《基于MATLAB的10kV小电流接地系统中单相接地故障仿真研究》6500字（论文）

基于MATLAB的10kV小电流接地系统中单相接地故障仿真研究摘要目前，我国电网系统的末端主要采用10kv的配网电力网络，作为联结客户与电力网系统之间的纽带，它首要的作用就是根据电力用户的负荷要求来对电能进行合理的供给与分配。基于此，保证10kv配网电力系统的运行安全性与可靠性就变得十分必要，但是由于现场环境复杂，电力试验所需场所的特殊性以及完成一次现场试验所耗费的人力物力过于庞大，所以实践中我们一般采取MATLAB软件建立一个仿真模拟图形来对事故后的各显著变化的特征量进行对比与分析。关键字：一相接地仿真分析零序参数目录11266一、绪论 1144261.1研究的目的及意义 1258651.2研究的背景 18391.3研究的主要内容。 212128二、理论分析 2316222.1接线方式 2140612.2故障分析 212705三、关于仿真软件matlab的介绍。 2218883.1仿真软件介绍 276483.2仿真模型图搭建 36389四、故障的仿真与分析 767904.1正常运行时的波形 7120504.2线路3首端发生单相接地短路事故的波形图。 842624.3线路3中间发生短路事故时的波形变化。 1234484.4线路3末端发生短路故障时的波形变化。 15298964.5故障现象总结 197732五、总结 1922986参考文献 20一、绪论1.1研究的目的及意义20世纪以来，我国的电力网络体系迎来了快速发展的大时代，伴着民众对电力能源的需求日益提高，对生活环境的日益重视，我国的电力发展已经逐步转向清洁能源，大力发展绿色电力，北京冬奥会上，我们的所有比赛场馆和比赛地点全部覆盖了百分百绿色电力供给。但随之而来的便是对电力系统更大的挑战，例如光伏电力，风力发电，水力发电此类，大都会受到天气变化的影响，这就会导致电力系统的稳定性与可靠性变得难以把握。而10kv配电网络系统作为电力网络的末端，联接客户与电力网的结点，它的可靠与稳定就变得尤为要紧，我国目前来说的10kv配网电力网一般均采取经消弧线圈接地网络，这种系统类型大幅度提高了电力系统的稳定性与可靠性，在发生短路事故的时候，可以有效的限制短路电流并且防止一相接地短路故障进而发展为更为严重的相间故障。从而可以使得在发生故障时仍然可以保护电力系统中的电力设备，甚至可以带故障运行来保证用户的正常供电，而一相接地故障作为电力系统中最常见、发生次数最多、最基础的故障类型，利用MATLAB来研究小电流接地系统的单相接地故障是很有必要的。1.2研究的背景实际上，世界上的所有国家采用的应对10kV配电网络的一相接地事故的措施不尽相同，在俄罗斯，中性点经消弧线圈接地的网络应用的很广泛，一般用群体对比幅值与相位来选择；美国的大部分电网基本均为大电流的接地网络，中性点设置一般为直接接地或者低电阻接地，这种情况下故障很容易被检查到，能够迅速选中故障线。而中性点经消弧线圈的这种接地方式首先出现在德国，沿用至今，一直都属于优先地位。但是不同国家的电力网均存在着或大或小的差异，这就导致了每个国家的小电流网络系统的保护方式也存在着差异，随着科学技术的进步，世界上的诸多研究性组织尝试着将人工神经网纳入选线功能的计划中，至今已经卓有成效。在我国电网的系统运行方式中，配网网络中大部分采用小电流接地的形式，出于对线路的可靠与稳定方面的要求，所以一般经消弧线圈接地的形式在系统中的适用性更高。在我国电网网络发展态势低下的情况下，我国电网公司不断加大投资，使得我们国家的一相接地事故得到了长足的重视。对于电网发生故障的情况下，如何准确判断故障的类型，找到发生故障的线路及其位置就成为了我国电网可靠性研究的重中之重。基于此，我国先后采用了零序电流保护与零序无功方向保护来获取故障处的异常信息，再后来，依托微型计算机的发展与普及，我国开始启用微型计算机来精确计算各个电气特征量的变化情况，来更加准确的选线，这就是我们所熟知的微机选线装置，它所利用的仍然是系统中零序参数特征量的变化。但是直至目前，我们的故障选线装置的精度仍然存在很多问题，例如选线系统无法满足现在电网的多样化发展趋势，对于一些偏远地区的电力网络信息传递的不便，一些外界因素导致的故障重复出现，使得选线的发展前景仍然可观，而我们目前所做的基于MATLAB的小电流接地系统中单相接地故障的仿真与分析，就是用来观察故障情况下电网中的各个异常电气量的变化情况，基于仿真的故障点的选取，来对比不同地点发生故障的所有不同点，进而选出一个能够在故障时表现出明显变化的特定量来作为观测对象，从而为之后的选线做奠定基础。1.3研究的主要内容。1、首先对故障进行分析与研究，了解在10kv小电流接地配网系统中发生一相接地故障后的变化，以及异常电气量有哪些。

