10kv配电网单相故障电流计算及跨步电压的分析

1、摘要10kv配电网主要有中性点不接地、中性点经消弧线圈接地、中性点经小电阻 接地等运行方式。不同的配电网中性点接地方式各有其特点和优势。本文详细分 析汁算了三种主要接地方式下配电网在发生单相短路故障时的零序电压、短路电 流和暂态特性;并利用有限元分析软件，详细分析了小电阻接地运行方式下，单 相短路故障时的大地电场分布，计算了短路点附近的跨步电压。为配电网接地方 式的合理选择及继电保护提供了理论依据。本文研究内容主要包括以下几个方面：介绍了 10kv配电网的不同接地方式发展概况，详细分析了配电网屮接地变压器的结构与工作原理，总结并对比了不同接地方式的优缺点。针对三种主要接地方式的配电网络，首先分

2、析岀了其发生单相短路故障时的 稳态等效电路，在此基础上推导出其短路接地电流计算公式，并给出了其电容电 流分布图。其次详细推导出其暂态等效电路，同样详细计算了其暂态短路接地电 流。最后建立了配电网发生单相接地短路的matlab仿真模型，得出了与理论 分析结果相符的仿真波形与数据。阐述了接地电阻、跨步电压和接触电压的概念，详细推导了它们的理论计算 公式。开创性地运用有限元分析软件ansys来定量仿真发生单相对地短路后的 跨步电压，仿真结果与理论计算结果基本吻合。设计了 10kv配电网小电阻接地运行方式下发生单相对地和单相对电线横担 的两种常见短路的实验方案，给出了详细实骑操作步骤及需要注意的事项，

3、通过 实验验证了论文中有关短路时接地电流及跨步电斥的计算分析结果。关键词:10kv配电网冲性点接地方式;短路接地电流;跨步电压;有限元分析abstractneutral grounding without impedance,neutral grounding through suppression coil and neutral grounding through low resistor are the most common neutral grounding in the lokv distribution network. there are different character

4、istics and application advantages with different neutral grounding when the single phase short-circuit fault occur in the lokv distribution network, zero sequence voltage, short-circuit current are calculated in detail and transient characteristics are analyzed for the three main neutral grounding i

5、n this paper. then, electric field distribution and step voltage are also calculated with finite element analysis software for grounding through low resistor. the study of this paper is helpful to the choice of neutral grounding and power system relay protection for the lokv distribution network.the

6、 study of this paper focuses on the following aspects:the development and application trends of neutral grounding in lokv distribute network are introduced in this thesis, then the structure and work principle of grounding transformer is analyzed in detail. the advantages and disadvantages of three

7、main neutral grounding are summarized and compared with each other.for the three main neutral grounding distribute network, firstly, the steady-state equivalent circuit is proposed through careful analysis when the single phase short-circuit fault occur and the short circuit current formula is deriv

8、ed in detail on the basis of the steady-state equivalent circuit. the distribution figure of capacitive current is given. secondly, the transient-state equivalent circuit is presented through careful analysis and the transient short-circuit current is solved based on the transient-state equivalent c

9、ircuit. finally, a single phase short-circuit fault model is established in the matlab software, the simulation results and data are consistent with the theoretical analysis results.the con cept of grounding resista nee, step voltage and touch voltage are expounded,and the theoretical formula is als

10、o deduced the step voltage when the single phase short-circuit fault occur is calculated quantitatively with the finite element analysis software ansys. the simulation results are consistent with the theoretical calculation results.two common short-circuit experimental program are designed and the e

11、xperimental procedures and some notes are given in detail. it is demonstrated that the theoretical analysis about the short-circuit current and the step voltage in the paper is correct.key words : lokv distribution network; neutral grounding; short-circuit ground current; step voltage; finite elemen

12、t analysis第1章绪论11课题研究背景及意义电力是人类文明生活的原动力，是最重要的二次能源和工商业界主耍的动力 及照明來源，其需求与经济发展之间有着密不可分的关系。充足、安全和稳定的 电力供应是国家经济持续发展的基础。电力供应大致要依次经历生产、变换、输 送、分配和使用五个过程,jo 10kv配电网是电力输送中一个非常重要的环节， 由用电设备及输电线路按一定的接线方式所组成，它主要从枢纽变电站取得电 能，对电能进行交换、输送、分配与保护等，并将电能安全、可靠、经济地送到 下一级用电设备，因此它对整个电网的安全和经济运行起着重要的作用役长期以来，我国的配电网是以架空线路为主的放射型结构电

