中压电网中性点运行方式设计与仿真

第 32 页 共 32 页1 引言11 选题的目的和意义电力系统是由发电、变电、输电、配电、供电、用电等环节组成的电能的生传分配和消费的系统。配电网是电力系统的重要组成部分，在电力系统的各个环节中作为末端直接与用户相联系1。电力系统中性点是不是要接地，以何种形式接地？这是涉及技术、经济、安全等多个方面的综合问题。目前接地的方式主要有：中性点直接接地、中性点经消弧线圈接地（又称作谐振接地）和中性点不接地2。我国的635kV配电网电力系统大多属于小电流接地系统，而这种接地系统的中性点接地方式就有：中性点不接地、中性点接消弧线圈接地等。接地故障是由导体与地连接或对地绝缘电阻变得小于规定值而引起的故障。根据电力运行部门的故障统计，由于外界因素的影响，配电网单向接地故障中最常见的，发生率最高，占整个电气短路故障的80%以上。中性点不接地配电网中如果三相电压是对称的，则电源中性点的电位为零，但是由于架空线路排列不对称而换位又不完全等原因，造成各相导纳并不相等，中性点产生位移电压，但由于数值较小，并不影响正常运行。在发生单相接地故障时，中性点处电位升高为相电压，非接地相相对地电压升高为线电压，即173倍相电压，但线电压仍保持不变。可以正常运行一段时间，但是不能长时间运行，长时间运行的情况是会破坏系统的绝缘的，对接入系统中的配电、线路和变电设备等造成损害。为了防止另外一相再接地导致两相短路，甚至是三相短路，出现故障不能长时间工作，必须限制一定的时间，在这时间里排除单相故障。目前，对小电流接地系统的仿真研究，主要集中在对各种具体选线方法的验证上，即采用计算机仿真程序建立数学模型、设置仿真参数进行仿真。利用Matlab程序作为仿真的统一平台，对小电流接地系统单相故障的各种选线方法进行仿真，就有一定的现实意义。12 中性点接地方式的发展过程电力系统发展初期容量较小，人们认为工频电压升高是绝缘故障的主要原因，同时，对电力设备耐受频繁过电流冲击的能力估计过高，所以，最初电力设备的中性点都采用直接接地方式运行。随着电力系统的发展与扩大，单相接地故障增多，线路断路器经常跳闸，造成频繁的停电事故，遂将直接接地方式改为不接地方式运行。尔后，由于工业发展较快，使电力传输容量增大、距离延长，电压等级升高，电力系统的延伸范围进一步扩大。在这种情况下发生单相接地故障时，故障点的接地电弧不能自行熄灭，而且，因间歇电弧接地产生的过电压往往又使事故扩大，显著降低了电力系统的运行可靠性。 为了解决电力系统中出现的这些问题，德国的彼得生（W.Petersen）教授在研究电弧接地过电压的基础上，于1916年和1917年先后提出了2种解决办法，即中性点经消弧线圈和经电阻接地 5- 6，并且分别为世界上2个工业比较发达的国家所采用。德国为了避免对通信线路的干扰和保障铁路信号的正确动作，采用了中性点经消弧线圈的接地方式，自动消除瞬间的单相接地故障；美国采用了中性点直接接地、经低电阻或低电抗接地方式，并配合快速继电保护和开关装置，瞬间跳开故障线路。这2种具有代表性的解决方法，对世界各国中压电网中性点接地方式的发展，产生了很大的影响。 后来，在中压电网的发展过程中，逐渐形成了两类中性点接地方式，即小电流接地方式和大电流接地方式。前者包括中性点不接地、经消弧线圈或经高电阻接地；后者包括中性点直接接地、经低（中）电阻和低（中）电抗接地等。而单相接地电弧能否瞬间自行熄灭，是区分大、小电流接地方式的必要和充分条件。 在这两类6种接地方式中，前者以中性点经消弧线圈（谐振）接地为代表，后者以低电阻接地为代表。长期以来，两者互有优缺点，因此在不同的国家和地区均有了相当的发展。但是，随着时间的推移和科学技术的发展，现在许多情况已经发生了变化。利用当代的微机、微电子先进技术，伴随着自动消弧线圈和微机接地保护（或自动选线装置）的推广应用，谐振接地方式在保持原来优点的条件下，克服了缺点，实现了优化，运行特性得到了显著的提升，可以适应当代负荷特性变化的需要。而低电阻接地方式，虽然用不锈钢电阻器取代了原来的铸铁材料、物理模拟的零序过电流保护也换成了微机接地保护，但在技术内涵方面，多少年来没有实质性的进步；而且在快速清除接地故障问题上，还遇到了新的挑战，运行特性进一步下降，对人身和设备安全等的威胁较前增大。这样，两者之间的性能投资比差距也就越来越大了。13 中压电网中性点接地方式的设计与仿真的研究现状1.3.1 国外研究概况世界各国城市配电网中性点接地方式，各个国家和一个国家中的不同城市都不尽相同，主要是根据自己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；1520kV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。