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平顶山工学院学士学位论文 I 1010 千伏配电网中性点接地方式研究千伏配电网中性点接地方式研究 毕业论文毕业论文 目 录 摘要 1 ABSTRACT 2 第一章 绪论 3 1 1 问题的提出 3 1 1 1 中性点的概念 3 1 1 2 中性点接地方式现状和分析 4 1 2 国内外的研究现状 5 1 2 1 国外中压配电网中性点接地方式的发展 5 1 2 2 我国中压系统中性点接地方式的发展 7 1 2 3 本次设计的主要内容和基本思路 7 第二章 城市配电网中性点接地方式 9 2 1 中性点不接地方式 9 2 1 1 中性点不接地方式配电网的单相接地故障 9 2 1 2 间歇电弧引起的过电压 11 2 1 3 中性点不接地方式的适用范围 12 2 2 中性点经消弧线圈接地方式 13 2 2 1 中性点经消弧线圈接地配电网的单相接地故障 13 2 2 2 消弧线圈的过补偿 欠补偿和全补偿 14 2 2 3 中性点经消弧线圈接地方式的适用范围 15 2 2 4 中性点经消弧线圈接地方式的缺点 16 2 3 中性点经自动跟踪补偿消弧线圈接地方式 17 2 3 1 消弧线圈自动跟踪补偿装置的组成 17 2 3 2 自动跟踪补偿消弧线圈的种类 18 2 3 3 消弧线圈自动跟踪补偿装置的优缺点 19 2 4 中性点经电阻接地方式 19 2 4 1 高电阻接地 20 2 4 2 低电阻接地 20 2 4 3 中性点经电阻接地方式的优缺点 21 平顶山工学院学士学位论文 II 2 5 本章小结 21 第三章 MATLAB 仿真模型的建立及分析 23 3 1 MATLAB 简介及电力系统仿真工具箱 23 3 2 MATLAB 仿真模型的建立 24 3 2 1 架空线路的模型和实现 24 3 2 2 接地故障的建模和实现 25 3 2 3 系统集成后的模型 25 3 3 10kv 配电网单相接地故障仿真 26 3 3 1 仿真线路参数 26 3 3 2 中性点不接地系统 29 3 3 3 中性点经电阻接地系统 31 3 3 3 中性点经消弧线圈接地系统 35 3 4 本章小结 36 第四章 弧光过电压 38 4 1 关于弧光接地过电压的概念 38 4 1 1 弧光接地过电压对电气设备绝缘的危害 38 4 1 2 限制弧光接地过电压传统措施的研究分析 39 4 2 3 中性点接地方式对弧光过电压的影响 40 4 2 弧光接地过电压的形成及分析 40 4 2 1 弧光接地过电压及限制措施 41 4 3 对弧光过电压的 MATLAB 的仿真 42 4 3 1 MATLAB 仿真模型的建立 42 4 3 2 中性点不接地系统电弧产生过程的仿真 43 4 3 3 中性点经电阻系统电弧产生过程的仿真 45 4 3 4 中性点经消弧线圈系统电弧产生过程的仿真 49 4 4 本章小结 51 第四章总结 53 参考文献 54 致谢 56 平顶山工学院学士学位论文 3 第一章 绪论 1 1 问题的提出 1 1 1 中性点的概念 电力系统的中性点是指接成星形的三相变压器绕组或发电机绕组的公共点 电力系统中性点接地方式是一个涉及电力系统各方面的综合性问题 是人们防 止系统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 中压配电网量大面广 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 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和 接地装置等技术问题有密切的关系 从经济的角度来看 中压电网中性点接地 方式的选择还要与整个系统发展的现状和发展规划相适应 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 电力系统的运行经验表明 系统中发生单相接地故障的概率很大 约占总 故障的65 左右 在大电流接地系统中发生单相接地故障时 接地相的电源将 被短接 形成很大的单相接地电流 此时断路器必须动作跳闸切除故障 从而 造成系统停电事故 而在小电流接地系统发生单相接地故降时 不会发生电源 被短接的现象 系统还可以继续带负荷运行一段时间 一般允许运行2小时 从 而给运行人员留有充足的时间转移负荷及做好故障处理的准备工作 再进行停 电操作排除故障 出此可见 采用小电流接地运行方式可以大大地提高系统的 供电可靠性 但这种运行方式的缺点是当发生单相接地故障时 非故障相的电 压将上升为线电压 因此就要求线路及电气设备的绝缘必须按线电压设计 这 将使线路及电气设备的绝缘投资费用增加 电压等级愈高 绝缘费用在电力设 备造价中所占的比重就愈大 因此在110kV及以上电压等级的电网中 都采用中 性点直接接地的运行方式 仅在35kV及以下电力系统中才采用中性点不接地或 平顶山工学院学士学位论文 4 经消弧线圈接地的运行方式 目前 我国中压配电网中性点接地方式主要有以下几种 中性点不接地 中性点经电阻接地 中性点经消弧线圈接地 还有采用自动跟踪补偿消弧装置 接地 我国 交流电气装置过电压保护与绝缘配合 DL T 620 1997 中规定 在6 10kV 系统中 当电网单相接地电容电流小于10A时 