2、利用Matlab里面的仿真系统中建立一个简单的10kv小电流接地配网系统，通过对故障模块的设置来模拟故障情况的发生，观察异常电气量的具体变化情况。

3、利用MATLAB中的示波器模块更简洁明了的通过波形的对比来观察故障前后的变化，对我们建立的仿真系统的参数进行调整，来达到最切合实际的仿真效果。

4、对故障发生前的情况与故障发生后的情况进行比较分析，同时调整故障发生的位置，同步进行对比，得出故障发生在不同地点的不同电气量变化的结果

5、通过对仿真结果的对比与分析，得出故障情况与正常情况下的变化状况，为之后的选线工作做准备。二、理论分析2.1接线方式大电流式的有效接地：一般有直接接地以及经小电阻接地、小阻抗接地、低电感接地。这种情况的接地方式在发生一相接地事故的时候，事故相的电流将增大很多，数值大小最大可以达到三相事故时候的短路电流。这种状况就要求我们的电力设施有着很高的强度与稳定性，才能让我们的电网网络更为稳定，保护更为可靠。小电流式的非有效接地：一般有着经消弧线圈接地，大电阻、大电感、大阻抗接地以及不接地这几种情况，这几种状况下发生一相接地短路事故时，事故相的短路电流不会很大，但是未发生事故的两相的相间电压会升高为之前的线电压。2.2故障分析一相接地短路事故是10kV小电流接地网络中最常出现的事故类型，同时也是危害最小的事故，一般会在湿气重的天气下，线路可能发生断线后落在地面形成接地、可能经过高于线路的树枝接地形成回路。这种事故虽然危害较小，但是如果没有及时的得到处理，那么就会导致线路的两相之间电压增大，可能发生击穿，使得事故更为严重。当接地事故出现后，配电网中的发生事故的那相对地电压会降低，其余相的相电压会升高，故障点处会出现数倍的短路电流，甚至于会出现电弧击穿的情况。但由于消弧线圈的存在，它可以起到限制短路电流，熄灭短路电弧的作用。这就使得电力系统的稳定性大大提高，虽然相电压会升高为之前的1.73倍，但线电压依旧呈现对称，所以基本可以保证带故障运行一段时间，这段宝贵的时间就可以让运行检修人员有足够的时间去寻找故障点与故障原因，但如果带故障运行时间过长，那将可能会导致两相之间发生击穿，使得事故范围以及影响加大，所以在故障发生时及时修复及时补缺是电网运行中显得至关重要。三、关于仿真软件matlab的介绍。3.1仿真软件介绍MATLAB是一个运用在计算，程序设计与交互，工业设计专业等多方面的模拟仿真软件，它把诸多程序设计，学术计算，仿真模拟，线性变化动态系统等都集成到一个界面中，simulink界面是一个建模与仿真模拟的专用界面，我们只需要找到所需要的诸多模块并将其按正确的方式相连接，构成我们需要的模型。建立仿真模型的步骤一般分为三步（1）建立模型窗口并将其保存为后缀为.mdl的模型文件。（2）将模块从模块库中复制到模型窗口中，通过模型之间的连接，将其构成一个电路模型。（3）对各个模型进行参数的合理设定，完成后即可进行仿真与分析。3.2仿真模型图搭建1、首先在MATLAB软件中打开simulink仿真扩展界面，打开librarybrowser界面，找出我们仿真所需要的所有模块。图1.1librarybrowser界面2、将所需模块连接起来，形成我们需要的仿真模型图。图1.2仿真图3、对各模块参数进行设置。图1.3From模块参数图1.4测量模块参数图1.5电源模块参数图1.6负荷模块参数图1.7故障模块参数图1.8测量模块参数图1.9累加器模块参数图2.0线路模块参数图2.1消弧线圈模块参数图2.2线性代数模块参数4、通过对参数的调试，观察示波器波形来得出仿真结果。四、故障的仿真与分析4.1正常运行时的波形图2.3各支路零序电流参数波形图2.4三相电压电流波形图2.5零序电压参数波形正常状态下的波形图如上三图所示，根据波形图，我们可得知，在线路正常运行的过程中，线路的电压与电流均保持着三相对称，并且线路中存在着零序电流参数，数值极小约为1.05×10∧－10，所以一般情况下我们可以将它忽略不计。