德国在世界上首先使用了消弧线圈，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。但在50-60年代前西德却不再全部选用经消弧线圈接地方式。美国自20年代中期至40年代中期，2277kV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。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2 kA，为减少对通讯的影响，现改为1 kA。1.3.2 国内研究概况建国初期至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DLT620-1997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。13 论文的主要工作本文大致做了以下几方面的分析：(1) 针对国内中压电网现在所使用的中性点不接地、谐振接地、电阻接地三种接地方式，在MATLAB平台下进行仿真。利用 MATLAB里面的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从而定量分析、比较了电网在各种接地方式下发生单相接地故障时，遇到的接地电阻为大电阻、中电阻、小电阻和弧光电阻时的零序电流变化的规律。并对谐振接地的方式做了更多研究，当电网采用过补偿、欠补偿、全补偿三种补偿方式时，若电网发生单相接地故障时，对零序电压和各线路的零序电流变化情况做了仿真分析，并从中指出各阶段选线保护装置的可利用的特征量。(2) 实际系统在发生单相接地故障后，其接地电阻不可能是一个固定值，其接地过程是电弧间歇接地的过程。以工频电流过零时电弧熄灭来解释间歇电弧接地过电压的发展过程，叫做工频熄弧理论。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，叫做高频熄弧理论。在“高频熄弧”与“工频熄弧”两种理论的分析方法和考虑的影响因素是相同的，但与系统实测值相比较，工频理论分析所得过电压值则比高频理论分析所得过电压值更接近实际情况。本文对这两种熄弧模型都做了一些研究，并且利用这些电弧理论。针对工频熄弧理论进行了仿真，对谐振接地系统和中性点不接地系统的电弧接地过电压做了仿真比较，并分析了消弧线圈对电弧接地过电压的抑制作用。 (3) 综合研究了接地方式对电力系统运行的影响。运用 MATLAB 仿真工具对中性点不接地、中性点经电阻接地和中性点经消弧线圈接地的系统的基本运行特性（即单相接地故障电流的大小和非故障相工频电压的高低）做了仿真研究，仿真结果表明，谐振接地方式与中性点不接地和中性点经小电阻接地方式相比，其基本运行特性明显优越。2 小电流接地系统的主要特点21 电力系统各种接线方式介绍电力系统的接线方式是指三相电力系统的中性点以什么方式接地。电力系统中性点可以有很多种接地方式，中性点直接接地，也可以经过某种元件接地，也可以不接地。中性点如何接地与大地相接的问题在工程上就称之为中性点的接地方式。中性点接地方式对电力系统的很多方面都有影响，是一个很重要、很复杂的问题。2.1.1 电力系统接地方式的分类电力系统通常的接地方式有：中性点直接接地、中性点经消弧线圈接地（又称为谐振接地）、中性点经电阻接地、中性点不接地。其中，中性点经电阻接地的方式，按接地电流的大小又分为高阻接地和低阻接地。我国GB/T 4776-1984电气安全名词术语标准中，将上述四种中性点接地方式归纳为两大类3：（1）中性点有效接地系统（system with effectively earthed neutral）：中性点直接接地或经一个低值的阻抗接地。这种接地系统中性点接地阻抗小，当发生单相接地故障时，故障回路中将流过很大的短路电流，要求保护装置立即动作，线路终止供电，多以此类系统又称作大电流接地系统。（2）中性点非有效接地系统（system with non-effectively earthed neutral）：中性点不接地，或经一个高值电阻接地或经消弧线圈接地的系统。由于此类系统中性点接地阻抗非常大，发生单相接地故障时，故障电流很小，所以又称为小电流接地系统。