中性点一般采用结构 简单 供电可靠性高的不接地方式运行 而一旦电网单相接地电容电流超过10A 时 接地电弧就不能可靠熄灭 必须采取措施加以限制 其具体应用情况大致为 110kV及以上电网中性点采用直接接地方式 必要时也可经电阻 电抗或消 弧线圈接地 35kV配电网中性点一般采用不直接接地方式 必要时也可经消弧线圈 电阻 或电抗接地 10kV中压配电网中性点采用不接地或经消弧线圈 小电阻接地等方式 380 220V低压配电网中性点采用直接接地方式 1 1 2 中性点接地方式现状和分析 近年来 随着城市电网的迅猛发展 用电负荷的不断增加 电缆线路不断 加长 原来架空线路占主体的10kV电网逐渐演变为电缆线路占主体的电网 因 此系统单相接地电容电流比原来大大增大 一般认为电缆为主要的电网在发生 单相接地故障时 故障不易消除 易造成事故扩大 引起电缆绝缘击穿 MOA爆 炸 断路器烧毁等 而电缆绝缘故障多为永久性故障 一旦损坏只有更换新的 电缆 这对电网的安全 可靠运行带来很大影响 因此 过去那种一律采用中 性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式已经不能满足电力工业发展的需要 就目前情况而言 广州 上海 北京 长沙 深圳 珠海等许多大中城市 的1OkV城区电网已将原来中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式改为经小 电阻接地的运行方式 经过多年的运行表明 中性点经小电阻接地运行方式的 1OkV城区电网在一定程度上限制了内部过电压水平 从而减轻了对设备绝缘特 别是进口设备绝缘的威胁 并对一些接地故障能迅速切除 但同时发现中性点 经小电阻接地的运行方式也存在较多问题 如单相接地跳闸率大大增加 降低 平顶山工学院学士学位论文 5 了供电可靠性和断路器寿命 与中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式相 比对通讯有较大的干扰 有的城市电网 如珠海 在实际运行过程中 出现了 多项供电可靠性指标有较大下降 发生多起人身伤亡事件 不得不将中性点接 地方式由电阻接地运行方式改回到经消弧线圈接地方式的例子 由于中性点经电阻或消弧线圈接地各具特点 特别是自动跟踪补偿消弧线 圈与微机接地保护的出现 使得这两种接地方式成为目前我国城市配电网中性 点接地方式选择的焦点 到底采用哪一种接地方式 就必须结合本地区的实际 情况 深入细致地进行研究 才能选择适合本地区实际情况的配电网中性点接 地方式 避免造成较大的经济损失 本文主要针对以架空线路与电缆混合为主的城郊1OkV电网中性点接地方式 的选择问题进行对比研究 通过供电可靠性 人身安全 设备安全 绝缘水平 继电保护以及通信干扰等几方面的对比 得出了茅坪变电站中性点接地方式还 是以消弧线圈接地方式为较好方案的结论 为城市1OkV电网中性点接地方式的 选择提供了一定的参考依据 1 2 国内外的研究现状 现在电网中性点接地方式主要分为两大类 一类是有效接地系统 即中性点 直接接地系统 包括有中性点直接接地和中性点经小电抗接地 另一类是中性 点非有效接地系统 即小电流接地系统 包括有中性点不接地 中性点经消弧 线圈接地以及中性点经电阻接地 1 2 1 国外中压配电网中性点接地方式的发展 世界各国城市配电网中性点接地方式 不同国家和该国中的不同城市都不 完全相同 主要是根据本国的运行经验和传统来确定的 原苏联规定在下列情况下采用中性点不接地方式 6kV 电网单相接地电流 小于 30A 10kV 电网单相接地电流小于 20A 15 20kV 电网单相接地电流小于 15A 35kV 电网单相接地电流小于 10A 如果单相接地电流超过上述各值 则需 采用中性点经消弧线圈接地方式 平顶山工学院学士学位论文 6 德国人彼得逊 Peterson 首先提出并随后发明了消弧线圈 提出了经消弧 线圈接地的电力系统谐振接地方式 自 1916 年投运以来积累了丰富的经验 在 柏林市的 30kV 电网中 共有电缆 1400km 其电容电流高达 4kA 也采用于消弧 线圈接地方式 后因 220kV 电网中事故较多 19 世纪 60 年代初就不再应用消 弧线圈了 美国自 20 年代中期至 40 年代中期 22 77kV 电网中采用快速切除故障的 中性点直接接地方式约占 71 1947 年以后 采用消弧线圈的接地方式才有了 发展 经电阻或小电抗接地约各占 6 5 不接地约占 10 6 经消弧线圈接地 约占 5 4 英国 66kV 电网中性点采用经电阻接地方式 而对 33kV 及以下由架空线路 组成的配电网改为经消弧线圈接地 由电缆组成的配电网 仍采用中性点经低 电阻接地方式 日本20kV电缆和架空线路混合电网 1950年以来一直采用中性点不接地方 式 随着电缆的增加 为防止接地继电器的误动 拒动和中性点位移 采用经 40 90 低值电阻器接地方式 1969年改用经40 460 电阻器接地方式 0 7s短接460 电阻器确保迅速准确选线断开单相接地故障线路 1975年统计 11 33kV配电网中性点不接地占40 经消弧线圈接地占28 经电阻接地占 30 直接接地占2 其采用电阻接地方式一般限制接地电流数值为 100 200A 东京电力公司所属配电网 其中性点接地方式为66kV电网分别采用 电阻 