2 2.2无穷大功率电源供电系统仿真模型构建3 2.3 Matlab仿真模型及结果分析93 基于Matlab仿真的同步发电机突然短路的暂态过程分析11 3.1同步发电机突然三相短路暂态过程分析12 3.2 同步发电机突然三相短路暂态过程的数值计算与Matlab仿真13 3.2.1同步发电机突然三相短路暂态过程的数值计算13 3.2.2同步发电机突然三相短路暂态过程的Matlab仿真154 基于Matlab仿真的小电流接地系统单相故障分析19 4.1 小电流接地系统单相故障特点简介19 4.2 小电流接地系统仿真模型构建21 4.2.1中性点不接地系统的仿真模型及计算21 4.2.2中性点经消弧线圈接地系统的仿真模型及计算24 4.3小电流接地系统单相故障仿真结果及分析25 4.3.1中性点不接地系统的仿真结果及分析26 4.3.2中性点经消弧线圈接地系统的仿真结果及分析285 结论与展望29参考文献31致谢32ii ContentsAbstractII1 Introduction1 1.1 The harm of electric power system short circuit fault1 1.2 The prospect of the fault simulation system based on Matlab12 The infinite power three-phase power system short circuit simulation1 2.1 Transient process of three-phase short circuit in infinite power supply system2 2.2 Simulation mode construction of power supply system for infinite power supply3 2.3 The result and analysis of simulation93 Transient simulation of sudden short circuit for synchronous generator11 3.1 the introduction of the process of the sudden three-phase short circuit transient of synchronous generator12 3.2 Numerical calculation and simulation of the sudden three-phase short circuit transient of synchronous generator13 3.2.1 Numerical calculationof the sudden three-phase short circuit transient of synchronous generator13 3.2.2 Simulation method for the sudden three-phase short circuit transient of synchronous generator154 Single phase fault of small current grounding system19 4.1 Brief introduction to the characteristics of single phase fault in small current grounding system19 4.2 Simulation model construction of small current grounding system21 4.2.1The simulation model and the calculation of neutral point grounding system21 4.2.2The simulation model and calculation of the grounding system of the neutral point via the arc suppression coil24 4.3 Simulation results and analysis25 3.3.1The results of simulation and analysis of neutral point grounding system26 3.3.2The simulation results and analysis of the grounding system of the neutral point via the arc suppression coil285 Conclusion and prospect29Reference31Thanks32基于MATLAB仿真的电力系统故障分析马涛（山东农业大学 机械与电子工程学院 泰安 271018）摘要:电力系统故障分析主要是研究电力系统中由于故障所引起的电磁暂态过程，搞清楚暂态发生的原因、发展过程及后果，从而为防止电力系统故障、减少故障损失提供必要的理论知识。