（电气工程专业论文）天津地区中压电网中性点接地方式研究.pdf

中文摘要。 电力系统中性点接地方式涉及到技术、经济和安全等多个方面，是电力系统 实现安全与经济运行的基础之一，对系统的安全稳定运行具有重要意义。随着当 前配电网的容量日益增大，电压等级日益提高，原有的中性点接地方式已越来越 不能满足电力系统的发展要求。因此，有必要从根本上研究更完善的中性点接地 方式，解决各种方案中的技术难题，以进一步提高电网运行的安全性和经济性。 本文针对这个问题开展研究工作，旨在研究现有中性点接地方式的运行特点 及不足之处，进一步探索更有效的接地方案。在深入分析目前国内中压电网所采 用的中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点经电阻接地三种接地方式的 接地原理和基本运行特性的基础上，利用m a t l a 6 5 电力系统仿真工具箱了进 行单相接地故障仿真，定量分析、比较了中压电网在各种接地方式下发生单相接 地故障时系统的基本运行特性，界定了各种接地方式的大致使用范围。每种中性 点接地方式在运行过程中都有其各自需要注意的问题，本文就小电流接地方式的 故障选线和电阻接地方式的阻值选取原则及继电保护配合问题进行了详细论述， 并通过某变电站系统中性点电阻投运测试实例验证了中性点经中阻接地方式的 可行性。 关键词：电力系统；中压电网；中性点接地；接地方式；m a t l a b 仿真 a b s t r a c t g r o u n d e dm o d eo fp o w e rs y s t e mr e l a t e dt ot e c h n i c a l ，e c o n o m i c ，s e c u r i t ya n d o t h e rv a r i o u sa s p e c t si so n eo ft h ef o u n d a t i o n so fs e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo p e r a t i o no f t h es y s t e m i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et ot h es e c u r i t ya n de c o n o m i co p e r a t i o no ft h e p o w e rs y s t e m w i t ht h eg r o w i n gc a p a c i t ya n di n c r e a s i n gv o l t a g el e v e l so ft h ec u r r e n t d i s t r i b u t i o n n e t w o r k ，t h eo r i g i n a ln e u t r a lp o i n tg r o u n d e dm o d eh a sb e c o m e i n c r e a s i n g l yu n a b l et om e e tt h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e rs y s t e m t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt of u n d a m e n t a l l yr e s e a r c hb e t t e rg r o u n d e dm o d eo ft h e n e u t r a lp o i n ta n d , s o l v et h et e c h n i c a ld i f f i c u l t i e so fa l lt h em o d e ss oa st of u r t h e r e n h a n c et h es e c u r i t ya n de c o n o m i co p e r a t i o no ft h en e t w o r k t h i st h e s i sd e a l sw i t ht h i sp r o b l e m ，a i m i n gt of m dt h ed e f i c i e n c yo fe x i s t i n g m e t h o da n dp r o b ef o rm o r ee f f e c t i v ec r i t e r i a a tf i r s t , t h eg r o u n d i n gp r i n c i p l e sa n d b a s i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h r e ek i n d so fg r o u n d e dm o d e ( u n g r o u n d e d ，g r o u n d e dt h r o u g