2.1.2 小电流接地方式的主要特点在我国635kV电力系统中普遍采用中性点不接地或经消弧线圈接地的小电流接地系统方式，当系统发生单相接地故障时，由于不能构成低阻抗短路回路，接地故障电流往往很小，系统线电压的对称性并不遭到破坏，系统还可继续运行一段时间，但是不能运行时间过长，为防止系统事故扩大，在接地运行的这段时间里必须设法排除故障。这类接地方式的主要特点：（1）电流信号很小小电流系统单相接地时产生的零序电流是系统电容电流，其大小与系统规模大小和线路类型（电缆线路或架空线路）有关，数值很小。对于10kV架空线路来说，每30公里线路大约产生1A的负荷电流中，使得传统的基于过流、方向、距离等原因的继电保护装置根本不可能正确反映故障情况。经中性点接入消弧线圈补偿后，数值更小了，且消弧线圈的补偿状态（过补偿、欠补偿、完全补偿）不同，接地基波电容电流的特点与无消弧线圈补偿时相反或相同，对于有消弧线圈的小电流系统采用5次谐波电流或零序电流有功功率方向检测，而5次谐波电流比零序电流又要小2050倍。（2）干扰大、信噪比小小电流系统中的干扰不要包括两个方面：一是在变电站和发电厂的小电流系统单相接地保护装置的装设地点，电磁干扰大；二是由于负荷电流不平衡造成的零序电流和谐波电流较大，特别是当系统较小，对地电容电流较小时，接地回路的零序电流和谐波电流甚至小于非接地回路的对应电流。（3）随机因素的影响不确定我国配电网一般都是小电流系统，其运行方式改变频繁，造成变电站出线的长度和数量频繁改变，其电容电流和谐波电流也频繁改变；此外，母线电压水平的高低，负荷电流的大小总在不断地变化；故障点的接地电阻不确定等等。这些都是造成了零序故障电容电流和零序谐波电流的不稳定。（4）电容电流波形不稳定小电流系统的单相接地故障，常常是间歇性的不稳定弧光接地，因而电容电流波形不稳定，对应的谐波电流大小随时在变化。22 小电流接地系统三种接地方式介绍小电流接地系统目前主要有中性点不接地方式、中性点经消弧线圈接地、中性点经高阻接地三种方式。2.2.1 中性点不接地方式（1）原理综述中性点不接地方式，即中性点对地绝缘，结构简单，运行方便，不需要任何附加设备，投资省，合用于农村10kV架空线路的辐射形或树形的供电网络。该接地方式在运行中，若发生单相接地故障，流过故障点的电流仅为电网对地的电容电流，值很小，不形成短路回路。但是长时间的接地运行，容易形成两相接地短路，甚至是三相接地短路；弧光接地还会引起全系统过电压，这种过电压能量大，持续时间长，同时在持续过程中，电网的单相接地还可能发展为两点接地短路，使事故进一步扩大。中性点不接地系统发生单相接地故障时，其接地电流很小，若是瞬时故障，一般能自动消弧，非故障相电压升高不大，不会破坏系统的对称性，可带故障连续供电一段时间（一般为12h），从而获得排除故障的时间，相对的提高了供电的可靠性12。（2）运行状况分析简单网路图（单条线路）如下图2.1所示：a） b）图2.1 中性点不接地系统发生A相接地故障时的电路图和相量图a）电路图 b）相量图不论是架空线路还是地下电缆，各相导线之间以及每相导线与大地之间都存在着分布电容，如图2.1（本文忽略了导线间电容）。一般来说，线路零序电容的大小与线路的长度、导线的半径、几何均距以及线路与地面的距离等因素有关。在考虑线路充分换位的情况下，相同电容是相等的，并且三相的对地电容也是对称的。当系统发生单相接地时，中性点点位与地点位不等，中性点对地绝缘，必然存在对地电容，此电容很小，因此在小电流接地选线问题的研究中，忽略这些串联阻抗，主要分析各相对地的电容组成的回路。如图2.1所示的简单网络，在正常运行时，忽略电源和线路压降，三相各相对地电容C0相等。在相线对地电压作用下A、B、C作用下，每个都有一个电容电流流入地中。由于三相电压对称，无零序电压；忽略三相负载不对称产生的不平衡电流，三相电流之和也等于零，无零序电流。即： 0=(A+B+C)=0 （2-1） 0= (A+B +C)=0 （2-2）(3) 系统特点中性点不接地方式对于低压配电网具有运行维护简单、经济，单相接地时允许带故障运行两个小时，供电连续性好等优点。目前，国内35Vk以下电网还采用该运行方式。在该运行方式下，接地电流为线路及设备的电容电流。但是，由于该方式对电网电容电流及负荷水平有严格的限制，超过一定数值后将引起电弧接地过电压，故该方式己经不再适应配电网的发展。中性点不接地方式的主要缺陷有: 对电容电流有严格的要求，根据电力规程，对35Vk及以下系统，规定当310Vk电网电容电流小于30A，20Vk以上电网电容电流小于10A时，可采用中性点不接地运行方式。 中性点不接地电网发生单相接地时，中性点电位偏移，过电压水平高，持续的第二章小电流接地系统单相接地故障过程分析时间长。