简单故障和复合故障是电力系统可能发生的故障类别。简单故障指的是电力系统正常运行时某一处发生短路或断相故障，而复合故障则是指两个或两个以上简单故障的组合。所谓短路，是指电力系统正常运行情况以外的相与相之间或相与地之间的连接。在正常运行时，除中性点外，相与相或相与地之间是绝缘的。单相短路故障在电力系统的运行中占绝大多数。三相短路时三相回路依旧是对称的，故称为对称短路；其他几种回路均使三相回路不对称，故称为不对称短路。产生短路的主要原因是电气设备载流部分的相间绝缘或相对地绝缘被破坏。短路对电力系统的正常运行和电气设备有很大的危害。短路引起电网中电压降低；系统发生短路相当于改变了电网的结构，必然引起系统中功率分布的变化；不对称接地短路所引起的不平衡电流产生的不平衡磁通，会在邻近的平行的通信线路内感应出相当大的感应电动势，造成对通信系统的干扰，甚至危及设备和人身的安全。关键词：电力系统故障、电磁暂态过程、功率分布、感应电动势Power System Fault Analysis And SimulationMa Tao(Mechanical & Electrical Engineering College of Shandong Agricultural University, Taian, Shandong 271018)Abstract power system fault analysis is mianly to study electromagnetic transient process caused by fault in power system,and make clear the cause of the occurrence ,the development process and the consequences of transient,so as to provide the necessary theoretical knowledge of preventing power system fault and reducing the loss of fault.There are more faults occure in the power system,which can be divided into simple fault and composite fault.Simple fault refers to that a short circuit or a fault phase occurred when the power system is in the normal operation.,while the composite fault is the combination of two or more simple faults.The so-called short refers to the connection between phase to phase or phase to earth outside the normal operation of power system.During normal operation,phase to phase or phase to earth is insulted except for neutral point.The experience of power system shows the single-phase short circuit accouts for the most.Three-phase circuit is still symmetrical when the three-phase circuit is in the short,so it is called symmetrical short circuit,while several other loops are the asymmetric three-phase circuit,so it is called asymmetric short circuit.The main cause of short circuit is that the insulation between phase to phase or phase to earth of electrical