h ar e s i s t a n c e ，c o m p e n s a t e dg r o u n d e d ) c u r r e n t l yu s e di nm e d i u mv o l t a g en e t w o r ka r e a n a l y z e di nd e t a i l t h es i m p o w e r s y s t e r m st o o l b o xo fm a t l a ba r eu s e dt os i m u l a t e t h es i n g l e - p h a s et oe a r t hf a u l tt om a k eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nt ot h e b a s i cc h a r a c t e r i s t i c so fm e d i u mv o l t a g en e t w o r kw i t hd i f f e r e n tg r o u n d e dm o d e sa n d a p p r o x i m a t e l yd e f i n et h eb o u n do fe v e r ym o d e i nt h ec o u r s eo fo p e r a t i o n ，e a c hn e u t r a lp o i n tg r o u n d e dm o d eh a si t so w n p r o b l e m st h a tr e q u i r ea t t e n t i o n i nt h i sp a p e r , t h el o c a t i o n o ff a u l tl i n ew i t h u n g r o u n d e da n dc o m p e n s a t e dg r o u n d e d ，t h ep r i n c i p l eo ft h er e s i s t a n c es e l e c t i o na n d t h ec o o p e r a t i o no ft h er e l a yp r o t e c t i o na r ed i s c u s s e di nd e t a i l a tl a s t ，t h eo p e r a t i o n t e s to fat r a n s f o r m e rs u b s t a t i o nw i t han e u t r a lp o i n tg r o u n d e dt h r o u g har e s i s t a n c e v a l i d a t e st h ef e a s i b i l i t yo ft h i sg r o u n d e dm o d e k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m , m e d i u m - v o l t a g ep o w e r 鲥d ，玳i u 删g r o u n d i n g ，g r o u n d e d m o d e ，m a t l a bs i m u l a t i o n 、独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，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，也不包含为获得苤洼盘堂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。 学位论文作者签名： 签字日期：勿叼年月厶7 日 z 笏碧j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：纱谚年 丑茕亳 导师之名：在治囊 6 月2 护e l 签字日期：叫年f 月w 日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 电力系统中性点接地方式是一个涉及到技术、经济和安全等多个方面的综合 问题，是人们防止事故的一项重要应用技术，具有理论研究与实践经验密切结合 的特点，因而是电力系统实现安全与经济运行的基础之一。首先，从技术的角度 而言，它与整个电力系统的供电可靠性、人身安全、设备安全、绝缘水平、继电 保护以及通信干扰( 电磁环境) 和接地装置等技术问题有密切的关系i l 】。其次，中 性点接地方式的选择必须与整个系统发展的现状和发展规划进行技术经济比较， 必须全面考虑其技术经济指标。随着电力工业的迅速发展和对供电质量要求的提 高，选择一种有效的中性点接地方式是十分重要的。 目前我国电力系统中，1 l o k v 及以上高压输电网络考虑绝缘问题及经济因 素，采用中性点直接接地方式；3 8 0 2 2 0 v 三相四线低压系统采用中性点直接接地 方式；中压电网量大面广，担负着直接为广大用户供电的任务，其中性点接地方 式历来就是一个比较复杂的系统工程问题。