电抗和消弧线圈接地 22kV系统采用电阻接地方式 法国从 1962 年开始将城市配电网电压定为 20kV 其中性点采用电阻或经 电抗接地方式 巴黎 20kV 配电网 电缆共 4886km 中性点采用低电阻接地方 式 单相接地电流 1kA 比利时布鲁塞尔 10kV 系统中性点采用低电阻接地方式 单相接地电流原为 2kA 为减少对通讯的影响 现改为 1kA 世界各国的配电网中性点在50年代前后 大都采用不接地或经消弧线圈接 地方式 到六十年代以后 有的采用直接接地和低电阻接地方式 有的采用经 消 弧线圈接地方式 平顶山工学院学士学位论文 7 1 2 2 我国中压系统中性点接地方式的发展 建国初期至80年代 我国完全参照了前苏联的规定 对3 66kV电网中性点 主要采用不接地或经消弧线圈接地2种方式 80年代中期 我国城市10kV配电网 中电缆线路逐渐增多 电容电流相继增大 而且运行方式经常变化 消弧线圈 调整存在困难 当发生单相接地时间一长 往往发展成为两相短路 对此 国 内开始重新考虑合适的接地方式 从1987年开始 广州部分变电站为了满足 10kV电缆较低的绝缘水平 采用了低电阻接地方式 随后 深圳根据其10kV配 电网电缆不断增加的实际 从1995年开始实施10kV配电网中性点采用低电阻接 地方式的工程 天津电缆网比较多 过去以消弧线圈接地为主 现在对35kV电 缆网试行低电阻接地方式 运行情况正常 苏州工业园区 其配电网采用20kV 供电 全部为电缆线路 中性点也采用低电阻接地的运行方式 自1996年正式 投运至今 运行正常 上海在90年代对35kV配电网全面采用低电阻接地的运行 方式 针对上述情况 原国家电力部对原 SDJ7 79 电力设备过电压保护设计技 术规程 进行了修订 在颁布的新规程即国家电力行业标准 DL T620 1997 交 流电气装置的过电压保护和绝缘配合 中 对有关配电网中性点接地方式做了 重大修改 1 将原规定 3 10 kV 配电网中单相接地电容电流大于 30A 时才要求安装 消弧线圈 修改为单相接地电容电流大于 10A 时即要求安装消弧线圈 2 根据国内已有的中性点经低电阻接地的运行经验 对 6 35kV 主要由电 缆线路构成的系统 其单相接地故障电容电流较大时 可采用低电阻接地的运 行方式 3 对于 6 10kV 系统以及发电厂厂用系统 其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 可采用高电阻接地 的运行方式 1 2 3 本次设计的主要内容和基本思路 本次设计主要针对以电缆线路以及混合线路为主的城乡 1OkV 电网中性点 平顶山工学院学士学位论文 8 接地方式的选择问题进行对比研究 通过供电可靠性 人身安全 设备安全 绝缘水平 继电保护以及通信干扰等几方面的对比 得出相关结论 1 比较国内中压配电网现在所采用的中性点不接地 经消弧线圈接地 电 阻接地等几种接地方式的工作原理 并介绍各种接地方式的优缺点和适用范围 2 根据近几年采用消弧线圈 小电阻接地方式的运行情况 对变电站10kV 侧中性点经不同接地方式下的供电可靠性 继电保护 通信干扰 人身安全 设备安全等问题进行分析 3 利用MATLAB内的SimPowerSystems 电力系统仿真工具箱 搭建模型 通过改变其中模块的参数 分析比较配电网在各种接地方式下发生单相接地故 障 遇到接地过渡电阻为不同值时的工频过电压及弧光过电压的变化情况 4 通过比较中性点经低电阻接地和消弧线圈接地方式的优缺点 并结合仿 真结果 最终确定接地方式 平顶山工学院学士学位论文 9 第二章 城市配电网中性点接地方式 三相交流电网中性点与大地间电气连接的方式 称为电网中性点接地方式 也可称为电网中性点运行方式 不同的中性点接地方式将对电网绝缘水平 过电压保护元件选择 继电保 护方式产生不同的影响 因此 在进行城市电网规划和改造时 要慎重研究这 个问题 配电网中性点接地方式分为有效接地和非有效接地两大类 1 中性点有效接地 包括中性点直接接地和中性点经低电阻接地 小电 抗接地和低阻抗接地 有效接地配电网的特征是 配电网零序电阻与正序电抗 之比小于或等于1 零序电抗与正序电抗之比为正值且不大于3 即 1 10 XR 3 0 10 XX 2 1 式中 0 R为配电网在任何运行方式下任何一点至电源的零序电阻 0 X 为任 何运行方式下任何一点至电源的正序电抗 2 中性点非有效接地 不属于有效接地类的接地方式 包括中性点经消 弧线圈接地 也称谐振接地 自动跟踪补偿消弧线圈接地 高阻抗接地和中 性点不接地 在非有效接地方式中 单相接地时 非故障相上的对地电压一般 最高可能达到线间电压的105 此时单相接地故障电流则较小 2 1 中性点不接地方式 2 1 1 中性点不接地方式配电网的单相接地故障 图2 1表示中性点不接地的电力网当C相发生金属性接地时的情况 接地后 故障点C相对地电压变为零 即0 dcU 平顶山工学院学士学位论文 10 a b 图2 1 中性点不接地单相接地故障 从图2 1可得0 0 dCCU UU 故有 C UU0 式中 0 U 中性点对地电压 C U C相电源电压 上式表明 当C相发生金属性接地故障时 中性点电位变成了 C U 于是A B 相的对地电压相应地变为 150 0 3 j CACAdA e UUUUUU 2 2 150 0 3 