equipment carrying parts is destroyed.Short circuit has great damage to the normal operation and electrical equipment of the power system.The short circuit caused the voltage of the power network to be reduced,the short circuit of the system changed the structure of the power grid,and the power distribution changed in the system. Asymmetric connection short circuit caused by the unbalanced current of unbalancing flux, induce considerable induction electromotive force in the adjacent parallel lines of communication, cause interference on the communication system, and even endanger the safety of equipment.Keywords:power system fault:;electromagnetic transient process;power distribution;nduction electromotive force III1 绪论1.1 电力系统短路故障的危害电力关乎国家的能源和经济。随着现代社会生产力水平的不断提高，电能用户对于供电可靠性、安全性、持续性的要求越来越高，优质、可靠、稳定的电力供应已成为电力用户的普遍需求。电力网络的延伸、运行条件越来越复杂、电网用电设备种类和数量的大量增加、自然灾害和误操作等因素使得电网故障频繁发生。电力系统的大事故会对国家经济产生巨大影响，对国家安全产生巨大威胁。但是，由于各种偶然因素所造成的影响，电力系统的各种事故在客观上是不可避免的。全网的大规模停电就有可能因为局部的故障未能得到及时有效的应对。1.2 基于Matlab仿真系统故障的前景计算机仿真技术已成为电力系统研究、规划、设计和运行等各个方面的重要方法和手段,由于Matlab 具有很良好的开发性、高效的数据仿真分析, 特别是信号处理和直观的图形显示功能,且Matlab/Simulink 环境下的 PSB 模型库及Simulink强大的二次开发功能和丰富的工具箱,能快速而准确地对电路及更复杂的电气系统进行仿真、计算. 因此,它已成为电力科研工作者和工程技术人员应用它来进行电力系统有关问题的仿真分析和辅助设计的理想工具。本文介绍了无穷大供电系统三相短路故障，同步发电机突然短路以及小电流接地系统单相短路等三种短路情况，分析了三种情况的短路过程，构建三种短路模型，通过Matlab及Simulink对各种短路模型进行仿真。2 无穷大功率电源供电系统三相短路仿真短路问题是电力系统运行方面的基本问题之一。进行短路电流计算和仿真，能为发电厂、变电站以及整个电力系统的设计和运行做好准备，以此作为合理选择电气接线、选用有足够热稳定度和动稳定度的电气设备及载流导体、确定限制短路电流的措施、在电力系统中合理地配置各种继电保护并整定其参数等的重要依据。为此，掌握短路发生以后的物理过程以及对短路过程的仿真计算方法是非常必要的。图2-1 无穷大功率电源供电的三相电路突然短路本节介绍如图所示的简单电路发生三相短路的暂态过程，然后介绍利用Simulink进行仿真的方法。此电路中假设电源电压幅值和频率均为恒定值，这种电源称为无穷大功率电源。电源功率为无限大时，外电路发生短路引起的功率改变对于电源来说是微不足道的，因而电源的电压和频率保持恒定。无限大功率电源可以看做是由无限多个有限功率电源并联而成，因而其内阻抗为零，电源电压保持恒定。实际上，真正的无穷大功率电源只是一个相对的概念，它在实际中是不存在的，无穷大功率电源往往是以供电电源的内阻抗与短路回路总阻抗的相对大小来判断的。当供电电源的内阻抗小于短路回路总阻抗的10%时，则可认为供电电源为无穷大功率电源。在这种情况下，外电路发生短路对电源影响很小，电源电压幅值和频率可近似的认为保持恒定。2.1无穷大功率电源供电系统三相短路的暂态过程如图2-1所示为一无穷大电源供电的三相对称系统，短路发生前系统处于稳定运行状态。假设a相电流为 (2-1)假设t=0s时刻，f点发生三相短路故障。此时电路被分成两个独立回路。由无穷大电源供电的三相电路，其阻抗有原来的突然减小为(R+jL).