而目前在我国随着经济发展，城镇配电网中大量采用电流和各类封闭组合电器，甚至进口设备，这些设备绝缘水平一般较低，且一旦被击穿很难修复，因而不宜带单相接地故障持续运行。 单相接地时，避雷器长时间在工频过电压下运行，易发生损坏，甚至爆炸。目前采用提高氧化锌(Zno)避雷器运行电压的方法，可以避免爆炸事故的发生，但这并不经济，因而这种接线方式不利于无间隙氧化锌避雷器的推广应用。2.2.2 中性点经消弧线圈接地方式采用中性点经消弧线圈接地方式，即在中性点和大地之间接入一个电感消弧线圈。由于导线对地电容的存在，中性点不接地系统中一相接地时，接地点接地相电流属于容性电流。而且随着网络的延伸，电流也愈益增大，以致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。(1) 原理综述在系统发生单相接地故障时，利用消弧线圈的电感电流对接地电容电流进行补偿，使流过接地点的电流减小到能自行熄弧范围，其特点是线路发生单相接地时，按规程规定电网可带单相接地故障运行12小时。对于中压电网，因接地电流得到补偿，单相接地故障并不发展为相间故障，因此中性点经消弧线圈接地方式的供电可靠性，大大的高于中性点经小电阻接地方式。为提高供电可靠性，按有关规程规定，以架空线路为主的10KV系统电容电流超过30A (近年又提高要求为10A)以上者，必须改为中性点经消弧线圈接地的补偿方式。(2) 运行状况分析中性点经消弧线圈接地系统单相接地的电流分布如图2.2所示。从图2.2中可知，当发生单相接地时，非故障线路电容电流的大小、方向与中性点不接地系统一样;但对故障线路而言，接地点增加了一个电感分量的电流。从接地点流回的总电流为D为： D =L+CE （2-3）式中：L为消弧线圈的补偿电流，CE为系统的对地电容电流。由于L和CE相位相差180，D将随消弧线圈的补偿程度而变，因此，故障线路零序电流的大小和方向也随之改变。 全补偿时系统运行特点分析sIl当全补偿时，有L=CE，接地点电流D接近于零，故障线路零序电流等于线路本身的电容电流，方向由母线流向线路，零序功率方向与非故障线路完全相同。此时有式子L=1/(3CE)成立(其中为角频率，CE为线路电容的总和)，这正是工频串联谐振的条件，如果由于系统三相对地电容不对称，或者断路器合闸三相触头不同而使闭合时出现零序电压，串接于L及3CE之间，串联谐振将导致电源中性点对地电压升高及系统过电压，这是很危险的。a） b）图2.2 消弧线圈接地电网中单相接地时的电流分布a）电路图 b）相量图 欠补偿时系统运行特点分析当欠补偿时，有LCE，补偿以后的接地电流D是感性的，故障线路零序电流增大了，且方向与非故障线路相同，由母线流向线路。采用这种方式即使系统运行方式发生改变，也不会发生串联谐振。因此实际中获得了广泛的应用，补偿程度用补偿度p表示，其值为: p = （2-4）一般选择过补偿度值为p=(5-10)%。在过补偿情况下，通过故障线路保护安装处的电流为补偿后的感性电流。此电流在数值上很小，在相位上超前0的相角为90，与非故障线路容性电流与0的关系相同。因此在过补偿的情况下，零序电流保护和零序方向保护己不适用。(3) 系统特点当接地电容电流超过允许值时，可采用消弧线圈补偿电容电流，保证接地电弧瞬间熄灭，以消除弧光间隙接地过电压，中性点经消弧线圈接地，在大多数情况下能够迅速地消除单相的瞬间接地电弧，而不破坏电网的正常运行。接地电弧一般不重燃，从而把单相电弧接地过电压限制到不超过2.5U (U为系统相电压)。很明显，在很多单相瞬时接地故障的情况下，采用消弧线圈可以看作是提高供电可靠性的有力措施，目前随着电网规模和负载越来越大，运行方式经常变化，消弧线圈也应当经常作相应的调整，以补偿相应的电容电流。因而出现了以实现消弧线圈调整自动化为目的的消弧线圈自动调谐装置，这种装置扩大了消弧线圈在大电网、多运行方式下的适应能力。中性点经消弧线圈接地方式的主要缺陷有: 采用中性点经消弧线圈接地方式，不仅减小了线路的故障电流，而且故障线路的零序电流方向也发生了变化，给接地保护的正确选线提出了更高的要求。 中性点经消弧线圈接地方式易发生谐振，且消弧线圈的补偿容量不易随电容电流的增加而增加。 消弧线圈的阻抗较大，既不能释放线路上的残余电荷，也不能降低过电压的稳态分量，因而对其它形式的操作过电压不起作用。2.2.3 中性点经高阻接地方式中性点经电阻接地方式，即中性点与大地之间接入一定阻值的电阻。该电阻与系统对地电容构成并联回路，由于电阻是耗能元件，也是电容电荷释放元件和谐振的阻压元件，对防止谐振过电压和间歇性电弧接地过电压，有一定优越性。