中压配电网络的中性点接地方式最为 多样化，不接地、经消弧线圈接地、经电阻接地等方式均有采用。随着当前国民 经济的快速增长，人民生活水平的普遍提高，配电网的容量日益增大，电压等级 日益提高，广大用户对电网供电可靠性的要求也越来越高：原有的中性点接地方 式已越来越不能满足电力系统的发展要求，因此，根据我国各地区电网的不同结 构，从根本上研究更完善的中性点接地方式，提出可参照的技术方案，解决各种 方案中的技术难题，以进一步提高电网运行的安全性和经济性，将具有重大的社 会和经济价值。 研究中性点接地方式的方法大体上可以分为三种：第一种就是在实验室或者 现场做各种实验，这种方法能给人直观的理解，结果也更符合实际情况，但是它 不能体现那些未做实验的情况；第二种是用数学模型和解析技术进行分析计算， 这种方法虽然能够研究各种情况，但局限于简单的特别是单相变压器模型；第三 种方法是用数字计算机来模拟变压器模型，它能研究各种情况下的几乎所有模 型，而且有助于预测复杂的非线性行为【2 】。 本文采用第三种方法，即通过计算机仿真，研究中性点各种接地方式，给出 定量分析，从而对各种接地方式的适用范围进行一定的探讨。下面首先就中压电 网中通常采用的中性点接地方式作简单的介绍。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 中压电网中性点接地方式现状 中压电网的中性点接地方式虽然有多种表现形式，但基本上可以划分为两大 类：凡是需要断路器遮断单相接地故障者，属于大电流接地方式；凡是单相接地 电弧能够瞬间自行熄灭者，属于小电流接地方式。 在大电流接地方式中，主要有：( 1 ) 中性点有效接地方式；( 2 ) 中性点全接地 方式，即非常有效接地方式。此外，还有中性点经低电抗、中电阻和低电阻接地 方式等。 在小电流接地方式中，主要有：( 1 ) 中性点谐振( 经消弧线圈) 接地方式；( 2 ) 中性点不接地方式：( 3 ) 中性点经高电阻接地方式等【i 】。 1 2 1 国内对中压电网中性点接地方式的研究概况 在我国的6 3 5 k v 的中压电网中，中性点主要有不接地、经消弧线圈接地、经 小电阻接地等方式。目前不接地方式的中压电网，供电可靠性高，但间歇性弧光 过电压可达3 4 倍相电压值，另外发生铁磁谐振的几率也大，容易造成p t 烧毁等 事故。自动调谐消弧线圈技术的成熟促进了谐振接地方式的发展，对占全部接地 故障约9 0 的瞬间性故障，谐振接地方式均可使之自行消除，消弧线圈还可以有 效抑制铁磁谐振过电压，但仍不能有效抑制弧光过电压，另外消弧线圈的快速反 应，线性补偿及降低谐波污染等方面还有待进一步研究。在上述两种接地方式中， 有一个关键的技术没有得到彻底解决，那就是单相接地故障的快速、准确选线与 定位。近年来随着城市电网的高速发展，北京、上海、广东等经济发达的城市中 压电网中性点改为经小电阻接地的运行方式，这种方式对中压电网结构和运行环 境有较高的要求。经小电阻接地后，能有效地降低过电压幅值，迅速切除故障线 路，缩小故障范围，但其供电可靠性显著降低。特别当发生高阻接地时，故障点 电压高，残流小，保护灵敏度降低，对人身安全会造成比较大的威胁。应用低电 阻接地方式的系统必须是系统强大、备用容量充足、遮断设备质量好、自动化程 度高，另外低压用户工频耐压也须相应提高，就目前我国大量的中压电网来看， 尚不能满足这一要求，须对系统进行大量改造，才能采用这种方案【3 】【5 1 。 1 2 2 国外对中压电网中性点接地方式的研究应用概况 国外，美国大量采用中性点直接接地或经小电阻接地，其中压电网强大、备 用容量也大，电气设备性能较好，而且自动装置水平较高，可以保证供电的可靠 性；德国大量发展中性点经消弧线圈接地方式，极大地避免了对通讯线路的干扰； 天津大学硕士学位论文第一章绪论 瑞典也广泛采用谐振接地方式，其微机馈线综合保护可适用于各种小电流接地方 式；英国和法国己在部分电网进行中性点由直接接地、经小电阻、小电抗接地改 变为谐振接地方式，研制了适合其电网结构的电抗补偿技术与接地保护技术，取 得了一定的成功经验，并做了1 0 至l j 2 0 年的推广应用计划。 1 2 3 目前的中压电网中性点接地方式存在的问题 在小电流接地系统中发生单相接地故障的几率最高。系统一旦发生单相接地 故障，在故障点长时间( r e 性点不接地系统或谐振接地带单相接地故障最长可运 行两小时) 流过很大的电容电流或残流。加果在人口稠密的市区，较大的跨步电 压和接触电压，对人身安全构成极大的威胁。但是，当中性点不接地系统发生单 相接地故障时，由于不构成短路回路，接地故障电流比负荷电流小的多，特别 是中性点经消弧线圈接地系统接地电流很小，三相线电压仍然保持对称关系，不 影响对负荷连续供电，故不必立即跳闸，规程规定可以继续运行1 2 小时。但是， 由于接地点的出现，此时系统中非对地相的对地电压升至原线电压，对电网的绝 缘形成威胁，很容易在电网的薄弱地点诱发另一点接地，进而形成相间短路。