j CBCBdB e UUUUUU 2 3 其相量关系如图2 1 b 所示 此时AC间的相电压为 dAU BC间的相电压为 dBU 而AB间的相电压等于 ABU 相当于原来的相电压三角形ABC平移到了A B C 的 位置 即三个线电压保持不变 但是 从式 2 2 2 3 中可以看出 非故 障相A和B的对地电压却升高了 3 倍 由于线电压没变 对用户继续工作没什么 影响 同时 对于中性点不接地的电力网 其设备绝缘是按线电压设计的 因 此对电气设备也无大危险 但是 由于A B两相对地电压升高了 3 倍 该相对地电容电流也相应地增 大了 3 倍 即 0 3 CCBCA III CUIC 0 由于C相接地 其电容电流 为 平顶山工学院学士学位论文 11 零 于是接地点的电流为 CB CA CII I 2 4 假定各相对地电容相等 则非故障相的电容电流分别为 60150 33 j C j C C dA CAeUeUj jX I U 120150 33 j C j C C dB CBeUeUj jX I U 将CAI CBI 的值代入式2 4 可得 C jj CCB CA C CUjeeCUI II 3 3 12060 由此可以得出 在中性点不接地的配电网中 单相接地电流等于正常运行 时每相对地电容电流的3倍 以上分析是按金属性接地 即接地处电阻为零 来进行的 但是 如果发生 不完全接地 即经过一定的过渡电阻接地 则故障相的对地电压将大于零而小于 相电压 而非故障相的对地电压则大于相电压而小于线电压 这时接地电流将 比金属性接地时小 2 1 2 间歇电弧引起的过电压 单相接地时所产生的接地电流将在故障处形成电弧 当接地电流不大时 电 流过零时电弧将自行熄灭 于是故障随之消失 如果接地电流较大 大于30A 时 则将产生稳定的电弧 形成持续性的电弧接地 强烈的电弧将损坏设备并 导致相间短路 当电流大于5 10A而小于30A时 有可能产生间歇电弧 所谓间 歇电弧系指接地电弧的熄灭并随之重燃的多次重复现象 每次熄灭将伴随相对 地电容上的电荷积累并产生较大的过电压 其幅值可达 2 5 3 5 U 对绝缘 较差的设备 线路上的薄弱环节和绝缘强度很低的旋转电机有较大的威胁 在 一定程度上对安全运行有影响 有资料表明 在电网全部接地故障中约有60 属 于这种性质 关于间歇电弧的过电压 有两种不同的理论 以工频电流过零时电弧熄灭 平顶山工学院学士学位论文 12 来解释间歇电弧接地过电压发展过程的理论称为工频熄弧理论 以高频振荡电 流第一次过零时电弧熄灭来解释间歇电弧接地过电压的发展过程 称为高频熄 弧理论 根据工频熄弧理论 工频电流过零时电弧熄灭再过半个工频周期电弧重新 点燃 过电压每周期出现一次 而在第二周期时出现最大值 考虑相间电容和 阻尼率时 过电压实际最大值会降低 而高频电弧理论则有两个假设 电弧的高频振荡电流过零时电弧熄灭 故障相电压达最大值时电弧重燃 按这一理论 电弧每个工频半周熄灭一次点 燃一次 健全相电压随着重燃次数的增多 越来越高 数周期后即可升至最大 值 例如可达7 5倍相电压 幅值 考虑相间电容和阻尼率时 过电压实际最大值没 有这么高 但是发生单相接地故障时的实际情况是很复杂的 两种理论各说明两种可 能出现的特例 熄弧后绝缘性能逐渐恢复的介质何时会被重新击穿 也是影响 间歇电弧过电压的重要的因素 2 1 3 中性点不接地方式的适用范围 在中性点不接地配电网中 当发生单相接地故障时 线电压仍保持对称不 变 单相接地电流与负荷电流相比不大 因而对用户供电并无影响 这是该接地方 式的主要优点 当线路不长时 接地电流的数值较小 不至于形成稳定的接地电弧 一般 均能迅速熄灭而无须跳闸 这时供电可靠性较高 但是 当线路较长 电容电 流相对较大时 则可能由于持续电弧而燃烧设备或由于间歇性电弧而导致过电 压 这样 上述优越性就不存在了 因此 此方式适用于电容电流不大的电力 系统中 目前 电力网中的故障以单相接地为最多 特别是35kV及以下电压的配电 网 由于单相接地电流不大 一般接地电弧均能自动熄灭 所以这种配电网采 用中性点不接地的方式是最合适的 平顶山工学院学士学位论文 13 但是由于中性点不接地配电网的最大长期工作电压与过电压都较高 特别 是 还存在电弧接地过电压的危险 因而对整个配电网的绝缘水平要求较高 所以 对电压等级较高的配电网来说采用这种方式使绝缘方面投资增加 目前我国中性点不接地电力网的适用范围如下 1 3 lOkV电网中 当单相电流小于10 A时 2 如果发电机能带内部接地故障运行 当与发电机有电气连接的电网的 接地电流小于5A时 3 20 60kV电网中单相接地电流小于8A时 2 2 中性点经消弧线圈接地方式 消弧线圈是一个具有铁芯的可调电感线圈 它装设于变压器或发电机的中 性点 当发生单相接地故障时 可形成一个与接地电流的大小接近相等但方向 相反的电感电流 这个电流与电容电流可相互补偿 最终使接地处的电流小于 或等于零 从而消除了接地处的电弧以及由它产生的危害 消弧线圈因此得名 此外 当电流过零而电弧熄灭后 消弧线圈还可以显著减小故障相电压的恢复 速度 从而减小了电弧重燃的可能性 因为电网单相接地电容电流得到电感电 流的补偿 所以这种电网也称为补偿电网 该接地方式又称谐振接地方式 2 2 1 中性点经消弧线圈接地配电网的单相接地故障 图2 