中性点经高阻接地方式以限制单相接地故障电流为目的，并可防止阻尼谐振过电压和间歇性电弧接地过电压，主要用于200MW以上大型发电机回路和某些6一10Vk配电网。(1) 运行特点由于中性点经电阻接地可以迅速判断故障，对于90%以上是电缆线路的城市电网，需要采用此种接地方式。另外，在人口稠密地区，架空线一相导线落地会对人身安全造成极大的威胁，因而也应考虑这种电阻接地方式。中性点经电阻接地在国内部分电网已开始应用，并取得了良好的效果。这种接地方式的优越性具体表现为: 有效地降低单相接地工频过电压和弧光接地过电压水平，是消除电压互感器铁磁谐振过电压的最有效的措施。只要R1/(3C0) ( C0为线路对地电容总和)，弧光接地过电压能被限制在2.2 U以下。对于不同的系统，对地电容不同，电阻取值不同。对R无论是低阻还是高阻都能达到抑制电压互感器谐振电压和断线谐振电压的目的，当然R愈小，过电压水平愈低，但同时应兼顾通过人体的接地电流不明显增力口。 可简化继电保护，实现快速切除故障，缩短电压持续时间。这样，限制带故障运行有助于性能优良的无间隙氧化锌避雷器的推广应用。从保证保护具有足够的灵敏度的角度来考虑，要求R不宜太大，对接地过流继电器，如果架空线电网中性第二章小电流接地系统单相接地故障过程分析点电阻电流为100A，则故障线中总零序电流比其它回路的电容电流大得多，从而保证了动作的选择性。对接地方向继电器，零序电流的功率因数是影响灵敏度的重要因素，当接地电流的有功分量与电容电流之比大于2时，接地方向继电器才能可靠工作。(2) 中性点经电阻接地方式的缺陷有: 对于有架空线的配电网，一般配有自动重合闸，中低阻接地方式在单相接地时，开关的跳闸率将大大增加，但绝大多数接地故障是由于架空线接地引起的，并且70%80%的单相接地跳闸可以重合成功，只是对开关的性能提出了更高的要求;然而由于电缆线路不设置重合闸，采用小电阻接地方式的电缆网络不会使跳闸次数有明显的增加。 关于过渡电阻。如果单相接地不是金属性的，而是经过一过渡电阻接地，当架空线路断线落地(水泥路或沥青路)，甚至掉在树上，这对接地电流有很大的影响，将使得继电保护灵敏度降低而影响系统安全运行。2.2.4 各种中性点接地方式的综合比较各种中性点接地方式如：中性点不接地、中性点经电阻接地、中性点经消弧线圈接地、中性点经消弧线圈并（串）电阻接地、直接接地等接地方式的综合比较见表2.1表2.1中性点接地方式比较中性点接地方式比较项目不接地电阻接地消弧线圈接地消弧线圈并（串）电阻接地直接接地单相接地电流大大小，同脱谐度有关小，同脱谐度有关最大人身触电危险性大大减小减小最危险单相电弧接地过电压最高低较高，高过电压概率小低，高过电压概率小最低单相接地保护较难易难较易很容易对通信的感应危害较小大小小最大铁磁谐振过电压高低高低低操作过电压最高最低较高较低低高压串入低压引起过电压最高低较高较低最低保护接地的安全性单相接地电流大时危险单相接地电流大事危险安全安全危险3 MATLAB 仿真模型的建立MATLAB 提供了图形化的电力系统仿真工具箱 SimPowerSystems，该工具箱中包括了典型的电力系统装置，如变压器、传输线、发电机和电力电子等。通过对电力系统的电路图绘制，MATLAB 能自动生成数学模型，可以节省建立电力系统数学模型的时间。使用 MATLAB 软件进行电力系统数字仿真，具有三个突出的优势8。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16。因此使用 MATLAB 作为仿真工具，图 3.1 为仿真模型示意图。图3.1 仿真模型示意图31 输电线路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。MATLAB 6.5 里 面 的SimPowerSystems（电力系统仿真工具箱）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 Bergerons traveling wave method（贝杰龙的行波法）的分布参数模型。图 3.2 中的分布参数线路模型和 型线路模型是 SimPowerSystems 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，但是当线路长度不超过 300km 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，所以在用图 2-2 中的分布参数线路模型和 型线路模型来模拟三相架空线路，用三相串联 RLC 支路模型（将其中的 R 和 L置 0）来模拟三相电缆线路：图 3.2 分布参数线路模型、 型线路模型、三相串联 RLC 支路模型32 接地点的建模和实现对接地点的建模，MATLAB 电力工具箱中提供了three-phase fault模块，模块如图3.3。