正是由于零序分量的这种特性，所以我们可以将它作为系统发生事故时的特征量来看，同时也可作为判断系统事故发生位置的依据。4.2线路3首端发生单相接地短路事故的波形图。1、参数设置。故障设置状况见下图图2.6故障参数支路三参数设置如下：图2.7消弧线圈模块参数图2.8线性代数模块参数将支路3-1长度数值设置为1km，支路3-2长度设置为150km。用来模拟首端发生事故的状况。2、线路3前端发生短路事故时的波形状况与特征量变化。图2.9各支路零序参数波形图3.0电压零序参数波形图3.1三相电压电流波形前端发生事故状态下的波形图如上三图所示，根据波形图，我们可得知，故障设置为支路3发生一相接地短路事故，故障发生在0.04秒后。在支路3发生一相接地事故时，各支路在0.04秒时开始出现零序电流特征量，稳定后其数值大小约为10A左右，支路3稳定后其数值大小约为13A，零序电压参数也同时出现，数值大小约为2×10∧4，并且从波形图中可看出支路三的零序电流特征量出现骤增，由于我们所仿真的系统为经消弧线圈接地的小电流接地系统，经过消弧线圈的限制状况，支路三的零序电流参数出现被限制的情况，大小逐渐由20A削弱为10A。而三相电压波形基本未发生变化，支路三依旧保持着三相对称，这就使得线路依旧可以带事故状况运行一段时间。但事故相的相电流在0.04秒后降为0A。众多参数中零序特征量参数变化最为明显，可作为特征量来判断哪一相为事故相。图3.2接地电流波形图3.3接地电流幅值与相位前端发生事故状态下的接地电流波形图如上两图所示，根据波形图可得知，故障相的接地电流在事故发生后瞬间增大到50A左右，但由于消弧线圈的制衡作用，使得接地电流逐步减小到5A左右。将接地电流的幅值与相位细分开后，其中接地电流的幅值也出现同样的变化，数值大小由6A减小为1A左右。相位由-90°变为-30°左右，这是因为正常不接地系统的短路电流应该为容性电流，但消弧线圈作用下，中和了部分容性。4.3线路3中间发生短路事故时的波形变化。1、参数设置。故障设置不变图3.4故障参数支路三参数设置如下：图3.5消弧线圈模块参数图3.6线性代数模块参数将线路3与线路4的长度改为75.5Km，用来模拟线路中间发生事故的状况，仿真后查看波形。2、线路3中间发生短路事故时的波形状况与特征量变化。图3.7各支路零序参数波形图3.8支路3零序电压参数波形图3.9三相电压电流波形线路中间发生事故状态下的波形图如上三图所示，根据波形图，我们可得知，首先我们可以看出各支路的零序电流特征量对比于首端短路下的事故状况中得出的数据整体数值变小，支路1降但约7A，支路2降低到约9A，但支路3降低到约10A。规律依旧不变，事故支路特征量从30A的峰值降为10A，得益于消弧线圈的制衡作用。零序电压特征量幅值相较于首端事故数据出现了降低约为1.9×10∧4，根据三相电压电流图可以得出，线电压之间依旧保持着三相对称，数值为10kV。并且A、B两相的电流出现了降低，C相上出现了一定的电流，约为0.3×10∧4。图4.0接地电流波形图4.1接地电流幅值与相位线路中间发生事故状态下的接地电流波形图如上两图所示，根据波形图可得知，故障相的接地电流在事故发生后瞬间增大到40A左右，相比于首端故障情况下数值大大降低，依旧是由于消弧线圈的制衡作用，线路接地电流逐步减小到3A左右。将接地电流的幅值与相位进行细分后，其中接地电流的幅值也出现同样的变化，数值大小由4A减小为1A左右。相位由-90°变为-45°左右，状况与首端类似，但是相位角大小较首端事故情况增大。4.4线路3末端发生短路故障时的波形变化。参数设置。故障设置不变图4.2故障参数支路三参数设置如下：图4.3消弧线圈模块参数图4.4线性代数模块参数将支路3-1长度数值设置为150km，支路3-2长度设置为1km。用来模拟末端发生事故的状况。2、线路3末端发生短路事故时的波形状况与特征量变化。图4.5各支路零序参数波形图4.6零序电压参数波形图4.7三相电压电流波形线路末端发生事故状态下的各参数波形图如上三图所示，根据波形图，我们可得知，各支路的零序电流参数特征量相较于中间事故状况时数值进一步降低，其中支路1降低到约为5A，支路2约降低到7A，支路3降低到约8A，与之前我们观察到的规律相同，事故支路零序电流特征量从20A逐步降低到8A。零序电压参数也再次降低，此次故障后降低到约为1.5×10∧4，根据事故支路三相的电压电流图可得，电压依旧保持对称，数值为10kV，但A、B相的电流继续降低，C相电流继续增大，约为0.5×10∧4。