随 着系统容量的增加，线路总长度的增加，电容电流越来越大，弧光接地引起的过 电压倍数甚高。近几年，在电厂厂用电、二次变电站和大型厂矿企业的高压供配 电系统中发生了电缆爆炸，烧毁p t ，甚至烧毁母线，造成电厂机组停运、工艺 流程中断等恶性事故，对安全生产造成极大的影响。 研究电力系统中性点接地方式的主要目的，就在于正确认识和处理电力系统 中的单相接地故障问题。在选定不同电压等级电网的中性点接地方式时，应力求 将此种故障的不良后果限制到最低程度，使运行费用最低和效益投资比最高。 1 3 各种接地方式的比较 1 3 1 中性点不接地 中性点不接地，实际上是经过集中于电力变压器中性点的等值电容( 绝缘状 态欠佳时还有泄漏电阻) 接地的，其零序阻抗多为一有限值，而且不一定是常数。 此时，系统的零序阻抗呈现容性，因接地程度系数k o ，u = ( k 1 ) ( k + 2 ) 可能高 于相电压，故非故障相的工频电压升高会略微高过线电压。最早的城市中压电网 由于规模不大，多采用中性点不接地方式。在这种接地方式下，系统发生单相接 地故障时，流过故障点的电流为所有非故障线路电容性电流的总和。在规模不大 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 的架空线路网架结构中，这个值是相当小的，对用户的供电影响不大。而且各相 间的电压大小和相位维持不变，三相系统的平衡性未遭破坏，允许继续运行一段 。时间( 2 h 以内) 。但是这种接地方式有一个极大的缺陷，就是当接地电流超过一定 值时容易产生弧光接地过电压，将使系统的安全性受到很大的影响，对系统绝缘 水平要求更高。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 k v 中压电网原有的中性点不接地方式己不再适宜，并 己逐渐被其他接地方式取代【6 1 【8 1 。 1 3 2 中性点经电阻接地 对于中压电网来说，中性点经电阻接地的最初出发点，主要是为了限制电弧 接地过电压。电阻接地方式可以避免不接地方式中弧光接地过电压的产生，同时 由于增大了故障线路的接地电流，使得故障选线可以很方便地实施，进而实现快 速跳闸，使非故障线路不需要长时间承受过电压，降低了绝缘水平要求。对于以 电缆为主又能实现环网供电的城市中压电网，这是一种较为理想的接地方式。因 为以电缆线路为主的电网发生单相接地故障时，流过故障点的电容电流很大，容 易发展为相间故障，且多为永久性接地故障，需要及时跳闸，切除故障线路。而 环网供电可保证供电的连续性，最大限度地减少停电范围。从目前国内农网及城 网的发展情况看，依然是架空线路占多数，或架空线路和电缆混合电网，环网供 电水平较低。这些情况决定了国内中压电网以中性点经消弧线圈接地，也就是通 常所说的谐振接地方式为主要的接地方式【8 咿j 。 1 3 - 3 中性点经消弧线圈接地( 谐振接地) 谐振接地系统即中性点经消弧线圈接地的电力系统。因为消弧线圈是一种补 偿装置，故这种系统通常又被称为补偿系统。消弧线圈是一种铁心带有空气间隙 的可调电感线圈，它装设于中压电网的中性点。当系统发生瞬间单相接地故障时， 可经消弧线圈作用消除，保证系统不断电；当为永久单相接地故障时消弧线圈动 作可维持系统运行一定时间，可以使运行部门有足够的时间启动备用电源或转移 负荷，不至于造成被动。系统单相接地时消弧线圈作用可有效避免电弧接地过电 压，对全网电力设备起保护作用；由于接地电弧的时间缩短，使其危害受到限制， 因此也减少维修工作量；由于瞬时接地故障等可由消弧线圈自动消除，因此减少 了保护错误动作的概率；系统中性点经消弧线圈接地可有效抑制单相接地电流， 因此可降低变电所和线路接地装置的要求，且可以减少人员伤亡，对电磁兼容性 天津大学硕士学位论文第一章绪论 也有好处。同时由于消弧线圈还会使故障相恢复电压上升速度变慢，保证电弧的 熄灭和避免发生重燃，从而有降低过电压水平、使瞬时性接地故障自动消除等优 点。需要注意的是，补偿电网在正常运行期间，为了限制中性点位移电压的升高， 要求非自动消弧线圈适当的偏离谐振点运行。否则，预调式的自动消弧线圈一般 应加限压电阻，以利于电网的安全运行【1 0 】f 1 4 1 。表1 1 对这三种接地方式在各个 方面进行了比较。 1 4 论文的主要工作 本论文深入分析了目前国内中压电网所采用的中性点不接地、中性点经消弧 线圈接地和中性点经电阻接地三种接地方式的基本运行特性( 即单相接地故障电 流的大小和非故障相工频电压的高低) ，并利用m a t l a b 里面的 s i m p o w e r s y s t c m s ( 电力系统仿真工具箱) 搭建模型，通过改变其中模块的参数来 定量分析、比较了电网在各种接地方式下发生单相接地故障时系统的基本运行特 性。同时，进一步分析了各种中性点接地方式在应用上的相关问题，包括小电流 接地方式的故障选线、电阻接地的阻值选择及继电保护的配合问题。通过对小电 阻接地系统的技术性能分析以及目前天津电网的特点，认为在天津市外环线以内 的3 5 k v 和1 0 k v 配电系统采用中性点经小电阻接地方式是适宜的。