由于短路后的电路仍然是三厢对称的，依据对称关系可以得到a、b、c相短路全电流的表达式=sin(t+-）+sin(-)-sin(-)=sin(t+-)+sin(-)-sin(-)短路电流可能的最大瞬时值称为短路电流冲击值，以表示。冲击电流主要用于检验电气设备和载流导体在短路电流下的受力是否超过容许值，即所谓的动稳定度。由此可得冲击电流的计算式为 =+= (2-2)式中，称为冲击系数，即冲击电流值对于短路电流周期性分量幅值的倍数；为时间常数。2.2无穷大功率电源供电系统仿真模型构建图2-2 无穷大功率电源供电系统假设无穷大功率电源供电系统如图2-2所示，在0.02s时刻变压器低压母线发生三相短路故障，仿真其短路电流周期分量幅值和冲击电流的大小。线路参数为L=50km，=0.4/km,=0.17/km;变压器的额定容量=20MV.A,短路电压%=10.5，短路损耗 =135kw，空载损耗=22KW空载电流%=0.8，变比=110/11，高低压绕组均为Y形联接；并设供电点电压为110kv。其对应的Simulink仿真模型如图2-3所示。图2-3 无穷大功率电源供电系统的Simulink仿真图模块名提取路径无穷大功率电源10000MVA,110kVSourceSimPowerSystems/EletricalSources三相并联RLC负荷模块5MWSimPowerSystems/Elements串联RLC支路SimPowerSystems/Elements双绕组变压器模块SimPowerSystems/Elements三相故障模块SimPowerSystems/Elements三相电压电流测量模块SimPowerSystems/Measurements示波器模块ScopeSimulink/Sinks电力系统图形用户截面PowerguiSimPowerSystems表2-1图2-3仿真电路中各模块名称及提取路径图2-4电源模块的参数设置在Simulink仿真图中各模块名称及提取路径见表2-1.在图2-3中，电源采用“Three-phase source”模型，其参数设置如图2-4所示。变压器T采”Three-phase source“模型。根据给定的数据，计算折算到110kv侧的参数如下：变压器的电阻为 =4.08 (2-3)变压器的电抗为=63.53 (2-4)则变压器的漏感： =/（2f)=0.202H (2-5)变压器的励磁电阻为=5.5 (2-6)变压器的励磁电抗为=75625 (2-7)变压器的励磁电感为=/(2f)=240.8H (2-8)如果变压器模块中的参数采用有名值则设置如图2-5所示。图2-5 采用有名值时变压器模块的参数设置如果要采用标幺值，则在Simulink的三相变压器模型中，一次、二次绕组漏感和电阻的标幺值以额定功率和一次、二次侧各自的额定线电压为基准值，励磁电阻和励磁电感以额定功率和一次侧额定线电压为基准值。则一次侧的基准值为=605 (2-9)=1.927H (2-10)二次侧的基准值为=6.05 (2-11)=0.01927H (2-12)因此。一次绕组漏感和电阻的标幺值为=0.0033 ，=0.052则变压器的模块设置如图2-6所示。图2-6 采用标幺值时变压器模块的参数设置输电线路L采用”Three-Phase Series RLC Branch“模块。根据给定的参数计算可得，=l=0.1750=8.5=l=0.450=20=/2f=0.064H输电线路模块的参数设置如图2-7所示。图2-7 输电线路模块的参数设置三相电压电流测量模块“Three-PhaseV-I Measurement”将在变压器低压侧测量到的电压、电流信号转变成Simulink信号，相当于电压、电流互感器的作用，其参数设置如图2-8所示。图2-8 三相电压电流测量模块仿真时，故障点的故障类型等参数采用三相线路故障模块“Three-Phase Fault”来设置，如图2-9所示。改模块参数区域中的主要选项说明如下：1） Snubbers resistance和snubbers Capacitance用来设置并联缓冲电路中的过渡电阻和过度电容。2） Phase A Fault、Phase B Fault和Phase C Fault用来选择短路故障相。3） Fault resistances用来设置短路点的电阻，此值不能为零。4） Ground Fault选项用来选择短路故障是否为短路接地故障。5） Ground resistances当故障类型是短路接地故障时显示该项，用来设置接地故障时的大地电阻。6） External control of fault timing可以添加控制信号来控制该模块故障的启动和停止。