13、网,特别是 10kv(6kv), 35kv配电网中一般都采用中性点不接地的运行方式。电网中主 变压器配电电压侧一般为三角形接法，没有可供接地的中性点。当屮性点不接地 系统发生单相接地故障时,线电压仍然保持对称，对用户继续工作影响不大，并且 电容电流比较小(小于10a)时,一些瞬时性接地故障能够自行消失，这对提高供 电可靠性，减少停电事故是非常有效的。由于该运行方式简单、投资少，所以在我 国电网初期阶段一直釆用这种运行方式,并起到了很好的作用，积累了一些成功 运行经验$ o随着电力系统的发展及“城乡电网改造”，我国的配电网络迅速扩大和发展， 一方面城市配电网采用环网供电、多电源供电方式，另一方面

14、由于城市电网规模 不断地扩建和延伸，受城区规划、环保和场地等条件制约，城市配电网逐渐采用 以电缆线为主、架空线为辅的电网结构模式，这样一来，10kv系统单相对地电 容电流就大幅度地增加了。不接地系统在发生单相接地时，故障相的接地电流是 非故障相対地电容电流之和。当电流超过10a,此时接地电弧不能可靠熄灭， 将严重威胁电网设备的绝缘，危及电网的安全运行。l()kv配电网有多种接地方式，它是根据每个地区的具体情况，本着安全可 靠和经济实用的原则及因地制宜的方针选择采用的。根据现行电网运行资料统 计，配电网的事故约占电网事故的90%,其中相当一部分又是单相接地短路故 障。发生单相接地短路故障后，会造

15、成三相系统不平衡，非故障相电压升高，电 网电容电流发生变化，短路点可能岀现较人的短路电流，同时导入地下的短路电 流可能会在短路点附近的地面产生较大的跨步电压，危及行人的生命安全 然而国内外开展的中性点接地方式及其安全研允中，大多只提到短路电流会导致 地面产生较大的跨步电压却很少有对短路电流作仔细分析与研究，更没有对短路 时产生的跨步电压作定性分析与研究。因此，针对不同的接地方式的10kv配 电网在发生单相短路时的短路电流以及由此引起的跨步电压作分析与研究，将具 有重要的理论与工程价值。1.2本文的主要研究内容在我国电网电压等级逐步统一后，10kv配电网成为我国输配电网络中一个 重要的坏节，它的

16、可靠运行，直接影响着供给用户的电能质量。10kv配电网的 屮性点接地方式历來是电力系统的一个研究热点，不同的接地方式，会有着相对 更适合于不同线路结构与容量配电网的优点。在发生单相接地短路故障时，会表 现岀不同的特性。其中以系统供电可靠性、系统过电压水平、在接地电流作用下 地面电势升高而引起的人身安全性作为最重耍的考评依据。本文的研究内容主要包括以卜几个方面：第1章绪论首先概述了本文的研究背景及意义。第2章针对中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点经电阻接地三种 主要接地方式的配电网，首先分析出了其单相接地稳态等效电路，在此基础上详 细推导出其稳态短路接地电流计算公式。最后建立了 10kv

17、配电网发生单相接 地短路故障时的matlab仿真模型，得出了与理论分析结果相符的仿真波形 与数据。第3章阐述了跨步电压的概念，根据电场理论，详细推导了它们的理论计算 公式，同时指出其计算局限性。开创性地运用有限元分析软件ansys来定量 仿真分析配电网发生单相接地短路后的跨步电压，仿真结果与理论计算结果基本 吻合。第4章设计了 10kv配电网小电阻接地运行方式下发生单相对地和单相对电 线杆横担两种常见短路的实验方案。给出了详细实验操作步骤及需要注总:的事 项。得出了与理论分析及仿真相符的实验数据，即通过实验验证了论文中10kv 配电网单相短路时接地电流及跨步电压的计算及仿真结果。第2章不同接地