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 表i - i 各种接地方式的比较 接地方式中性点不按地 l 膏振接地中性点经电阻接地 电容接地故障i 乜撮低了但大于电 接地故障电流梭中和抵泊 漉容接地放障电流 全线电压有时更 工 接缝故障【髓全栩) 全线电压或耥高全线屯匿 大 顿 楣序颧倒的接地故 可臆不犬可能不大可舱 障 过弧光接她可能避免避免 电 操作过电压最高可控制最低 压 大 直接没有实际差别 暂 态 气 过 婀揍 产生中性点谐振 中性点振荡受蓟抑 电 铡 压 转化为受控制的放 暂杰接地设障f 乜容性电弧受摔铡 。 障电流， 发生单相接地时对设备的损 可观鼍免减轻 害 ? 不时常镣 ，一断踌器负载4 需要经常操作和作，两相接经常操作，葶相接 缝护地故障时恢地故障时负载减轻 复电压增大 可以傲到合 按迪故障继电保护不可靠俺单及台用 用 在花常平衡情负载在顿定值以工疑续漉受 ： ，t+“。 负载在额定值以下 况下抑崩 接地故障时闽 0“ 避雷器负戴 隙上的电压 1 “一女，7 一l t- 及性艉 以历e 酉分 l l l l 1 0 5 ? 一 ， ：- 。4 ： j h _ 一b + ” 比表示 保护性能正常 交鹾器采用分段绝缘的可能 别相当程度如果中性点对冲击波 捌相当程度 性 一。 ，有保护措施 ，f 关的绝缘1 0 0 避雷嚣的基准绝缘水平 停电引起的剐作用酉分比丈 不时常停电吾分h ：大 单相接地故障时的系统稳定 性 不可靠良好通常有改善 供电可靠性不能保证良好 通常有改善 对系统布置的影响最好有双电源 单电源已足宜有双电源 和采用其它接地方式系统的妥丧失原有特 不可能除艰经 连接j 匠的系统应 重斩归类。可能 连接性糯离变压嚣 影响继龟保护 要监视调谐倍 撮作过程 ” 俺摹况，有时要调藏筒簟 接头 对电话的干扰问题不大 薹注意 对无线电的于扰当持续放障h 重，可能值得注意 低 接近故障点时对生命的危除 常拖噩时闻可忽略瞳轻 接地按置的可靠性 良好相当好 中等，如果能略 n 费用 中锋 去双电源筑低 6 天津大学硕士学位论文 第二章不同接地方式系统的基本运行特性 第二章不同接地方式系统的基本运行特性 2 1 电力系统中性点接地方式 电力系统中性点接地方式是一个综合性的技术问题，它的确定是一个涉及到 供电安全可靠性和连续性、配电网和线路结构、过电压保护和绝缘配合、继电保 护方式、设备安全和人身保安、通信干扰、系统稳定等多方面因素的一个系统工 程。不同地区、不同特点的配电网，在不同的发展阶段，这些因素和要求都不一 样，由此就需考虑采用不同的中性点接地方式。因此必须要事先全面分析，进行 充分的技术经济比较分析，综合考虑各种因素，才能确定具体适合系统的中性点 接地方式。 2 1 1 电力系统中性点接地方式的划分 我国早期的接地技术规程中曾规定，不论电力系统中性点的接地方式如 何，只要单相接地电流或同点两相接地时的入地电流大于5 0 0 a ，则称为大接地 短路电流系统；反之，则称为小接地短路电流系统。由于此项规定不够合理，后 来在修订规程中被删除。 国外电力系统中性点接地方式的划分各有特点。如美国与加拿大根据自己的 国情规定，单相接地短路电流值处在三相短路电流的0 - - - 2 5 范围内，为小电流接 地系统：在2 5 , - 1 0 0 范围内，为大电流接地系统；而接地电流大于1 0 0 并小 于1 5 0 时，为非常大电流接地系统。不过，如此划分也存在一些问题。在中压 范围内，我国和许多国家的电网普遍采用小电流接地方式，其单相接地电弧能够 自行熄灭，是一个突出特点，这应当是进行小电流接地系统范围的重要界定条件 和依据，而按美、加的划分方法，势必有一部份单相接地故障电弧不能自行熄灭 的系统也被化为小电流接地系统之中了。显然，这是不合理的。 对于中性点是否有效接地，美国电机工程师学会第3 2 号标准对此做出了明 确规定：“当在系统或系统的指定部分的所有各点上，不论运行情况如何，以及 连接的发电机容量多大，零序电抗对正序电抗之比都不大于3 ，而且零序电阻对 正序电抗之比不大于l 时，该电力系统或系统的一部分可被认为是中性点有效接 地的。当电力系统不是全部有效接地，而在系统的一个指定部分的所有各点上， 上述要求得到满足时，可认为该指定部分是有效接地的”。这个标准沿用至今， 天津大学硕士学位论文 第二章不同接地方式系统的基本运行特性 在国际上得到广泛的认同( 1 1 。 2 1 2 单相接地故障分析方法 电力系统正常运行时，对不同的中性点接地方式及其差异，基本上没有反映。 可是，当系统发生单相接地故障时，因中性点接地方式的不同，非故障相工频电 压的升高和单相接地故障电流的大小也不相同。通常，以两者的具体数值表征不 同接地方式系统的基本运行特性。分析存在于两者之间的互换特性，可以展示出 各种不同接地方式的内在联系，各种接地方式的特点和适用范围等主要问题均将 由此决定。 