7） Transition status和Transition times用来设置转换状态和转换时间；其中，Transition status表示故障开关的状态，通常用“1”表示闭合，“0”表示断开；Transition times表示故障开关的动作时间；并且每个选项都有两个数值，而且它们都是一一对应的。例如，Transition status的值为10,Transition times的值为0.2 1.0,就表示时间为0.2s时选中的故障开关闭合，当时间为1.0s时，选中的故障开关断开。 8)Measurements用来选择测量量。图2-9 三相线路故障模块参数设置2.3 Matlab仿真模型及结果分析得到以上的电力系统参数后，可以首先计算出在变压器低压母线发生三相短路故障时短路电流周期分量幅值和冲击电流的大小。短路电流周期分量的幅值为=A=10.63kA时间常数为=（+）/（+）=s=0.0211s则短路冲击电流为=（1+）=17.3kA通过模型窗口菜单中的“Simulation-configuration Parameters”命令打开设置仿真参数的对话框，选择可变步长的ode23t算法，仿真起始时间设置为0，终止时间设置为0.2s，其他参数采用默认设置。在三相线路故障模块中设置在0.02s时刻变压器低压母线发生三相短路故障。运行仿真，可得变压器低压侧的三相短路电流波形如图2-10所示。图2-10 变压器低压侧三相短路电流波形图 从图2-10中可以看出，在0.02s之前没有短路电流系统运行平稳，在0.02s时当无穷大功率电源供电系统发生三相短路时，三相系统开始出现短路电流，并且a，b，c三相系统中的短路电流仍然保持三相对称。为了得到仿真结果图中的准确数值，可将仿真图中示波器模块的“Data history栏设置为如图2-11所示方式。图2-11 示波器模块的”Data history“栏设置方式这样就可以再MATLAB的命令窗口中输入以下命令来显示A相电流的数据ScopeData,signals.values(:,1)可见，短路电流周期分量的幅值为10.64kA，冲击电流为17.39kA，与理论计算相比稍有差别，这是由于电源模块的内阻设置不同而造成的。3 基于Matlab仿真的同步发电机突然短路的暂态过程分析 同步发电机是电力系统中最重要和最复杂的元件，它由多个有磁耦合关系的绕组构成，相对运动存在于定子绕组和转子绕组之间，同步电机突然短路的暂态过程要比稳态对称运行时复杂得多。稳态对称运行时，电枢磁势的大小不随时间变化，而且在空间以同步速度旋转，它同转子没有相对运动，因此不会在转子绕组中感应电流。突然短路时，定子电流在数值上发生急剧变化，电枢反应磁通也随着变化，并在转子绕组中产生感应电流，这种电流又反过来影响定子电流的变化。同步电机突然短路暂态过程的一个显著特点是定子绕组电流和转子绕组电流相互影响。发生短路时，作为电源的发电机内部也发生暂态过程，并不能保持其端电压和频率不变。一般讲，由于发电机转子的惯量较大，在分析短路电流时可以近似地认为转子保持同步转速，即频率保持恒定。在这里所讨论的同步发电机是理想电机，即：1） 电机转子在结构上对直轴和交轴完全对称；定子三相绕组完全对称，在空间互差电角度。2） 正弦分布的磁动势由定子电流在气隙中产生；转子绕组和定子绕组间的互感磁通也在气隙中按正弦规律分布。3） 定子及转子绕组的电感不受定子及转子的槽和通风沟的影响，即认为电机的定子及转子具有光滑的表面。此外，还假设：1） 在暂态过程期间同步发电机转子保持同步转速，即只考虑电磁暂态过程，而不计机械暂态过程。2） 电机铁芯部分的导磁系数为常数，即忽略磁路饱和的影响。3） 发生短路后励磁电压始终保持不变，即不考虑短路后发电机端电压降低引起的强行励磁。4） 短路发生在发电机定子出线端口。如果短路发生在出线端外，可以把外电路的阻抗合并至定子绕组的电阻和漏抗上，只要定子总回路的电阻较电抗仍小得多，则短路后的物理过程和出线端口短路是一样的。3.1同步发电机突然三相短路暂态过程分析在分析同步发电机突然三相短路暂态过程时，可以利用叠加原理，这样同步发电机机端突然短路相当于在发电机端口处突然加上了与电机短路前的端电压大小相等但方向相反的三相电压。在定子绕组上突然加以对称的相电压后，为了保持其无源闭合回路的磁链不变，在其定子绕组中将要引起相应的瞬变电流，而且这些瞬变电流还要按照一定的时间常数逐步衰减至稳态值。当发电机突然短路时，定子各绕组电流将包含基频分量、倍频分量和直流分量。到达稳态后，定子电流起始值中的直流分量和倍频分量将由其起始值衰减到零，而基频分量则由其起始值衰减为相应的稳态值。同样，在转子绕组中也包含直流分量和同频率交流分量。转子回路感生的自由直流分量，即励磁绕组中的和阻尼绕组D中的，均是无源的自由分量。当它们流过转子回路时，由于电阻的存在，它们也会最终衰减至零。与转子回路直流分量相对应的定子基频交流分量也会同样衰减，不过不会衰减至零。