双击three-phase fault模块，出现如图3.8的对话框，根据短路现象选择，若单相接地短路（假设是A相短路），先选phase A fault，然后选ground fault。图3.3 接地点模型33 系统集成后的模型小电流接地系统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，可将小电流接地系统从整个网络中分立出来。为突出关键因素，将小电流接地系统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补偿度计算得到(在下面的仿真实例中采用过补偿 10)。图 3.4 是在 MATLAB 仿真平台下对整个小电流接地系统的实现。图 3.4 某小电流接地系统模型34 仿真实例3.4.1 仿真实例比较利用 MATLAB 仿真工具箱对某一 10kV 中压电网进行仿真。仿真该中压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 Three-phase Transformer(Two Windings)模型，变比取38.5kV/10.5kV，为 星形 连接方式（通常 10kV 系统中的变压器采用三角形接线，没有中性点引出，需要先通过接地变压器来形成一个中性点，本文中为了简便，直接采用星形连接的变压器）。母线带 4 条出线，这 4 条出线均是架空线路和电缆线路的混合线路。架空线路用 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12。表 3.1 线路长度（单位：千米）线路1线路2线路3线路4电缆线路1.6700.9671.1852.530架空线路6.25713.134.8959.438表3.2 线路正序及零序参数一览表R0(/km)L0(mH/km)C0(F/km)R1(/km)L1(mH/km)C1(F/km)架空0.64.155.2e-30.451.1.99.49e-3电缆0.27对图 3.4 所示的模型进行仿真，仿真10kV 电网在各种接地方式(中性点不接地、中性点经低电阻接地、中性点经消弧线圈接地三种接地方式)下，发生单相接地故障后三相电压和三相电流的变化情况。假定系统在 00.03 秒时系统三相对称运行，在 0.030.05 秒时传输线发生单相接地（假定是 A 相故障）。当过渡电阻为 1 欧姆时，仿真得出的波形如下，其中图 3.5 是中性点不接地时的波形，图 3.6 是中性点经电阻接地时的波形，图 3.7 是中性点经消弧线圈接地时的波形。在仿真过程中，可通过改变过渡电阻值的大小来仿真电力系统单相接地的不同情况，如图3.8改变Rg的值，得到如表 3.3 到表 3.5 给出了当过渡电阻值分别为 0、10、100、2k和（即无故障）时的各电压电流值。图 3.5（1）中性点不接地设置图 3.5（2）中性点电压波形（不接地时）图 3.5（3）三相电压（上）和三相电流（下）波形（不接地时）如图2.2b和3.5所示，当A相发生接地故障时，B相和C相对地电压之间相位差变为60，其数值都等于正常运行的线电压，即升高了倍。因此，这种系统中电气设备的绝缘要按线电压设计，绝缘投资比重加大。同时可以看出在系统发生单相接地故障时，三相之间的线电压仍然对称，因此用户的三相用电设备仍然能照常运行，但是，发生单相接地故障后，其运行时间不能太长，以免在另一相又发生接地故障时形成两相接地短路。图 3.6（1）中性点经电阻接地设置图 3.6（2）中性点电压波形（经电阻接地）图 3.6（3）三相电压（上）和三相电流（下）波形（经电阻接地）如图3.6（2），在中性点经低电阻接地系统中，0.03s发生单相接地故障时，中性点电位上升。如图3.6（3），非故障相电压上升为原来的倍，即线电压，所以电气设备的绝缘水平需按线电压考虑。与不接地系统相比，单相接地故障点的电流基本成正弦曲线。图 3.7（1）中性点经消弧线圈接地设置图 3.7（2）中性点电压波形（经消弧线圈接地）图 3.7（3）三相电压（上）和三相电流（下）波形（经消弧线圈接地）当系统发生单项故障时，接地故障与消弧线圈构成了另一个回路，接地电流中增加了一个感性电流，它和装设消弧线圈的电容电流方向相反，相互补偿，减小了接地点的故障电流，使电弧易于自行熄灭，从而避免了由此引起的各种危害，提高了供电可靠性。