分析非故障相的工频电压升高与单相接地故障电流等有关问题的方法为：( 1 ) 画出由三大基本元件构成的电力系统简化等值接线图；( 2 ) 根据边界条件画出符 合序网图；( 3 ) 根据复合序网图求出各相电压、电流，即可得到非故障相的工频 电压升高和单相接地故障电流等各问题的解，从而对接地方式做出比较和评价。 电力系统是由发电机、升压与降压变压器和输电线路等诸多元件组成的。但 是，在分析单相接地故障的实际问题时，完全可以利用由三大基本元件构成的电 力系统简化等值接线图来进行，其中降压变压器可暂不考虑。所导出的公式和得 出的结论对研究中性点接地方式的有关问题仍然具有普遍适用的意义【l 】。图2 - l 即为由三大基本元件构成的电力系统简化等值接线图。 图2 - 1 电力系统简化等值接线图 ：i 囊。u 叠影j 爹加47 臻 当等值电力系统中的a 相发生单相接地故障时，即使中性点直接接地，由 于系统的零序阻抗不等于零，非故障相的对地电压也会有所升高。当a 相接地 时，三相电压的变化情况如图2 2 所示。 利用单相接地故障故障相电压和非故障相电流为零这两个边界条件， ，崩= o 1 a = ，届z0 天津大学硕士学位论文第二章不同接地方式系统的基本运行特性 即u j + + uj + u ，ozo , ! i - ik = ln 可以得到复合序网图，如图2 3 所示。 以 图2 2a 相发生单相接地故障图2 3 复合序网图时三相电压的变化情况 利用复合序网图，可先求出故障后电压的增量，接着再求出故障后的三相对 地电压。图2 3 中，z l ，z 2 ，z o 分别为系统的正序阻抗、负序阻抗、零序阻抗。 计算出的非故障相的对地电压分别为： ， j + 。“：。一i i ：； 扩曩燃口2 u z + 口u , + u e ，一： 三矗口一觜参j | 。- 么+ z ，+ z ， 爹： 。j 。一 ： j = u 暑+ u o 一 0 ?， w 磐”0 、；，一4 | 。；jl ：+ ，。jj ? 毒 兰掰u l + 饼2u 2 + u o j 。：j 。，哆一糍吐 ；j。 二l 十z ，+ 么 一 0 -_ 、。 ： 3 “。= uc 专& u c ，：| 多一 _ 一：- _ 。( 2 - 1 ) 式中，b ，c 两相电压的增量u b 、a u c 分别与图2 2 中的两个电压多角形 对应。图2 2 中的两个电压多角形均为等边多角形，彼此对称，因此a u b - - a u c 。 对于接地故障电流，由图2 3 可求出故障点的零序电流分量o u z i + z 2 + z o i i + a = 3 厶= 毒 0 式中，即为流过故障点的单相接地电流。 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 天津大学硕士学位论文第二章不同接地方式系统的基本运行特性 若变压器的中性点直接接地，并假设z i = z 2 ，则： 6 = 一擐吩一是以 陋4 ， ；。；三竺墨：土堕案土j 函4 2 z l + z ik + 2 互 七+ 2 ( 2 - 5 ) 式中的因子k = z o z l ，被定名为接地程度系数。 在接地程度系数和电力系统的中性点接地方式之间，存在着一定的对应关 系。根据式( 2 4 ) 可求s a u 与k 之间的关系，如图2 - 4 所示。 图2 - 4 u 与k 之间的关系 半基地) 口 根据式( 2 5 ) 同样可求出i a 与k 之间的关系，如图2 5 所示。 v 7ii - 屯t ? 。秽一。量? “_ 。j j j i 一| | 。：j4 涎 4- ；，： 。 4 。 j i 3 一 2 jj 卜厶 。1i量 一划厶 ，l 巡面 * ，o j l k 一 2 、。+ f 。 ，越、。 ， ， - 4，。4一 。 ： l l 图2 - 5i a 、a u 与k 的关系 天津大学硕士学位论文第二章不同接地方式系统的基本运行特性 2 2 中性点不接地单相接地故障分析 早期的电网大多数是中性点不接地的，中性点不接地方式的主要特点是简 单，不需要任何附加设备、投资省、运行可靠。特别适用于以架空线路为主的电 容电流小于1 0 a 、网络结构简单的配电网。当发生单相接地故障时，由于电流较 小，电弧能自动熄灭，带着单相接地故障可运行一段时间( 小于2 4 , 时) ，不至于 发展为相间短路，一定程度上提高了供电可靠性。 中性点不接地系统是小电流接地系统的一种，实际上可以视为经容抗接地的 接地系统。该电容是由电网中的电缆、架空线路、电机、变压器等所有电气装置 的对地耦合电容所组成的。当发生单相接地故障时，流经故障点的稳态电流是单 相对地电容电流。 当a 相发生永久性接地故障时，三相对地通路的对称性遭到破坏；由于中性 点悬空，一相接地后中性点电位将发生偏移，导致其他两相对地电压升高。所以 可做出中性点电位随故障电阻变化的向量轨迹图，如图2 6 所示。 由于系统对地支路失去了对称性，所以三相对地电压失去平衡，从相量图可 以看出当a 相发生接地故障时，b 、c 相对地电压有不同程度的提高，超前于a 相 的c 相电压升高较滞后于a 相的b 相电压升高要大。此时，系统的零序阻抗呈现容 性，因接地程度系数k 0 ，a u 可能高于相电压，故非故障相的工频电压升高将 会略微高过线电压( 这一现象是由高阻性接地故障引起的) 。