2表示当中性点经消弧线圈接地时配电网中发生单相接地故障时的电路 图和相量图 当发生单相接地时 中性点电压 0 U将变为 CU 此时消弧线圈 处于装置的相电压下 如忽略线圈电阻 其值等于 L U X U I L L 0 式中L 消弧线圈的电感 L X 消弧线圈的电抗 平顶山工学院学士学位论文 14 a 电路图 b 相量图 图2 2 中性点经消弧线圈接地单相接地故障 从图2 2 b 可以看出 当C相接地时 健全相A B的电压升高到线电压 A B相地对地电容电流CAI 和CBI 分别超前 AU 和 BU 90 CAI 和CBI 合成的总 电容电流CI 将超过 0 U 90 电感电流与电容电流相位相反 且都流过故障点 从而使故障点的电流变得很小或接近于零 当电流过零时电弧熄灭 消弧线圈 还可以减小故障相电压的恢复速度从而减小电弧重燃的可能性 2 2 2 消弧线圈的过补偿 欠补偿和全补偿 消弧线圈接地电网根据补偿率的不同可分为过补偿 欠补偿和全补偿 正 常运行时 当各相对地电容电流不等 电网中性点同样存在位移电压 0 U 下面 先给出脱谐度定义 2 5 100 C LC I II v 其中 脱谐度 C I 对地电容电流 L I 消弧线圈电感电流 脱谐度表征偏离谐振状态的程度 主要用来描述消弧线圈的补偿程度 NCBA C C B B A A YYYY UYUYUY U 0 2 6 平顶山工学院学士学位论文 15 式中 N Y 消弧线圈的等值导纳 当忽略电导时 N N Lj Y 1 采用全补偿时 容抗等于感抗 即 1 CBA N CCC L 此时将发生串联谐振 式 2 6 的分母将变为零 或接近于零 此时 各相电 容值不等 则式 2 6 的分子将不会为零 中性点位移电压 0 U 将达到极高的数 值 因此 在中性点经消弧线圈接地系统中多采用不完全补偿 在不完全补偿方式中又有欠补偿和过补偿之分 如果消弧线圈的感抗值大 于网络的总对地容抗值 则 CL II 称为欠补偿 此时0 反之消弧线圈 的感抗值小于网络的总对地容抗值 则 CL II 称为过补偿 此时0 故障 点将有残余的感性过补偿电流 过补偿方式消弧线圈保留一定的裕度 即使将 来电网发展 对地电容增加后 原有的消弧线圈仍可使用 如果采用全补偿方 式 则当运行方式改变而切除部分线路时 整个网络的容抗减少 又可能接近 完全补偿方式 出现危险的过电压 此外 电网采用欠补偿还可能出现数值很 高的铁磁谐振过电压 因此在补偿电网中多采用过补偿 另外消弧线圈的分接头调整原则有 为保证中性点经消弧线圈接地补偿方式不受系统接线的变化 即线路的投入 或切除 而受影响 当系统接线方式变化前应首先调节消弧线圈的分接头 以防 止因系统接线的改变后发生单相接地引起串联谐振 进行消弧线圈的分接头调 整时应遵循以下原则 1 选用过补偿方式运行时 在电容电流增加前 投入线路前 应先将消弧 线圈的分接头调整 防止发生全补偿运行 2 选用欠过补偿方式运行时 在电容电流减少前 断开线路前 府先将消 弧线圈的分接头调整 防止发生全补偿运行 3 进行消弧线圈的分接头调节操作叫应确认系统无接地现象可进行 一 般不应在阴雨大进行 以保证人身安全 平顶山工学院学士学位论文 16 2 2 3 中性点经消弧线圈接地方式的适用范围 由于消弧线圈能有效地减少单相接地电流 迅速熄灭故障电弧 防止间歇 性电弧接地时产生的过电压 因此广泛应用于3 35kV电压级的配电网 在这些 电压等级的配电网中单相接地故障发生频率较高 采用经消弧线圈接地方式可 以提高配电网的供电可靠性 消弧线圈接地的配电网由于接地电流不大 又称 为小电流接地系统 接地电流小可以减轻对附近通信线路的干扰 这也是这种 配电网的优点 但是 中性点经消弧线圈接地的配电网 当发生单相接地时 非故障相的对地电压将增大 3 倍 这时 尽管可以继续工作 但仍应在较短时 间内发现并消除故障以防止事故的扩大 同时这种配电网的最大长期工作电压 和过电压水 平都较高 因此 当在电压等级较高的配电网和电缆网中采用时 将显著地增 大绝缘方面的费用 应经过综合比较后才能选定 根据我国电网实际情况 采用中性点经消弧线圈接地方式运行的系统其适用 范围为 额定电压为 3 30kV 接地电流大于 30A 的系统 额定电压为 3 10 kV 直接接有发电机 高压电动机 接地电流大于 5A 的系统 额定电压为 35 60 kV 接地电流大于 10A 的系统 额定电压为 110 154 kV 系统如处在雷电话动较强的山岳丘陵地区 其接 地电阻不易降低 电网结构简单 如果采用中性点直接接地方式不能满足安全 供电要求时 为减少因雷击等因素造成单相接地事故频繁跳间的次数 也可采 用中性点经消弧线圈接地方式运行 2 2 4 中性点经消弧线圈接地方式的缺点 中性点经消弧线圈接地系统一般情况下应采用过补偿方式 脱谐度控制在 10 以内 如果线路不对称度很大 特别是开关非全相动作或线路发生单相 两 相断线时 有可能引起串联谐振 这一点在实际工程设计中需引起重视 我国 目前采用的消弧线圈都是手动调匝的 存在以下缺点和不足 平顶山工学院学士学位论文 17 1 调节不便 因这种消弧线圈是无载调节的 要退出运行才能调节分接 头 十分不方便 因此造成实际运行中不能根据电网电容电流的变化及时进行 调节 2 运行人员判断调节困难 因为没有在线实时测量监视电网电容电流的 设备 运行人员即使想及时根据电网电容电流的变化进行调节 