18、方式的配电网短路电流计算与分析电力系统中性点接地是一个涉及供电可靠性、绝缘水平、继电保护、通讯干 扰、电磁兼容及接地装置等多方血的综合性技术问题，其对电网运行的安全可靠 性和经济性有着重大影响。目前，我国10kv配电网中性点接地方式分为以下 三类：中性点不接地、经消弧线圈接地和经电阻接地，其中消弧线圈接地和小电 阻接地这两种方式又应用最广泛。不同的接地方式都有着各自的优缺点，需要根 据不同地区的电网线路特点与容量大小选用不同的接地方式。由于在配电网运行 过程中发生的故障多为短路故障，且单相接地故障居多，因此本章将详细分析和 推导这三种不同中性点接地方式在发生单相接地故障时的运行特性，以便更好地

19、 了解并采用不同的接地方式应用于不同性质的配电网，为实际配电网接地方式的 选择及短路故障的断电保护提供理论依据。2. 1中性点不接地配电网单相短路接地电流计算及分析2.1.1稳态电流计算及分析屮性点不接地系统是最简单的电网接地方式，其中性点上不需要加装任何设 备，没有任何电气连接，与大地绝缘，这种接地方式常见于农村10kv架空线为 主的辐射形或树状形的供电网络。如图2所示的简化网络接线中，电源的中性 点不接地，由于实际配电网输电线路的电阻率很小和单位长度的电感也很小，同 时输电线路对地绝缘电阻又很大，因此在分析单相短路稳态接地电流时均可忽略 不计。即去掉了输电线路4个参数中的3个，只有对地电容

20、c。图2.1屮性点不接地系统单相接地示意图在假定线路参数和电源对称的情况下，母线上的每回出线的三相都有相同的 对地电容，如图2.1所示，分别为c2. g ,其中c；为电源母线的对地电 容，则每相线路的对地总电容为ig+c2+g(2.1)系统三相线路的对地总电容则为3 g。将上图简化以后得到如图2.2所示的单相 接地短路稳态等效电路，其屮&表示短路时的总过渡电阻，它为接地电流沿途的 总电阻值，包括导线的电阻，大地的电阻以及故障点的接触电阻。覚、心、4 分别对应电源的三相电势，o为电源的中性点。图2.2屮性点不接地系统单相接地稳态等效电路针对上图，以大地作为电压参考零点，rh电路理论中的结

21、点电压法f有 (f + jwc、+ j(oct + j(o( )uo = -(-j- + jcdce - j(acleh - /<ocj£c(2.2)% %又因三相电压源对称，则有盼盼以"(2.3)联立式(2.2)和式(2.3),解得(2.4)根据欧姆定律乂冇(2.5)进一步解得-左丿叫1 十 j3a)r£$=u0j3(ocz(2.6)为了进一步理解单相短路时的电压及电流分布特点，我们对系统电压和电流 作相量分析。三相电力系统正常运行时为三相对称供电，当负荷及线路阻抗也三 相对称时，各线路的对地电容相等(均设为c),其各相对地电压也是对称的，中性 点对地电压

22、为零，不存在电网零序电压。各相电容电流大小相等且分别超前各相 电压90° ，三相电容电流之和等于零。其相量分析图如图2.3所示。所以在正 常运行时屮性点不接地系统与屮性点接地系统效果是一样的。图2.3正常运行时的屯容电流相量图图2.4 a相短路时的相量图但是当出现单相短路故障时电容电流和电压就会发生变化。假设a相发生单 相金属性接地短路（即=0时），在接地点k处a相对地电压为零，对地电容被短 接，此时a相电容电流为零，而其他两相的对地电压升高到原来的倍，对地电容 电流也相应增大到倍，相量关系如图2.4所示。由于线电圧仍然三相对称，因此 对三相负荷的供电儿乎没有影响。下面只分析对地关系

23、的变化。忽略负载电流和 电容电流在线路阻抗上产生的压降，在a相发生金属性接地短路（即& =0时） 以后，在故障点k处各相对地的稳态电压为(2.9)针対此时的三相不平衡电压，根据対称分量法的原理，由式（2.9河知系统零序 电压为0=（5 心"4土（2 10）假设单相线路对地总电容都相等，均为c,则在非故障相中产生的电容电流为人=就（加笛岛必西仃(2.11)(2.12)ic = uck ） = 4ea（ocze 11因为全系统a相对地的电压均等于零，故a相对地的电容电流即短路时的接地电流是正常运行时的单相电容电流的3倍。综上可知：当母线上的分支线路1的a相发生单相金属性短路时，同