而且其与中性点不接地的系统一样，非故障相电压仍然升高倍，三相导线之间的线电压仍然平衡，电力用户可以继续运行。单相接地故障点的电流逐渐减小。3.4.2 接地电阻对仿真结果的影响图3.8 故障点的设置表 3.3 经消弧线圈接地时的电压电流RgIaIbIcIsumUaUbUcIgIlU0014.48318.69718.28616.1481.83e-51.72671.745310.79916.0640.82131014.44918.62118.77116.0800.01341.73711.751210.94016.0780.820610014.35817.65619.23615.8140.13201.66151.793610.77915.8430.80852k12.61510.89315.5725.68870.92520.84321.32313.77715.55270.281412.47412.47212.4820.01081.00481.00540.00560.00820.01080.0006表3.4 不接地时的电压电流RgIaIbIcUaUbUcIgUgU0030.68118.75418.7733.33e-51.75061.752027.1560.27160.82731030.66118.57218.9370.03331.73291.767627.133271.330.826510029.33316.53019.7600.31481.52581.838925.6972569.70.78282k13.18111.45513.7530.99210.89251.14804.05018100.20.123412.47612.47212.4781.00491.00490.00471.00528204.60.0003表3.5 经电阻接地时的电压电流RgIaIbIcIsumUaUbUcIgIlU00748.3715.81419.662750.910.00091.48031.8111748.84750.980.751010396.2314.30115.820397.480.48581.25061.3773396.25397.490.397510075.25812.82512.97974.5010.90971.04881.058574.26974.5030.07452k13.11912.49612.5014.09420.99981.00731.00764.08154.09430.004112.47712.47512.4780.00821.00481.00501.00500.00820.00828.23e-6从图 3.4 到图 3.6 及表 3.3 到表 3.5 可以看出，如果发生单相接地故障，在过渡电阻大小相等的情况下，中性点采用经电阻接地方式时流过故障相的电流最大，流过接地点的电流最大。而中性点采用经消弧线圈接地方式时，由于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，它与电网的接地电容电流相互补偿，所以使得流过故障相的电流最小，流过接地点的电流最小，从而消除接地处的电弧及其危害。从表 3.2 到表 3.5 还可以看出，随着接地电阻的增大，采用这三种接地方式时，流过故障相和过渡电阻的电流都将逐渐减小，当系统发生金属性接地故障（即Rg =0）时，流过故障相电流和过渡电阻的电流值最大，因此对系统造成的危害也最大。3.4.3 确定合适的中性点运行方式通过仿真比较，中性点不接地系统具有发生单相接地故障时仍可在短时间内继续供电的优点，但当接地电流较大时，将产生间歇性电弧而引起弧光接地过电压，甚至发生成多相短路，造成严重事故。为了克服这一缺点，可采用中性点经消弧线圈接地的方式。当系统发生单相接地故障时，接地故障相与消弧线圈构成了另一个回路，接地电流中增加了一个感性电流，它和装设消弧线圈前的电容电流方向相反，互相补偿，减小了接地点的故障电流，使电弧易于熄灭，从而避免了由此引起的各种危害，提高了供电可靠性。所以小电流接地系统一般选用经消弧线圈接地系统。4 铁磁谐振在中性点不接地系统中，为了监视绝缘（三相对地电压），发电厂、变电站母线上通常接有0Y 接线的电磁式电压互感器。于是，网络对地参数除了电力设备和导线（或母线）对地电容之外，还有电压互感器的励磁电感L 。正常运行时，电压互感器（简称压变）的励磁阻抗是很大的，所以网络对地阻抗仍为容性，三相基本平衡，电网中性点O的位移电压很小。但系统中出现某种扰动，使电压互感器三相电感饱和程度不同时，电网中性点就有较高的位移电压，就可能激发起谐波谐振过电压。