因为励磁电流始终存在，其产生的主磁通在短路的三相定子回路中感应电动势，产生三相稳态短路电流。转子回路的自由直流分量的衰减时间常数主要取决于转子回路的参数。所不同的是转子直轴有相互磁耦合的励磁和阻尼回路D，故衰减过程有两个时间常数，它们的大小与两个回路的参数均有关。不过同步发电机的实际情况是，励磁绕组的电感较等效阻尼绕组D的电感大得多。较小的时间常数主要与阻尼绕组D的参数有关，而较大的时间常数主要与励磁绕组有关。引入衰减因子后，定子电流的d轴和q轴分量分别为=+（-）+（-）-cos（t+)=-+sin(t+) (3-1)经过变化和整理，可得定子a相电流为=-cos(t+)-(_)cos(t+)-（-）cos(t+)-sin(t+)+(+)cos(-)+(-)cos(2t+) (3-2)转子绕组中的电流=+-+-cos(t+) (3-3) 在以上各式中，、为定子绕组纵轴、横轴的同步电抗；为纵轴绕组之间的电枢反应电抗；、为发电机转子纵轴、横轴的电抗；、表示D、Q阻尼绕组的电抗，为D阻尼绕组的漏抗；、分别为纵轴暂态电抗、此暂态电抗；为横轴暂态电抗；、分别为横轴暂态电势、此暂态电势；为纵轴此暂态电势；、为短路前瞬间的空载电势、机端电压。3.2 同步发电机突然三相短路暂态过程的数值计算与Matlab仿真3.2.1同步发电机突然三相短路暂态过程的数值计算在已知发电机参数的情况下，可以利用MATLAB对突然三相短路后的定子电流、转子电流暂态过程表达式进行数值计算分析，这样将有助于更好地理解短路的物理过程。假设一台有阻尼绕组同步发电机，=200MW，=13.8KV，=50HZ，=1.0，=0.6，=0.3，=0.21，=0.31，r=0.005，=0.18，=0.1，=0.25，=5s，=2s，=1.4s。若发电机空载，端电压为额定电压，端子突然发生三相短路，且=0，利用MATLAB对突然三相短路后的定子电流进行数值计算的基本步骤如下：1)首先计算各衰减时间常数。由参考文献得=0.16s，=0.34s，=1.64s，由于空载时，=1，=0，=0，则得a相定子电流表达式为=-cos(t+)-1.43cos(t+)-2.34cos(t+）+4cos（-）+0.77cos(2t+) （3-4）2)利用MATLAB对上式进行数值计算并写出绘图所需的程序。图3-1 发电机端突然发生三相短路时的a相定子电流波形图运行程序得到发电机端突然发生三相短路时的a相定子电流，以及基频分量、倍频分量和非周期分量的波形如图所示，并且短路后的冲击电流标幺值为9.1927.从图3-1中可以看出，当发电机端突然发生三相短路时，定子电流中的倍频分量是很小的，短路电流由直流分量和交流分量组成，直流分量基本保持不变，交流分量逐渐衰减，直到为零。3.2.2同步发电机突然三相短路暂态过程的Matlab仿真针对以上的发电机参数，建立其Simulink仿真模型如图所示。图3-2 发电机端突然发生三相短路的Simulink仿真模型在图3-2中，同步发电机采用p.u.标准同步电机模块，根据前面的计算，其参数设置如图。图3-3 同步发电机模块的参数设置升压变压器T采用“Three-Phase transformer”模型，其参数设置如图3-4所示。图3-4 升压变压器模块的参数设置由于同步发电机模块为电流源输出，因此在其端口并联了一个有功功率为5MW的负荷模块。 仿真开始前，要利用powergui模块对电机进行初始化设置。单击powergui模块，打开潮流计算和电机初始化窗口，设置参数如图3-5所示。图中设定同步发电机为平衡节点“Swing bus”。初始化后，与同步发电机模块输入端口相连的两个常数模块Pm和Vf以及图3-3中的“Init.Cond.”将会自动设置。 从图3-5中还可以看出，a相电流滞后a相电压，即电流与电压波形的过零点相差0.25ms。因此在故障模块中设置0.02025s时发生三相短路故障，其他参数采用默认设置。 选择Ode15s算法，仿真的结束时间取为1s。开始仿真，得到发电机端突然三相短路后的三相定子电流波形图如图3-6所示。其中，a相定子电流的冲击电流标幺值为9.1048，和理论计算值存在0.95%的误差。如图3-1所示为短路后定子电流的d轴和q轴分量、以及励磁电流的仿真波形图。图3-5 利用Powergui模块的潮流计算和电机初始化窗口计算初始参数短路故障类型改变，就可以仿真同步发电机发生各种不对称短路时的故障情况。例如，设置在0.02025s时发生BC两相短路故障。开始仿真，得到发电机端突然两相短路后的三相定子电流仿真波形图如图3-6所示。图3-6 发电机端突然三相短路时的定子电流仿真波形图 从图3-6中可以看出，当发电机突然三相短路时，a，b，c三相定子电流仍然保持对称，同步衰减。