24、一母线的 电网系统均会出现零序电压，其大小为正常相电压的大小,相位与相反。非故 障相对地电压变为正常时的倍，因此非故障相对地电容电流也变为正常时的 朽 倍。当母线上有多条岀线时，根据以上分析可知，在非故障分支线路2的始 端所反映的零序电流为3龙=ia1 + ib2 + zr2 = b2 + zc2 =在故障分支线路1的始端所反映的零序电流为3：=厶 +/剧 + 厶=(i 肮 +，c2 +'f3 + 'c3)* 3£”(0(?£ cje(2.13)(2.14)图2.5单相接地短路时零序电流的分布图线路2线路1根据上述分析结果，可以做出单相接地时的零序电流等效网

25、络。如图2.5所示, 在接地点有一个零序电压"：，其零序电流的回路是通过各个元件的对地电容构 成通路的，其相量关系则如图2.6所示,这与直接接地电网是完全不同的。片一0图2.6单相接地短路时的零序电流向量图总结以上分析的结果，可以得出中性点不接地系统发生单相接地后零序分量 分布有如下特点：(1) 零序网络由同级电圧网络中的元件对地的等值电容构成通路，与中性点直 接接地系统由接地的中性点构成通路有极大的不同，网络的零序阻抗很大。(2) 在发生单相金属性接地时，相当于在故障点产生了一个其值与故障相故障 前相电压大小相等，方向相反的零序电压，从而全系统都将出现零序电压。(3) 在非故障相元

26、件屮流过的零序电流，其数值等于本身的对地电容电流；电 容性无功功率的实际方向为由母线流向分支线。(4) 在故障相元件中流过的零序电流，其数值为全系统非故障相元件对地电容 电流之总和，电容性无功功率的实际方向为由分支线路流向母线。综上可知,中性点不接地系统发生单相接地故障时，三相系统的线电压不变， 三相用电设备工作不会受到很大影响。虽然非故障相电压升高至石 倍，会对设 备绝缘提出更高要求，但在架空线路，尤其是忽略线路对地电容影响时，故障点 电流小，能够自动熄灭接地电弧的情况下，电网可允许带故障继续供电一段时间 (小于2小时)，因此供电可靠性比较高。但为了防止出现非故障相在绝缘状况变 差的情况下，

27、进一步发展成为两相或三相短路的更严重故障，应该设法避免单相 接地方式下的长期运行。由于流经故障点的电流为所有非故障线路电容性电流的 总和，且当电网进行扩容时此电流值还会增加。当接地电流大于10a而小于30a 时，有可能产生不稳定的间歇电弧，且在中性点不接地的电网屮出现间歇电弧的 概率是很大，从而导致接地点灭弧困难，系统也可能因此出现弧光过电压，应该 设法避免。此外，还有间歇性电弧、线路谐振等问题，都是应该考虑的。2.1.2暂态电流计算及分析以上所分析的都是系统发生单相短路后的稳态情况，但是实际情况中，系统 发生短路时是有一个过渡过程的。以下着重分析短路时的暂态过程。当电力系统 中发生单相接地后

28、，故障相对地电压降低，非故障相对地电压升高，因此可以将 暂态电容电流看成是如下两个电流之和。(1) 由于故障相电压突然降低而引起的故障相放电电容电流，它通过母线流向 故障点，放电电流衰减得很快，其振荡频率高达数千赫兹，振荡频率主要决定于 电网中的线路参数，故障点的位置以及过渡电阻的数值。(2) 由非故障相相电压突然升高而引起的非故障相充电电容电流，它通过电 源、故障点成回路。由于整个流通回路的电感较大，因此，充电电流衰减较慢， 振荡频率也较低，仅为几百赫兹。在过渡过程中，由于输电线路的自身的电阻与 电感对短路电流的性质和大小影响较大，所示此时应将线路电阻与电感置于电路 图内。即短路时的等效电路

29、如图2.7所示。c.图2.7考虑输电线路白阻抗的不接地系统单相短路等效暂态电路r° l<drq lq ct®<4lq i |i11® （宫心图2.8不接地系统单相短路等效诺顿电路利用诺顿定理，可将图2.7等效为图2.8o图2.8是三个独立电流源与四条支路 的并联电路。电流源的大小分别为(g + )£,、(£、gero其中g丄'u(叫ft>cv为单相线路的总导纳。假定电源和三相线路参数均对称，则可再将图2.8等效为 图2.9,再进一步等效为图2.10。图2.9不接地系统三相合并后的单相短路等效诺顿电路图2.10不接地系统