也因得不到电 网电容电流的具体值而不能作出准确的判断 不能决定消弧线圈应运行在第几 档 无法保证合理的脱谐度 3 变电站实现无人值班 非自动调节式消弧线圈在无人值班情况下很难 调节 4 电网的规模越来越大 电网的运行方式经常变化 消弧线圈的调节越 来越困难 2 3 中性点经自动跟踪补偿消弧线圈接地方式 由于目前许多配电网采用的是手动调匝式的消弧线圈 在运行中存在如文 2 2 4所述的问题 因此 这种接地运行方式逐步为自动跟踪补偿的消弧线圈方 式所替代 2 3 1 消弧线圈自动跟踪补偿装置的组成 自动跟踪补偿消弧线圈装置一般由接地变压器 可调式消弧线圈和消弧线 圈自动跟踪调节控制器 阻尼电阻和氧化锌避雷器组成 如图2 3所示 接地变压器用于引出电网中性点 它还可以兼作变电站的 站内变压器使用 可调式消弧线圈根据系统电容电流变化提供相应的电感电流 控制器用于测量电网的脱谐度并控制消弧线圈 阻尼电阻用于限制在调节过程 中出现的中性点电压升高 其控制器用于在电网发生单相接地故障时短接阻尼 电阻 平顶山工学院学士学位论文 18 图2 3 自动跟踪补偿消弧线圈装置 一般配电网主变1OkV侧为 接线 没有中性点 接消弧线圈时 需用接地 变压器引出中性点 消弧线圈微机控制自动调谐装置的原理如图2 4所示 图2 4 配电网主变10kV侧为 接线时的原理图 一般配电网主变35kV侧为Y接线 有中性点 消弧线圈微机控制自动调谐装 置的原理如图2 5所示 消弧线圈自动调谐装置实时测量电网中性点的电压 电 流信号 依据电网脱谐度和信号相位角之间的关系原理 利用微机计算电网的 脱谐度 并控制消弧线圈的自动跟踪调谐 使系统始终运行在设定的脱谐度范 围内 为了限制在调节过程中可能出现的中性点电压升高 在零序回路中串有 阻尼电阻 该电阻在发生单相接地故障时处于短路状态 不影响消弧线圈的正 常工作 平顶山工学院学士学位论文 19 图2 5 配电网主变35kV侧为Y接线时的原理图 2 3 2 自动跟踪补偿消弧线圈的种类 自动跟踪补偿消弧线圈种类大致有 1 按调节时间分为2 类 发生接地故障前预先已将消弧线圈档位调整到 合适位置 称为预调式 目前国内应用的绝大部分是预调式 出现接地故障后 立即调整消弧线圈至适当位置 为随调式 2 按电感值的改变方法大致可分为有分接头的调匝式 有可动铁芯的调 气隙式 磁阀式调节的消弧线圈 高短路阻抗变压器式消弧系统以及调容式消 弧补偿装置等 3 按测量方式不同大致有 根据不同档位消弧线圈电感值对应的位移电 压或通过的电流求解方程组 计算电容电流 脱谐度 通过调节消弧线圈铁芯 气隙 使其谐振 从而测量电容电流 通过消弧线圈内部安装的小PT向系统注 入某种特定频率信号 使其谐振 计算出脱谐度 称为注入信号法 2 3 3 消弧线圈自动跟踪补偿装置的优缺点 自动跟踪补偿消弧装置是近几年发展起来的新技术 它既保留了老式消弧 线圈的优点 又克服了其不足之处 它的最大优势就是实时在线对电网电容电 流进行测量 自动调整补偿电流 使之永远处于最佳状态 有的在中性点串有 线性或非线性电阻 能有效地阻尼谐振过电压 使自动跟踪消弧补偿装置不但 平顶山工学院学士学位论文 20 能工作在过补偿 欠补偿状态 还能工作在全补偿状态 自动跟踪补偿消弧装置在配电网中运行以后 也带来了如下一些新的问题 1 自动跟踪补偿消弧装置与小电流接地选线问题 2 自动跟踪补偿消弧装置与电网的继电保护配置问题 3 中性点长期位移电压问题 4 自动跟踪与状态识别 5 多台并联问题 6 噪声问题 7 抗干扰问题 2 42 4 中性点经电阻接地方式 中性点经电阻接地 可以直接消除不接地系统的两个严重缺点 使灵敏而 有选择的接地保护得以实现 并能够减小电弧接地过电压的危害 也就是对内 过电压限制得比较低 不会产生较高幅值的弧光接地过电压和铁磁谐振过电压 与零序保护配合能迅速地切除故障线路 有利于电网的稳定 采用通过电阻接 地方式还有一个优点就是 一旦发生人身触电 线路立即跳闸 可减轻对触电 人的伤害程度 缺点是要求较高的绝缘水平 发生单相接地故障时 必须断开 线路 电阻接地方式适用于以下情况 1 有些配电网大量采用了国外进口的低绝水平的设备 对内过电压要求 比较严的电网 2 大量采用电荷率比较低的无间隙氧化锌避雷器的电网 电阻接地方式从阻值上可以分为 高阻接地 小电阻接地 中电阻接地 其阻值范围见表2 1 表2 1 电阻接地的阻值 电阻型式高电阻中电阻低电阻 电阻阻值 数百 数千20 100 20 平顶山工学院学士学位论文 21 单相接地故障电流 A 10 30 300600 100 2 4 1 高电阻接地 高电阻接地方式以限制单相接地故障电流为目的 并可防止和阻尼谐振过 电压和间歇性弧光接地过电压 主要用于200MW以上大型发电机的厂用电系统和 某些6 10kV 配电网 但是高阻接地电容电流 C I不宜过大 一般不宜大于 4 5A 因而这种接地方式局限性很大 2 4 2 低电阻接地 低电阻接地方式 电阻值一般小于20 与零序保护配合可快速切断单相 接地故障 在电网比较完善的欧美国家中 配电网一般配备有多条备用线路 因而多采用中性点经低电阻接地 配合快速继电保护和开关装置 瞬间跳开故 障线路 投入备用线路 因而并不影响电网的供电可靠性 而我国配电网尚不 十分完善 配有多条备用线路的电网较少 且一般集中于某些大城市 因而在 