图3-7 发电机突然三相短路时、以及的电流仿真波形图 从图3-7中可以看出，当发电机突然三相短路时，直轴电流和励磁电流都经过一段时间衰减到一个稳态值，而交轴短路电流经震荡衰减为零。图3-8 发电机端突然两相短路时的三相定子电流仿真波形图 从图3-8中可以看出，当发电机端突然两相短路时，a相中没有短路电流，b，c相的短路电流和前面波形相同，幅值变小。4.基于Matlab仿真的小电流接地系统单相故障分析 电网中性点接地系统的分类方法有很多种，其中最常用的是按照接地短路时接地电流的大小分为大电流接地系统和小电流接地系统。电网中性点采用哪种接地方式主要取决于供电可靠性和限制过电压两个因素。我国规定110kv及以上电压等级的系统采用中性点直接接地方式，35kv及以下的配电系统采用小电流接地方式（中性点不接地或经消弧线圈接地）。在小电流接地系统中发生单相接地时，由于故障点的电流很小，而且三相之间的线电压仍然保持对称，对负荷的供电没有影响，因此，在一般情况下都允许系统再继续运行1-2小时，而不必立即跳闸，这也是采用小电流接地系统运行的主要优点。但是在单相接地以后，其他两相的对地电压要升高倍，为了防止故障进一步扩大成两点或多点接地短路，就应及时发出信号，以便运行人员采取措施予以消除。隶属于中性点不接地方式的还有中性点经消弧线圈接地。所谓消弧线圈，其实就是电抗线圈。由于导线对地有电容，中性点不接地系统中一相接地时，接地点接地相电流属容性电流。而且随着网络的延伸，电流也愈益增大，以至完全有可能使接地点电弧不能自行熄灭并引起弧光接地过电压，甚至发展成严重的系统性事故。为避免发生上述情况，可在网络中某些中性点处装设消弧线圈。由于装设了消弧线圈，构成了另一回路，接地点接地相电流中增加了一个感性电流分量，它和装设消弧线圈前的容性电流分量相抵消，减小了接地点的电流，使电弧易于自行熄灭，提高了供电可靠性。4.1 小电流接地系统单相故障特点简介:图4-1 中性点不接地系统对于如图4-1所示的中性点不接地系统，单相接地故障发生后，由于中性点N不接地，所以没有形成短路电流通路，故障相和非故障相都将流过正常负荷电流，线电压仍然保持对称，因此可以短时不予切除。这段时间可以用于查明故障原因并排除故障，或者进行倒负荷操作，因此该方式对于用户的供电可靠性高，但是接地相电压将降低，非接地相电压将升高至线电压，对电气设备绝缘造成威胁。单相接地故障发生后系统不能长期运行。事实上，对于中性点不接地系统，由于线路分布电容的存在，接地故障点和导线对地电容还是能够形成电流通路的，从而有数值不大的电容性电流在导线和大地之间流通。一般情况下，这个容性电流在接地故障点将以电弧形式存在，电弧产生的高温会损毁设备，甚至引起附近建筑物燃烧起火，不稳定的电弧燃烧还会引起弧光过电压，造成非接地相绝缘击穿进而发展成为相间故障，导致断路器动作跳闸，中断对用户的供电。中性点不接地系统发生单相接地时的故障特征如下：1） 在发生单相接地时，零序电压会在全系统网络中出现。2） 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，电容电流的实际方向为由母线流向线路。3） 在故障线路上，零序电流为全系统非故障元件对地电容电流之总和，数值一般较大，电容电流的实际方向为由线路流向母线。图4-2 中性点经消弧线圈接地系统对于如图4-2所示的中性点经消弧线圈接地系统，正常情况下，接于中性点N与大地之间的消弧线圈无电流流过，消弧线圈不起作用；当接地故障发生后，中性点将出现零序电压，在这个电压的作用下，将有感性电流流过消弧线圈并注入发生接地故障的电力系统，从而抵消在接地点流过的电容性接地电流，消除或者减轻接地电弧电流的危害。需要说明的是，经消弧线圈补偿后，接地点将不再有容性电弧电流或者只有很小的电容性电流流过，但是接地确实发生了，接地故障可能依然存在；其结果是接地相电压降低而非接地相电压依然很高，长期接地运行依然是不允许的。4.2 小电流接地系统仿真模型构建4.2.1 中性点不接地系统的仿真模型及计算图4-3 10kV中性点不接地系统仿真模型图4-4 Line的参数设置图4-5 Load1参数设置图4-6 三相电压电流测量模块的参数设置图4-7 故障模块的参数设置利用Simulink建立一个10kV中性点不接地系统的仿真模型，如图4-3所示。在仿真模型中，电源采用“Three-Phase source”模型，输出电压为10.5kv，内部接线方式为Y形联接，其他参数与图2-4设置相同。模型中共有4条10kV输电线路Line1-Line4，均采用“Three-Phase PI Section Line”模型，线路的长度分别为130km、175km、1km、150km，其他参数相同。Line1参数设置如图4-4所示。需要说明的是，在实际的10kV配电系统中，单回架空线路的输送容量一般在0.2-2MV.A，输送距离的适宜范围为6-20km。