30、三相合并后的单相短路等效戴维南电路最后再将图3.10进一步用零序电压表示后的等效电路则如图3.11所示。3c图2.11不接地系统单相短路最终暂态等效电路图3.11中：/«）为发生短路后系统的零序电压，厶为一相线路的自电感，g为 一相线路对地总电容，心为一相线路自电阻。根据上图可知，暂态电容电流实 际上就是一个丄尺、丄人和3（；的串联回路接通零序电压«°（0 = sin（o）/4<p） = sin（df + <p）时的过渡过程电流。由上图不难写出下面的微分方程式(2.15)f = i/街 sin（ti）/ +（/>）,回路电流的33 dt暂态过程具

31、有周期性的振荡及衰减特性；当an2,回路电流的暂态过程根据高等数学中微分方程的求解办法可推知：当rv具有非周期性的振荡衰减特性，并逐渐趙于稳定状态。通常线路的波阻抗为 250-500'q,同时故障点的接地电阻较小，一般都满足r<2严的条件，所以电 容电流具有周期性的振荡及衰减特性。此时特征方程的根为1(2.16)式中：.1 心为自由振荡分量的衰减系数，/为暂态自由振荡分量的角频0 k =1耳2厶率。因为暂态电容电流：是由暂态自由振荡分量匚”和稳态工频分量l两部 分组成，利用匸0时 ,坏厂胆一初始条件，对电容电流支路（二阶电路），经 过拉氏变换等运算后可得“ =/（= 4m（sin

32、<psin v"c0sc0sv）e +/“c0s（m+e） （2.17）式中，/（艾为电容电流的幅值。理论分析表明，暂态电容电流的幅值较大，但暂态电容电流自由振荡频率一般为 300-3000hz,且衰减很快，一般持续0.51个工频周期。当故障发生在电压峰值 n（厂3）接地时，暂态电容电流的自由振荡分量匕“的振幅将有最大值，反之当 故障相在冬值（卩=0）接地时，暂态电容电流的自由振荡分量：“的振幅将有 最小值，且线路越长，自由振荡频率越低，暂态电容电流的自由振荡分量的幅值 也越低。代入实际数据后，式（3.的电容电流就是一个时间t的函数。电容电 流的大小随时间t的变化而变化。电容电

33、流波形大致如图3.12所示。(带格式的：字体：times new roman图2.12单相短路故障暂态电容电流波形示意图2. 1.3 matlab仿真结果与分析matlab提供的simulink是个功能比较齐全的软件包，其主要是用来对 动态系统进行建模、仿真和分析的。支持线性和非线性系统，在连续时间域和离 散时间域或者混合时间域里都能够进行建模。simulink环境下的电力系统 psb(power system block)工具箱里面含有丰富的电力系统元件模型，包括电 源、电机、电力电子、控制和测暈以及三相元件库等，再借助于其他模块库或工 具箱提供的基本模块和扩展模块来进行系统仿真。在simu

34、link环境下，可 以进行电力系统的仿真，尤其可以实现复杂的控制方法仿真。实际电力系统 中的10kv配电网有着复杂的连线与结构，10kv母线上有很多回分支线路。各 条分支线路上也会带有不同的负载。在不影响分析结果的情况下，在建立配电网 短路故障matlab仿真模型时，可以简化网络。t=j 1tvce图2.12不接地系统单相短路故障仿貞模里如图2.12所示，系统仿真参数设置如下:系统电源为llokv三相电源，经过 一个110/10kv的y/a接线电力变压器后，系统母线上电压降为10kv。根据某 变电站10kv输电线路的实际线路参数计算对得:单相线路总等效自电阻 r（）=374q、总等效自电感l（

35、）=5.685mh、总等效对地电容。根据电力电缆的参 数正序参数为：ri=0.031q/kml】二0.096mh/km , c=0.338|j7km零序参数为：r（）=0.234q/kml（）=0.355 mh/km, co=o.265f7 km可计算得出所有线路总长约为16公里，设下端线路1总长为11公里,上端线 路2设为5公里。分別经过三相电压电流测量模块后，在线路的末端带上负荷。 在下端线路1的中间设置短路模块，在短路模块之前测量短路接地电流和电压。 仿真结果如下几图所示。图2.14单相短路接地电流波形图2.15单相短路故障线路零序电流波形由图3.14可知，短路点接地电流稳态峰值约为32