实际上中性点不接地 的电力系统，其k 值的一般变化范围为o o k l c ，这里有补偿度p 的概念： p ：! 粤 它定义为 c 。现将系统的三种不同工作状态分析如下： ( 1 ) 全补偿( p - - o ) 。当电流谐振回路恰好在谐振点工作时，因p = o ，i l = i c ，此 时，电容电流与电感电流大小相等，方向相反，完全抵消，故。s = i n ，残流中仅 含有有功分量，不仅其值最小，且其相位与中性点位移电压u 。相同。 ( 2 ) 欠补偿0 咩o ) 。当电流谐振回路在欠补偿状态下工作时，因p o ，i l i c ，此 时1 叫e i 主要含有感性无功电流分量，且其相位滞后于u o 。该谐振接地系统零序 电流电压向量图如图2 1 1 所示。 天津大学硕士学位论文 第二章不同接地方式系统的基本运行特性 图2 1 1 谐振接地系统零序电流电压向量图 2 5 中性点接地方式的评价 由上文可知，中压电网中性点接地方式主要包括中性点不接地方式、中性点 经电阻接地方式和中性点经消弧线圈接地方式，它们在实际中均得到了广泛应 用，同时也存在着利弊，现分别评价如下： 2 5 1 中性点不接地方式 ( 1 ) 当系统发生单相接地故障时，只是非故障相电压升高为线电压，而线电 压维持不变。故不影响三相设备的正常运行。这是该接地方式的一个优点。当单 相接地电容电流不大( 如5 a 以下) 时，其所引起的热效应能为电网的各个元件的绝 缘所承受。对于提高供电持续性有一定作用。 ( 2 ) 可能产生异常过电压。当发生铁磁谐振过电压时，其值可达到4 倍相电压； 发生间歇性弧光接地时，有时可达3 5 倍相电压值。该过电压波及全网，持续时 间相对较长，将对网络中的设备绝缘寿命产生不良影响。 ( 3 ) 近来，随着用户用电容量设备增加，中低压配电线路加长，尤其是电缆 供电网，使电网的电容电流增大，这样，当发生单相接地故障时，由于电容电流 较大，电弧可能无法自行熄灭，很容易造成故障点电缆过热使电缆绝缘被破坏而 引起两相短路或者三相短路故障，也可能形成间隙电弧过电压。 天津大学硕士学位论文 第二章不同接地方式系统的基本运行特性 2 5 2 中性点经电阻接地方式 ( 1 ) 能够有效防止铁磁谐振及间歇性接地过电压等对设备的危害，是低压配 电网以及单相接地故障电流较小的发电厂厂用电系统常用的方式。 ( 2 ) 继电保护方案较为简单和易于实现。 ( 3 ) 综合投资较高，故障点对地电位高，对人身及设备安全不利。 ( 4 ) 对通信，电子设备干扰较大。 2 5 3 中性点经消弧线圈接地方式 ( 1 ) 采用谐振接地方式的电网，能够有效补偿接地电容电流，对瞬间故障能 够自动熄灭电弧，供电可靠性较高，这是该种方式的重要优点。 ( 劲故障点对地电位较低，且单相接地的异常过电压抑制在2 。8 倍相电压以下。 ( 3 ) 自动跟踪补偿消弧系统的运行经验表明，装置可以运行在欠补、全补和 过补状态，而不会发生过去人们担心的串联谐振过电压。同时简化了运行管理， 避免了过去非自动调谐装置存在的调节及不稳定难题。但是由于零序电流被补 偿，给传统接地选线保护带来一定困难，并且目前的选线装置在现场运行时，选 线灵敏度准确性不高。 天津大学硕士学位论文 第三章m a t l a b 仿真模型的建立及实例分析 第三章m a t l a b 仿真模型的建立及实例分析 3 i m a t l a b 简介及电力系统仿真工具箱 m a t l a b 语言是m a t hw o r k s 公司推向市场的一种数值型计算软件，具有编 程效率高、程序设计灵活、图形功能强等优点，已发展成为适合多学科、多种工 作平台的功能强劲的大型软件。m a t l a b 提供了图形化的电力系统仿真工具箱 s i m p o w e r s y s t e m s ，该工具箱中包括了典型的电力系统装置，如变压器、传输线、 发电机和电力电子装置等。通过对电力系统的电路图绘制，m a t l a b 能自动生成 数学模型，有效的节省了建立电力系统数学模型的时间，而且与之相联系的机械、 热力、控制系统及其它设备规律的分析均包含在其中。电力系统仿真工具箱仿真 结果的有效性已被加拿大魁北克电站的运行数据以及其仿真实验室提供的数据 证实。 使用m a t l a b 进行电力系统仿真，具有三个突出的优势：第一，电力系统 仿真工具箱功能强大，工具箱内部的元件库提供了经常使用的各种电力元件数学 模型，并且支持使用者自己编程创建合适的元件模型。第二，强大的m a t l a b 平台。m a t l a b 的数值运算功能为进行电力工程方面的运算提供了强有力的平 台。随着信号处理技术的成熟，各种信号处理方法在电力方面的应用尤为重要。 m a t l a b 提供的信号处理工具箱、数字信号处理模块、滤波器设计工具箱、小波 分析工具箱和神经网络工具箱，为经过电力仿真后的数据处理提供了功能齐全的 分析手段。第三，友好的界面。界面的优劣充分体现了软件使用的难易程度。