以架空线路为主的配电网中 低电阻接地因其故障跳闸率较高 使用受到了局 限 但在以电缆为主的配电网中因其故障率极低 这个问题并不突出 并且使 用了绝缘水平低的电缆 为了降低过电压水平 减小相间故障的可能性 要求 采用低电阻接地方式 同时 电缆线路发生单相接地故障时 一般为破坏性故 障 此时应瞬间跳开故障线路 采用低电阻接地方式能很好地满足要求 因而 结合我国的具体情况 对某些以电缆为主的配电网 建议采用低电阻接地方式 2 4 3 中性点经电阻接地方式的优缺点 中性点经电阻接地方式的优点为 1 单相接地工频过电压可限制到1 4 U 以下 2 可把弧光接地过电压限制到1 9 U 以下 3 能够完全抑制电网中因TV磁饱和所引起的铁磁谐振过电压 平顶山工学院学士学位论文 22 4 小电阻接地方式对电容电流的变化及电网的发展适应范围很大 但这种接地方式也存在不利的一面 主要表现在 1 由于发生单相接地 线路就要跳闸 影响了供电可靠性 2 当单相接地电流较大时 如大于1000A 可能对通信线路造成干扰 3 接地故障电流大时 在接地点和电阻柜附近容易产生较大的跨步电压 和接触电压 危及人身安全 4 在发生非金属性接地故障时 由于有过渡电阻的存在 将影响继电保 护的灵敏度 5 在电网中高压电机启动时 启动电流中的直流分量容易造成零序接地 保护误动 从以上的分析可见 采用电阻接地仍然存在很大的局限性 2 5 本章小结 本章介绍了各种中性点接地方式的优缺点及适用范围 并介绍了中性点经 消弧线圈接地的电网发生单相接地故障时消弧线圈的补偿作用及自动跟踪补偿 消弧装置的构成 表2 2是本章内容的一个缩影 将各种中性点接地方式的优缺 点进行了对比 充分说明中性点接地方式是一个涉及到电力系统的许多方面的 综合问题 表2 2 各种中性点接地方式的优缺点 接地方式 比较项目 中性点不接地 中性点经电阻接 地 中性点经消弧线 圈接地 中性点直接接地 单相接地故 障非故障相 对地电压 等于或略大于线 电压 等于线电压有时 可能更高 等于线电压小于80 线电压 电弧接地过 电压 可能很高可不予考虑可不予考虑可不予考虑 内 部 过 电 压 操作过电压最高最低在允许范围内最低 发展为多重故障 的可能性 线路长 电容电 流大时可能性大 情况较好 可能由串联谐振 引起多重故障 几乎无 单相接地电流 为三相总对地电 容电流 由中性点接地电 阻确定 一般限 制在50 400A 最小 但随脱谐 度增大而增大 短路电流大 继电保护动作情实现有选择性的可以实现选择性实现有选择性的可靠迅速 平顶山工学院学士学位论文 23 况接地保护较困难的接地保护接地保护很困难 但现在已基本解 决 故障时对通信线 路的电磁干扰 小 随中性点电阻值 增大而减小 小 但时间较长 大 但高速切断 时间短 正常运行时的静 电干扰 因有中性点不平 衡电压 故有静 电感应问题 较小 因可能发生串联 谐振 故有静电 感应问题 有三次谐波引起 的静电感应问题 系统动态稳定性大中最大 最小 采用快速 切断和重合闸 可得到改善 变压器绝缘 绝缘水平高 全 绝缘 与中性点电阻有 关 与中性点直接接 地方式基本相同 比中性点直接接 地方式低20 避雷器灭弧电压高100 105 高100 105 高100 低80 中性点装置费用低 中性点电阻价格 高 消弧线圈价格更 高 接地网工程费用 高 故障电流对人身 安全影响 持续时间长小最小大 平顶山工学院学士学位论文 23 第三章 MATLAB 仿真模型的建立及分析 3 1 MATLAB 简介及电力系统仿真工具箱 MATLAB 是由美国 Mathworks 公司在 80 年代推上市场的一种数值计算软件 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 它是以矩阵运算为基础 把计算 可视化 程序设计融合在一个交互的工作环境中 在此环境中可以实现工程计算 算法研 究 建模和仿真 应用程序开发等 MATLAB 在电力系统建模和仿真的应用主要由电力系统仿真模块 Power System Blockset 来完成 电力系统元件库包括了电路 电力电子 电机和电 力系统等常用的基本元件和系统的仿真模型 其包含以下库元件 1 电源元件 包括了交流电压源和电流源 直流电压源 可控电源及三相 电源等产生电信号的元件 2 线路元件 包括各种线性网络电路元件和非线性网络电路元件 3 电力电子元件 包括如二级管 晶闸管等各种电力电子元件 4 电机元件 包括各种电机模型元件 5 连接器元件 包含有在各种不同情况下用于相互连接的元件 6 电路测量元件 包括电压表 电流表 阻抗表和万用表等测量元件 7 附加元件 包括三相电路 功率表 直流电机等元件 8 电力图形用户接口 用于电力系统稳态分析 9 电力系统元件库模型 包含了电力系统各种非线性模块的仿真模型 使用 MATLAB 软件进行电力系统数字仿真 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 并且提供了可以自己编程的方式创建合适的元件模型 第二 强大的 MATLAB 平台 MATLAB 的数值运算功能为进行电力工程方面的运算提供 了强有力的后盾 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 MATLAB 提供的信号处理工具箱 