36、a,分别代入式(3.8),解得 的数据也约为32a,与仿真结果基本相等。对比图3.14和图3.15的波形可知，短 路点接地电流与故障线路零序电流不完全相等，短路电流大于故障线路零序电 流。在短路开始的前两个工频周期内，短路电流有明显的振荡，振荡频率非常高。图2.16母线零序电压和故障相电压图2.17单相短路母线三相电斥波形由图3.16可以清晰地看出母线零序电压正好与故障前的a相（故障相）电压大 小相等，峰值约为8100v,相位相反。图3.17则说明发生短路后，故障相电压电压 变为零，另外两相电压升高到原来的、3倍。以上仿真结杲均与前血的理论分析吻 合。2. 2消弧线圈接地配电网单相短路接地电流

37、计算及分析2.2.1稳态电流计算及分析根据屮性点不接地系统发生单相接地故障时的分析可知，当屮性点不接地系 统中发生单相接地时，在接地点要流过全系统的対地电容电流。如果此电流比较 尢就会在接地点燃起电弧，引起弧光过电压,从而使非故障相的对地电压进一步 升高，使绝缘损坏，形成两点或多点接地短路，造成停电事故。由于目前配电网中 电缆的广泛使用，以及电力系统的扩容,使线路的电容电流不断增大，在中性点不 接地系统中，若发生单相接地故障，流过接地点电流也将随之增大。当接地电流 在10a至30a左右时，有可能产生不稳定的间歇电弧。当接地电流较大（30a 以上时），则将产生稳定的电弧，形成持续性的电弧接地。因

38、此需要减小接地电 流，一般可以采用中性点经消弧线圈接地方式，因为消弧线圈是一种补偿装置, 故通常又称之为补偿系统,经消弧线圈接地的电力系统，也可称为谐振接地系统, 其单相接地示意图如图3.18所示。'i图2.18消弧线圈接地系统单相接地示意图-与不接地系统分析的原理一样，在假定线路参数和电源对称的情况下并去掉可 以忽略的线路其它参数外，同样可得简化的稳态等效电路如下lt1图2.19消弧线圈接地系统单相短路稳态等效电路同样的道理，针对上图，根据电路理论屮结点电压法冇丄讣 + j(dcl += -(£ + j(ocr)ea - jcoc品r - ja>ctec沁rg%(2.

39、18)乂因三相电压源对称有(2.19)联立式(3.19)和式(3.20),可解得(jco -d1对于发生短路的支路，根据欧姆定律又可得接地电流(2.20)(2.21)+ 丿 3ft)q)+ j33r*c"3叫)(2.22)进一步解得以上五式中,l为消弧线圈的电感值，其余各项均与上一节表示的一样。从式(3.20)和式(3.中，可以看出短路接地电流乙为系统零序电压分别在消 弧线圈与对地总电容上的电流之和。零序电压“莎口短路电流 人同样均与过渡电 阻/?,、消弧线圈的电感l、输电线路对地的总电龟、有关，同时也与三相输 电系统的电源电压成正比。当过渡电阻 心越小，则系统零序电压越大。对式(3

40、.21) 取人趋于零的极值，则有(2.23)即系统发生金属性接地短路，此时系统的零序电压达到最人值-耳(3.23)取/趋于零的极值,则有1j3a)cl)弘° 八耳1 r d n jsl即系统发生金属性接地短路，此时系统的短路接地电流达到最大值同理对式(2.24)(2.25)式(3.25)屮：人为消弧线圈上流过的电流，厶为电网单相接地时的三相总电 容电流，即短路电流乙为经过消弧线圈的感性电流与输电线路对地的总电容电 流的叠加。显然，由于消弧线圈产生的电感电流对电容电流产生了补偿作用，相 接地电流将大大降低，相接地电弧将不能维持,在接地电流过零时自动媳灭，不致 引起高幅值的电弧接地过电压

41、。对于稳定性单相接地故障，由于流过故障点和电 流仅是补偿后的残余电流，从而减轻了由其引起的热效应对电气设备的危害，少 了故障点的对地电压，并在熄弧和防止重燃方面发挥了有利作用，降低了高幅值 过电压出现的概率。因此电网仍可以带故障运行一段时间，不必立即切除故障线 路。特别是当电感与电容构成串联谐振时，即花"aq时，此时短路电流将变 为零，实现了消弧线圈对电容电流的完全补偿。从式（2.20）和式（2.22）中我 们可以发现，消弧线圈两端电压即为系统零序电压，消弧线圈上流过的电流为感 性电流，此电流不通过非故障线路，只经过故障线路。当单相接地时的过渡电阻消弧线圈上流过的电流为感性电流，电流