41 PT 谐振激发条件及各种消谐措施由于网络的参数不同，外界激发条件不同，PT饱和引起的中性点位移电压可能是工频谐振过电压，也可能是分频或高频谐振过电压。它们都会使电网出现零序电压，只是零序电压的频率不同而已。多年来的实验研究表明，工频谐振过电压和高频谐振过电压的幅值很少超过3U，除非存在弱绝缘设备，一般是不危险的。分频谐振由于频率低，互感器的励磁阻抗随之下降，因铁芯元件的非线性，使励磁电流大大增加，甚至可达额定励磁电流的百倍以上，互感器工作在严重饱和状态。虽然过电压被限制不超过 2U，但大电流的持续时间过长，会烧坏互感器的保险丝，或使互感器严重过热而冒油，甚至爆炸。因此，分频谐振过电压的危害是最大的。对于分频或高频谐波谐振而言，其产生谐振的电源是非线性电感元件的非线性效应将工频电源能量转化为谐波能量供给的。当线路很长，C 很大，就有可能产生分频谐振过电压；反之，则有可能产生高频谐振过电压。当然是否产生谐振还与激发条件有关。通常，构成谐振的激发条件有三种：一是包括 PT在内的空载线路突然合闸，使 PT 某相或两相绕组内产生巨大的涌流和磁饱和现象；二是由于雷击或其它原因，线路中发生瞬间的单相弧光接地，使得其它两相瞬间升到线电压。而故障相在接地消失后又瞬间恢复至相电压，以至造成暂态励磁电流的急剧增大和铁芯的磁饱和；三是磁饱和的产生也可能由于另一绕组瞬间传递过来的过电压所引起。PT 所连线路参数、电源合闸角、PT 剩磁及 PT 等值电阻对铁磁谐振都有一定影响，但是影响最大的是 PT所连线路的参数。图 3-1 为激发的谐振与线路参数的关系。0.011无谐振基波和分次谐波高次谐波Xcb / Xtcc图4.1 激发的谐振与线路参数关系当Xco/Xlc1时，可激发起幅值较高的高次谐波共振过电压；当0.01Xco/Xlc1时，可发生基波和分次谐波谐振，电压比高次谐波幅值低，且只要满足一定参数范围，分次谐波谐振现象最易发生；当 Xco/Xlc0.01时，三相无谐振现象。在发生分频或高次谐波谐振时，三相电压同时升高，而发生基波谐振时两相电压升高，一相降低。迄今为止，用于防止 PT引起铁磁谐振的措施有很多，这些措施大致可以分为两大类：一是通过改变电感电容的参数，使其远离谐振的匹配条件，使从而不容易激发起谐振，如：每相对地加装电容器，采用励磁特性好的 PT，限制同一网络中 PT 的并联台数，PT 高压侧中性点串接单相 PT，系统中性点经消弧线圈接地或接入同类作用的消弧电抗器；二是消耗谐振的能量，阻尼抑制或消除谐振的发生。如：PT高压侧的中性点串电阻，PT二次侧三角绕组开口两端接入电阻等。42 措施详细分析： (1) 减少同一网络中并联 PT 台数911原理：由于并联的 PT台数越多，则其总体等效伏安性越平越饱和，相应地在线电压下的工频励磁感抗 Xm值越小，因此为了避免谐振所需的 Co 将与并联台数成比例地增加，这就是说，如果所连接的线路长度在一台 PT 时可能避免一切谐振，图 4.1 激发的谐振与线路参数的关系无谐振 基波和分次谐振 高次谐振.但在二台或多台时就可能进入谐振区而容易发生谐振，因此，可要求除在电源侧为了用作绝缘监视而必须将 PT高压侧中性点接地外，其他的 PT，特别是用户的 PT尽可能不接地。结论：这是一个普通适用的有效的措施。(2) 改善 PT 伏安特性原理：因为 PT的非线性电感引起的铁磁谐振一般要有外界的激发，使电感瞬时进入饱和区，然后在参数的一定匹配下引起。显然如果伏安特性非常好，则有可能在一般的过电压水平下还不足以进入较深的饱和区，而不构成必要的参数配合，亦不可能形成谐振。原水电部有关防止 PT 引起铁磁谐振的反措中曾提出要求 PT 伏安特性的起始饱和电压应不小于 1.5 倍线电压，如能达到这一特性，则有可能基本上不产生谐振了。结论：PT 的励磁特性越好，产生 PT 谐振的电容参数范围就越小，但一旦发生谐振，过电压和过电流会更大。(3) PT（T1）高压侧中性点串联单相 PT（T2）原理：T2 接入后有两个明显的效果，其一是X X的条件，另一效果就是由于中性点接有了 T2，这一部分的感抗对三相都是相同的。而 T1 三相电感有不同变化时所占分量也小得多，或者也可以说由于串接了 T2 后，其每相的总体伏安特性将比单台 T1 的陡和高，因此，在一般的激发情况下就很难进入饱和区而产生谐振。T2 本身的直流电阻也有限流、消谐作用。结论：这是一个十分有效的措施，但是，同一网络中如果有多台 PT，则必须每台都按此接线方能有效。(4) 电源中性点经电阻 Rn 接地原理：通过 Rn泄放三相对地电容上的零序电荷来达到限制过电压的目的。一方面相对稳定了中性点电位；另一