本文的仿真模型将输电线路的长度人为加长，这样可以使仿真时的故障特征更为明显，而且不用很多输电线的出线路数，不影响仿真结果的正确性。线路负荷Load1、Load2、Load3均采用“Three-Phase Series RLC Load”模型，其有功负荷分别为1MW、0.2MW、2MW，其他参数相同，Load1参数设置如图4-5所示。每一线路的始端都设三相电压电流测量模块“Three-PhaseV-I Measurement”将测量到的电压电流信号转变成Simulink信号，相当于电压、电流互感器的作用，其参数设置如图4-6所示。在仿真模型中，选择在第3条出线的1km处发生A相金属性单相接地，故障模块的参数设置如图4-7所示。图4-8 系统的零序电压3及每条线路始端零序电流3的获取方法图4-9 故障点的接地电流获取方法系统的零序电压3及每条线路始端的零序电流3采用图4-8所示方式得到。故障点的接地电流则可以如图4-9所示的万用表测量方式得到。根据以上设置的参数，可以通过计算得到系统在第3条出线的1km处发生A相金属性单相接地时各线路始端的零序电流有效值为3=3=3（10,。5/）3147.751130A=5.75A同理可得3=7.75A 3III=13.5A接地点的电流为=20.18A4.2.2中性点经消弧线圈接地系统的仿真模型及计算图4-10 中性点经消弧线圈接地系统的仿真模型在如图4-2所示的基础上，建立中性点经消弧线圈接地系统的仿真模型如图4-10所示，即在电源的中性点接入一个电感线圈，其他参数不变。在各级电压网络中，当全系统的电容电流超过一定数值（对于3-6kv电网超过30A、10kv电网超过20A，22-66kv电网超过10A）时就应装设消弧线圈。如果要使接地点的电流近似为0，应满足L=1/3式中，L为消弧线圈的电感；为系统三相对地电容。根据图29中的线路参数，可求得=3.534F因此为实现完全补偿应有L=0.9566H由于完全补偿存在串联谐振过电压问题，因此实际工程常采用过补偿方式，当取过补偿度为10%时，经计算消弧线圈的电感L=0.8697H。图4-11 消弧线圈的参数设置通过以上计算，模型中消弧线圈的参数设置如图4-11所示，线圈所串电阻为阻尼电阻。4.3 小电流接地系统单相故障仿真结果及分析在仿真开始前，选择离散算法，仿真的结束时间取0.2s，利用Powergui模块设置采样时间为1s，系统在0.04s时发生A想金属性单相接地。图4-12 系统三相对地电压和线电压的波形图从图4-12中可以看出，当在0.05s发生a相接地短路故障时，a相对地电压为零，b，c相对地电压由原来的相电压变为线电压，原来三相线电压仍保持对称。图4-13 中性点不接地系统零序电压3、零序电流3，故障点的接地电流波形图4.3.1 中性点不接地系统的仿真结果及分析 设置好参数，运行如图所示的10kv中性点不接地系统仿真模型，得到系统三相对地电压和线电压的波形，如图4-12所示。从图中可见，系统在0.04s时发生A相金属性单相接地后，A相对地电压变为零，BC相对地电压升高倍，但线电压仍然保持对称故对负荷没有影响。系统的零序电压3及每条线路始端的零序电流3、故障点的接地电流波形如图4-13所示。仿真得到的各线路始端零序电流，接地电流的有效值为3=5.83A，3=7.99A，3=13.86A，=20.64A与理论计算值相比，仿真结果略大，但误差不大于3%。从图4-13中可以看出，在中性点不接地方式下，非故障线路的零序电流超前零序电压（即电容电流的实际方向为由母线流向线路）；故障线路的零序电流为全系统非故障元件对地电容电流之总和，零序电流滞后零序电压（电容电流的实际方向为由线路流向母线）；故障线路的零序电流和非故障线路的零序电流相位相差为。图4-14 采用“三相序分量模块”获得零序分量图4-15 故障线路零序电流的幅值和相位故障后的零序分量还可以采用如图4-14所示的“三相序分量模块”方法来得到，如图4-15所示为故障线路零序电流的幅值和相位图。由图中可得故障线路零序电流的幅值为=6.52A，则3的有效值为3=36.52/A=13.83A与从图32中得到的3=13.86A仅相差0.2%。4.3.2 中性点经消弧线圈接地系统的仿真结果及分析 图4-16 中性点经消弧线圈接地系统的零序电压3、零序电流3、消弧线圈电流、故障点的接地电流波形图设置好参数，运行如图4-9所示的10kv中性点经消弧线圈接地系统仿真模型，得到系统三相对地电压和线电流的波形仍与图4-12相同。系统的零序电压3及每条线路始端的零序电流3、消弧线圈电流、故障点的接地电流波形如图4-16所示。从图4-16中可知，当单相接地故障的暂态过程结束后，故障点的接地电流的有效值在2.9A左右，远小于中性点不接地系统的接地电流，因此补偿的效果十分明显。对于非故障线路