42、不通过非 故障线路，经过故障线路。当单相接地时的过渡电阻©从0变为oo时，系统零 序电压则从变为0,其零序电压最大值出现在/?r=0l即发生金属性接地短 路时。通过调节消弧线圈参数，可以调节感性电流的大小，现补偿非故障相产生 的容性电流，弧线圈一般有全补偿、欠补偿和过补偿三种方式。（1）完全补偿就是使厶=入接地点的电流近似为0。（2）欠补偿就是使4<zc,补偿后的接地电流仍然是电容性的。（3）过补偿就是使4>/c，补偿后的残余电流是电感性的。采用这种方式可 以消除串联谐振过电压的问题，因此，在实际屮获得了广泛的应用。厶大于i 的程度用过补偿p来表示，其关系为实际运行中，一

43、般选择过补偿度p=5%10%。同样的道理，采用相量法分析后，可以得出其电容电流的分布，如图2.20所示。图2.20消弧线圈接地系统单相短路时零序电容电流的分布总结以上分析结果，可以得出如下结论：(1) 当采用完全补偿时，流经故障线路和非故障线路的零序电流都是本身的电容电流， 电容性无功功率的实际方向都是止1母线流向分支线路，因此，在这种悄况下，也就无法利用 稳态零序电流的大小和功率方向來判断哪一条线路上发生了故障。(2) 当采用过补偿方式时，流经故障线路的零序电流是流过消狐线圈的零序电流与非故 障相元件零序电流z差，电容性无功功率的实际方向仍然是由母线流向线路，和非故障线路 的方向一样。因此，

44、在这种情况下，也无法利用功率方向的差别来差别故障线路，其次由于 过补偿度不人，也就不能用零序电流人小的不同來找出故障线路。2. 2. 2暂态电流计算及分析与中性点不接地系统相比，中性点经消弧线圈接地后，系统的单相短路电路图 发生了变化，此时在系统的中性点接入了一条支路，所以在发生单相短路后的等 效暂态电路图也会发生变化。由于经消弧线圈接地时，消弧线圈上是存在一定的 电阻的，这一电阻大小是由工艺决定的，同时也是中性点支路的泄放电阻。消弧 线圈接地时，一般都有3、险 两者串联于中性点支路。与上一节的原理一样, 推导出的中性点经消弧线圈接地系统的最终等效暂态电路如图2.21所示。图2.21消弧线圈接

45、地系统单相短路最终暂态等效电路上图屮，心为屮性点支路电阻（消弧线圈的电阻），l为消弧线圈的电感值, 其他各项均与上一节相同。根据上图，可知中性点支路与电容电流支路并联于系统零序电压的两端。因 此中性点支路与电容电流支路是两个独立的分支线路，因此两者可独立计算。针 対中性点支路，可以写出如下微分方程dj(2.27)r'n 十 l «17. sin伽 + (p) dl式中：u严近5 为零序电压幅值，巾为零序电压在接地瞬间的相角。因为在 补偿电流的工作范围内，消弧线圈的磁化曲线应保存线性，即线圈的电流不能突 变，故有/；（0.） = |（0 ） = 0,利阴这一初始条件，可求得&q

46、uot;八挣r, + 许sin（血计0（228）式中：其中|z|= j用+（町为中性点支路的阻抗，§= arctan为补偿电流 的相角，-二吕 为中性点支路的时间常数。"因为中性点经消弧线圈接地时的系统有mar、.，故丨z丨71/2,所 以此时暂态中性点支路电流（电感电流）可进一步简化为/、w l =/gcos以"cos（a>t（p）（2.29）式屮，a. - 0由式（3.30河知，消弧线圈上的电感电流是由暂态的直流分量和a）l稳态的交流分量组成的,其幅值与接地瞬间电源电压的相角v有关。当屮=0时， 其值最大，当屮=兀/2时，其值最小。暂态电感电流的直流分量