图4.8接地电流波形图4.9接地电流幅值与相位线路末端发生事故状态下的接地电流波形图如上两图所示，根据波形图可得知，故障相的接地电流在事故发生后瞬间增大到25A左右，相比于首端故障情况下数值继续增大，依旧是由于消弧线圈的制衡作用，线路接地电流逐步减小到0.7A左右。将接地电流的幅值与相位进行细分后，其中接地电流的幅值也出现同样的变化，数值大小由3.2A减小为0.7A左右。相位由-90°变为-60°左右，状况与中间事故状况类似，但是相位角大小较首端事故情况增大。4.5故障现象总结结合以上仿真结果分析，在10kV的经消弧线圈接地的小电流接地系统中发生一相接地事故时，若需要判断故障是否发生，那么我们只要观察零序电流与电压这两个参数特征量是否出现即可，如果要判断故障发生在哪条支路上时，我们只需要观察各支路的零序电流特征量，故障支路的特征量总是大于其他支路的。若要判断事故发生的大概位置，即可观察接地电流的相角与幅值，总的来说故障点距离线路首端越远，幅值就会越小，容性相角数值会增大，并且这两个特征量中相角数值的变化更为明显。五、总结经过这次仿真实验的结束，我们从中感触良多，从大学以来，我们所接触到的一般都是书本上的内容，对于一些其他实习与课程设计内容也都有同学与老师的帮助，这一次的设计仿真不仅仅是我们第一次自主完成的第一个完整的仿真与报告，更让我们对课本的内容有了更深的理解与拓展。对于10kV的经消弧线圈接地的小电流接地系统来说，保证配电网络的稳定性一直是我们研究的重中之重，所以，我们此次仿真实验就变得很有意义。对于我们目前的生活而言，停电对于社会经济与舆论造成的影响越来越严重，加上我国电力正处于由传统能源状态向新型清洁能源转换的过程中，由于清洁能源的季节性与不确定性，使得电力系统的稳定性越发的难以保证，所以，故障发生的概率也在逐渐增大，所以说，我们能不能防止故障的发生，或者是在故障发生后迅速找到故障支路与故障线路就变得至关重要，这也是我们仿真所需要做到的初衷，对比我们仿真中所找到的事故中变化明显的特征量，来进一步找到事故发生的那一点。同时，经过我们这次仿真的建立，我们对于电力系统中经常用到的仿真软件MATLAB有了更加全面且清晰的认知，通过对simulink界面的运用，对librarybrowser中的各模块的学习，我们进行仿真模拟的能力得到了很大的提高。这对我们以后的工作和下一步的进修都有着很大的帮助。参考文献冯光等.利用电流–电压导数线性度关系的小电流接地系统接地故障选线[J].电网技术2021.45(1):302-311[2]韦莉珊等.基于导纳不对称原理的小电流接地系统选线方案[J].电力自动化设备2020.40(3):162-1[3]李俊.基于Matlab/Simulink的小电流接地系统故障选线的研究[D].华北电力大学(北京),2017.[4]杨沛.配电网小电流接地故障仿真分析研究[D].山东大学,2017.[5]陈景龙,王聪.小电流接地系统单相接地故障分析[J].山东电力技术,2017,44(07):28-32.[6]杨剑平.35kV输电线路单相接地故障选线算法与试验研究[D].哈尔滨工业大学,2016.[7]薛永端,李娟,徐丙垠.中性点经消弧线圈接地系统小电流接地故障暂态等值电路及暂态分析[J].中国电机工程学报,2015,35(22):5703-5714.[8]李雅靓.小电流接地系统单相接地故障仿真及其特征分析[D].华北电力大学,2015.[9]于正华.10kV电网小电流接地系统单相接地故障选线方法的研究[D].中国矿业大学,2014.[10]王晓伟等.基于暂态零模电流的配电网故障区段定位[J].配电网技术2021.9(3):103-110[11]WeiX,YangD.Anadaptivefaultlineselectionmethodbasedonwaveletpacketcomprehensivesingularvalueforsmallcurrentgroundingsystem[C]//InternationalConferenceonElectricUtilityDeregulationandRestructuringandPowerTechnologies.2015.[12]XiangxiangWei,DechangYang.Anadaptivefaultlineselectionmethodb