数字信号处理模块 滤波器设 平顶山工学院学士学位论文 24 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 友好的界面充分体现了软件 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 MATLAB 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 3 2 MATLAB 仿真模型的建立 本文应用 MATLAB 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 图 3 1 仿真系统结构图 3 2 1 架空线路的模型和实现 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 MATLAB6 5 里面的 SimPowerSystems 电力系统工具箱 提供了输电线路的两种数学模型 分别是集 中参数 型和基于 Bergeron s traveling wavmethod 贝杰龙的行波法 的分 布参数模型 两种数学模型需要的序阻抗参数定义为 m m0 Z Z2 S S ZZ ZZ 式中 和分别为线路零序阻抗和正序阻抗 图 3 2 是工具箱中的两种数学0ZSZ 模型对输电线路仿真实现 虽然架空线路一般不能当作集中参数元件处理 但是 平顶山工学院学士学位论文 25 当线路长度不超过 300 km 时 可不考虑线路的分布参数特性 而只用将线路参数 简单的集中起来的电路表示 所以在本文中用 型等效电路来模拟三相架空线 路 a 分布参数线路模型 b 型线路模型 图 3 2 输电线路两种模型 选用电力系统仿真工具箱中的串联 RLC 支路模型来模拟电缆线路 图 3 3 所示 图 3 3 三相串联 RLC 支路 3 2 2 接地故障的建模和实现 对接地故障的建模 MATLAB 工具箱提供了专门的实现途径 三相故障模 块 3 phase fault 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连接实现 故障开始和终止时刻通过故障模块 内部转换时间 Transition Times 来设定 图 3 4 即为接地故障模型 A 相 发生单相故障 图 3 4 3 phase fault 3 2 3 系统集成后的模型 由于电网在发生单相短路时 由正常工作状态切换到故障状态会有一个暂态 过程 使健全相产生过电压 并使回路中的接地电流升高 在选择电网接地方式 平顶山工学院学士学位论文 26 时 故障时的过电压和接地电流的值是比较重要的考虑因素 本文利用 MATLAB 软件对不同电网的单相接地故障进行了仿真 在模型中 线路采用的是 型参 数模块 没有进行交叉换位 电源 变压器和负荷均是对称的 仿真模型如图 3 5 所示 图 3 5 MATLAB 仿真模型 3 3 10kv 配电网单相接地故障仿真 本文应用 MATLAB 电力仿真工具箱对 10kV 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变化情况 该电网中的变压器采用 Three phase Transformer Two Windings 模型 变比取 38 5kV 10 5kV 为 Y Y 连线方式 母线带四条出线 这四条出线三条 选用架空线路 另一条采用架空线路和电缆线路混合线路作为仿真线路 假定 系统在 0 0 12s 时候系统三相对称运行 在 0 025s 时传输线路发生单相接地 故障 假定是 A 相故障 平顶山工学院学士学位论文 27 3 3 1 仿真线路参数 由于各条线路的尺寸长度很难具体确定 均按照 LGJ 120 的参数计算 架 空线路的对地电导可以忽略不计 查阅 电力工程设计手册 得到单位长度线 路的电阻和电抗如下 kmr 21 0 1 kmx 383 0 1 架空线的线路电容电流用式 3 1 计算得到 3 10 3 3 7 2 LUI LCL 3 1 式中 CL I 架空线路电容电流 A L U 电网的额定电压 kV L 线路长度 km 系数 2 7 适用于无避雷线的线路 系数 3 3 适用于有避雷线的线路 用上式计算得到单位电容电流 kmAICL 033 0 电缆线路的电容电流计算 如式 3 2 所示 LC U S S I 23 0 2200 44 1 95 3 2 式中 S 导线截面积 2 mm L U 电网额定线电压 kV 通过查表和计算得到单位长度电缆的计算参数如表 3 1 所示 表 3 1 单位长度电缆的电抗 电阻 电容电流 电缆型号 1 kmx 1 kmr kmAICL YJV22 350 0830 520 66 YJV22 1500 0720 1221 391 YJV22 2400 0690 0761 954 变电所的电力设备所引起的电容电流增值 可按表 3 2 估计 平顶山工学院学士学位论文 28 表 3 2 变电所的电力设备所引起的电容电流增值 电网额定电压 kV 610153560110 电容电流增值 181615131210 根据茅坪开发区 10kV 电网接线图得到茅坪变的各条线路的架空线的总长度 计算得到架空线电容电流值如表 3 3 所示 表 3 3 茅坪变 10kV 架空线路电容电流 单位长度电容电流值 0 033