47、一般25个周波 衰减完毕。由暂态等效电路图可知，暂态接地电流由暂态电容电流和暂态电感电流叠加 而成。在暂态过程的初始阶段，暂态接地电流的特性主要由暂态电容电流所确定。 为了平衡暂态电感电流中的直流分量，于是在暂态接地电流屮便产生了与之大小 相等，方向相反的直流分量，它虽然不会改变接地电流首半波的极性，但对幅值 却能带来明显的影响。联立式(2.17)和式(2.29)可得消弧线圈接地系统单相接 地短路时的暂态接地电流l =艸仏)吨+0+心"(普血渝皿-0呼叫 " ok®(2.30)式(2.30)中的第一项为接地电流的的稳态分暈，它等于稳态电容电流与稳态电 感电流的z差

48、，其余为接地电流的暂态分暈，即接地电流的暂态分暈为0), z *(sin 0 sine/-cos 0(:(«3/)+厶,"cosy (231)0)式(2.31)说明，接地电流的暂态分量等于电容电流的暂态口市振荡分量与电感 的暂态宜流分量之和。两者的幅值不仅不能相互抵消,甚至还可能彼此叠加，使暂 态接地电流的幅值明显增大。综上可知,消弧线圈接地系统当单相接地故障发生后，在故障点有衰减很快的 暂态电容电流，还含有衰减较慢的暂态电感电流流过。暂态电容电流的幅值虽然 很大，但持续时间很短，约为0.51个工频周波。暂态电感电流中的直流分量的初 始值与初始相角、铁芯的饱和程度有关，持续

49、时间一般为25个工频周波。为了 平衡该直流分量,接地电流屮也伴随产生大小相等、方向相反的直流分量。2.2.3 matlab仿真结果与分析由于屮性点经消弧线圈接地的与不接地系统在电路结构上存在不同之处。与小性 点不接地系统相比，中性点经消弧线圈接地的仿真模型中多了一个接地变压器, 此时需要在系统母线上加上接地变压器，以连接消弧线圈与大地。根据前面的分 析可知，中性点经消弧线圈接地时，消弧线圈并不是一个纯感性的线圈，而是有一 定电阻值，所示在建立仿真模型时也要加上一个电阻。建立后的系统仿真模型如 图2.22所亦oms图2.22消弧线圈接地系统单相短路故障仿真模型图2.22中，消弧线圈的电感值取0.

50、8ih,过补偿运行模式。其他参数均与上 一节相同。仿真结果如下所示。图2.23債相短路接地电流波形图2.24故障线路零序电流波形图2.23清晰表明消弧线圈接地系统，在单相接地短路的前两个工频周期内， 短路电流同样也有明显的高频振荡现彖，当短路电流接近稳定时，稳态接地电流 峰值已大约降到3a,很好地实现了对电容电流的补偿。此时线路零序电流峰值 约为 10a。将 l二0.81h、c 二4.26585咸、3=314、罟 逅v分别依 次代入式（2.24）,解得的值也为3a,即理论结果与仿真结果也薩本相等。图2.25故障线路零序电压与故障相电压图2.26母线三相电压波形图2.27金属性单相短路时消弧线圈

51、电流由图2.27可知，过补偿时，单相接地短路时消弧线圈上的稳态电流约为20a, 同理将已知数据代入式（2.28）,并求得稳定后的值约为22a。对比两者，可知 仿真结果同样与理论分析结果基本相符。2. 3电阻接地配电网单相短路接地电流计算及分析丄 二二:二 二2. 3. 1稳态电流计算及分析醪式的：缩进：首行缩逬小根据中性点接地电阻电阻值的不同，可以将中性点经电阻接地方式分为高电 阻、中电阻和低电阻接地二种情况，这匚种方式徐国内外电网中都有应用。不同 阻值的选定，对应不同的取値原则，其主要出发点是考虑限制间歇电弧接地过电 压、限制单相接地电流和减小通信干扰等方血。中性点经电阻接地后，可以属于冇效接地系统，也可以属于非冇效接地系统,具体情况需视电阻的数值而定。对于中压电网來说，中性点经电阻接地的】初出发点，上耍是为了限制电弧接地过电压。在小电流接地系统的继电保护选择性获 得解决z前，也曾借此來实现故障线路的自动跳闹。目前，我国城市配电网屮的 屮性点经电阻接地系统，主要采用屮性点经小电阻接地方式。屮性点经小电阻接地系统的主要优点是可以抑制电弧接地时的过电压。屮性点经电阻接地系统发牛.单相接地短路故障的示意图如图.2.28所示。h带格式的：字体：times new roman:带格式的：居中图.2.28电阻接地系统单相短路示虑图.xx;带格式的：字体：times new roman带