从 电力系统仿真到数值计算、图形处理，再到信号分析，m a t l a b 提供给技术人员 和科研人员的不仅仅是各类问题的解决方案，更重要的是这些技术的使用变得尤 为轻松简单【1 5 1 。因此，本文使用m a t l a b 作为计算机仿真工具。 3 2 m a t l a b 仿真模型的建立 本文应用m a t l a b 的电力系统仿真工具箱对小电流接地系统单相接地故障 进行了仿真，仿真系统结构如图3 1 所示。 天津大学硕士学位论文第三章m a t l a b 仿真模型的建立及实例分析 3 2 1 输电线路模型和实现 图3 1 仿真系统结构图 架空输电线路的参数r ，l ，c 是沿输电线路均匀分布的，一般不能当作集中 参数元件处理，有些参数还是频率的函数。研究短路和潮流时只需要工频正序、 零序参数，它们可以从手册中查到或者用简单的公式推出。m a t l a b 6 5 里面的 电力系统仿真工具箱( s i m p o w e r s y s t e m s ) 提供了两种输电线路的数学模型，分别是 集中参数万型和基于贝杰龙行波法( b e r g e r o n st r a v e l i n gw a v em e t h o d ) 的分布参数 模型。两种数学模型需要的序阻抗参数定义为 f z 口= z 5 + 2 乙 tz + 嚣z s 一乙 ( 3 - 1 ) 式中，z o 和乙分别为线路零序阻抗和正序阻抗【1 6 1 。 图3 2 ，图3 3 是电力系统仿真工具箱中的两种数学模型对输电线路的仿真实 现。虽然架空线路一般不能当作集中参数元件处理，但是当线路长度不太长( 不超 过3 0 0 k i n ) 时，一般可不考虑线路的分布参数特性，只用集中参数表示即可。我国 目前的中压配电网中，架空线路一般都比较短，所以本文中用图3 2 来模拟三相 架空线路。 图3 2 分布参数线路模型图3 3 万型线路模型 选用电力系统仿真工具箱中的串联r l c 支路模型来模拟电缆线路，将其中的 天津大学硕士学位论文 第三章m a t l a b 仿真模型的建立及实例分析 r 和l 置0 ，如图3 - 4 所示。 图3 4 三相串联r l c 支路模型 3 2 2 接地故障的建模和实现 3 - p b a s ef a u l t 图3 5 接地故障模型 对接地故障的建模，m a t l a b 工具箱提供了专门的实现途径三相故障模 块( 3 一p h a s ef a u l o 。故障类型通过模块内部故障参数的选择来实现，故障点的位置 通过故障模块与传输线的直接连接实现，故障发生和终止的时刻通过故障模块内 部参数转换时间( t r a n s i t i o nt i m e s ) 来设定。图3 5 所示即为接地故障模型( a 相发 生单相接地故障) 。 3 2 3 序分量的测量 在2 1 2 中提到，分析单相接地故障就要得到各序等值网络，从而得到序分 量。在m a t l a b 仿真中，m a t l a b - 1 - 具箱提供了专门的装置三相序分量分 析器( 3 一p h a s es e q u e n c ea n a l y z e r ) 。利用这一装置，可以得到各序分量的幅值和相 角。图3 - 6 所示即为三相序分量分析器模型。 3 2 4 系统集成后的模型 s e q u e n o a n l y z t r 图3 - 6 三相序分量分析器模型 中压电网是电力传输网的中间环节，根据电网络分割理论和等效代换理论， 可将中压电网从整个系统网络中分立出来。为突出主要因素，将中压电网的入端 简化为无穷大容量的三相电压源。如母线中性点有消弧线圈接地的系统，可将消 弧线圈简化为电感和电阻，电感的数值可根据系统的接地电容电流和消弧线圈的 天津大学硕士学位论文 第三章m a t l a b 仿真模型的建立及实例分析 补偿度计算得到( 在下面的仿真实例中采用过补偿3 5 ) 。图3 - 6 是对整个中压电 网中性点接地方式在m a t l a b 仿真平台下的实现。 图3 7 中压电网中性点接地系统仿真模型 3 3 单相接地故障仿真分析 本文应用m a t l a b 的电力系统仿真工具箱对一1 0 k v 中压电网中性点接地系 统单相接地故障进行仿真，仿真了该配电网发生单相接地故障时，在中性点各种 接地方式下系统的接地点电压电流、各相电压电流以及中性点电压的变化情况。 该电网中的变压器采用t h r e e p h a s et r a n s f o r m e r ( t w ow i n d i n g s ) 模型，变比取 3 8 。5 k v 1 0 5 l 【v ，为y - y 连接方式。母线带三条出线，这三条出线均是架空线路和 电缆线路的混合线路。架空线路用万型线路模拟，电缆用集中电容表示。线路参 数如表3 。1 和表3 2 所示。假定系统在0 - - - 0 0 2 5 5 时系统三相对称运行，在0 0 2 5 5 时传输线发生单相接地故障( 假定是a 相故障) ，0 1 s 后故障消失。 线路1线路3线路3 架空线路1 42 01 8 电缆线路1 28 7 天津大学硕士学位论文 第三章m a t l a b 仿真模型的建立