小电流接地系统单相接地故障.pdf
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1、 毕 业 设 计(论 文)小电流接地系统单相接地故障 仿真与分析 系 别:机电信息学院:专业名称:电气工程及其自动化 学生姓名:学 号:指导教师姓名、职称:¥完成日期 2011 年 12 月 10 日论文题目:小电流接地系统单相接地故障仿真与分析 专 业:电气工程及其自动化 姓 名:赵 娜 (签 名):指导教师:王清亮 (签 名):摘 要 我国 366kV 中低压配电网大多数采用中性点非有效接地运行方式,俗称小电流接地系统。小电流接地系统的单相接地故障是常见的故障形式,占全网故障的 80%以上。当故障发生时故障相电压为零,非故障相电压上升为线电压,但是三相电压依然对称,系统可以带故障运行 12
2、h,提高了系统运行的可靠性。但是必须尽快找出故障相并排除故障以免事故扩大和设备损坏。由于故障电流微弱、电弧不稳定等原因,小电流接地系统单相接地故障检测比较困难,接地线路的选择一直没有得到很好的解决,严重阻碍了供电可靠性和自动化水平的提高。因此,研究小电流接地系统单相接地故障特征,不仅对配电线路单相接地故障的快速准确定位和线路修复、可靠供电具有直接帮助,而且对整个电力系统的安全稳定和经济运行都具有十分重要的意义。本文首先对电力系统各种中性点接线方式做了简要介绍,分析了小电流接地系统两种不同的中性点接线方式的基本原理及运行特点,并对这些接线方式的运行参数进行了综合比较。在深入分析小电流接地系统单相
3、接地故障时的稳态和暂态电气量的基础上,系统的研究了小电流接地系统单相接地故障的分析方法,总结论述了小电流接地系统正常时,各相电压电流的一些基本现象和基本规律;在发生单相接地故障后,系统电压电流的变化情况和各相对地电容电流及系统零序电压的情况。并且利用 Matlab 仿真软件搭建了小电流接地系统单相接地故障仿真模型,分别对小电流接地系统中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统进行仿真,通过设置统一的线路参数、仿真参数,给出了仿真结果及线路各主要参数的波形图,最后根据仿真结果,得出重要结论及以后注意的问题。关键字:小电流接地系统;单相接地故障;Matlab 仿真 Subject:Simulati
4、on and Analysis of Single Phase Grounding Fault for Small Current Grounded System Specialty:Electrical Engineering and Automation Name :Zhao Na (Signature):Instructor:Wang Qingliang (Signature):Abstract Neutral non-effective grounded system is widely adopted in power distribute networks of 366kV in
5、China,it also called small current grounded system,and the single-phase-to-earth fault happens most frequently in the system,almost 80%of all faults in the system.During occurrence of the fault,the voltage of the grounded phase down to zero and the voltage of the ungrounded phase up to the line volt
6、age is still symmetrical under fault conditions,the system can keep operating for two hours.However the fault line must be detected quickly to avoid more seriously fault and destroying devices.The fault line detection is a difficult problem,especially in the resonance-grounded power system,because t
7、he small fault current and arcing effect etc.so the research of the fault line detection is very necessary and valuable.This article firstly introduces the neutral point connection mode of power system,analyzes the fundamental principle and its function characteristics of the two modes,and compares
8、the parameters of each mode synthetically.This paper analyzes the steady and transient process of the small current grounded power system,especially on the resonance-grounded power system.The paper makes a model of the small current grounded system and simulates it.Furthermore,an unify simulated mod
9、el of indirectly grounded power system is established in this paper,set equal line parameters and simulation parameters with the Simulink package of Matlab.Presents the simulation results and waves of primary parameters.Finally,point out the main problems of the indirectly grounded power system and
10、theirs development orientation in the future.Key words:Small current grounded system;single-phase ground fault;Matlab 目 录 第 1 章 小电流接地系统单相接地故障的概况.错误!未定义书签。本课题的产生背景及研究的意义.错误!未定义书签。接地方式研究现状.错误!未定义书签。国外中性点接地方式的发展概况.错误!未定义书签。国内城乡配电网中性点接地方式的发展概况.错误!未定义书签。论文的主要工作.错误!未定义书签。第 2 章 小电流接地系统单相接地故障过程分析.错误!未定义书签。电
11、力系统各种接线方式.错误!未定义书签。电力系统接线方式的分类.错误!未定义书签。小电流接地方式的主要特点.错误!未定义书签。小电流接地方式对选线的影响.错误!未定义书签。配电网接地方式的发展趋势.错误!未定义书签。小电流接地系统两种接地方式介绍.错误!未定义书签。中性点不接地方式原理综述.错误!未定义书签。中性点不接地方式运行状况分析.错误!未定义书签。中性点不接地方式系统特点.错误!未定义书签。中性点经消弧线圈接地方式.错误!未定义书签。中性点经消弧线圈接地方式运行状况分析.错误!未定义书签。中性点经消弧线圈接地方式系统特点.错误!未定义书签。两种中性点接地方式的综合比较.错误!未定义书签。
12、中性点经高阻接地方式.错误!未定义书签。小电流接地系统单相接地故障稳态分析.错误!未定义书签。小电流接地系统单相接地故障暂态分析.错误!未定义书签。暂态时刻的电容电流.错误!未定义书签。暂态时刻的电感电流.错误!未定义书签。暂态时刻的故障特征.错误!未定义书签。本章小结.错误!未定义书签。第 3 章 小电流接地系统 MATLAB 建模与分析.错误!未定义书签。MATLAB 在电力系统中的应用.错误!未定义书签。MATLAB 简介.错误!未定义书签。SimPowerSystem 介绍.错误!未定义书签。常用元件.错误!未定义书签。系统构建.错误!未定义书签。小电流接地系统仿真模型构建.错误!未定
13、义书签。中性点不接地系统的仿真及计算.错误!未定义书签。中性点经消弧线圈接地系统的仿真及计算.错误!未定义书签。主要研究结论.错误!未定义书签。中性点不接地系统的仿真结果与分析.错误!未定义书签。中性点经消弧线圈接地系统的仿真结果与分析.错误!未定义书签。本章小结.错误!未定义书签。第 4 章 结论和展望.错误!未定义书签。主要研究结论.错误!未定义书签。待解决的问题和展望.错误!未定义书签。参考文献.错误!未定义书签。致 谢.错误!未定义书签。引 言 电力系统是由发电、变电、输电、配电、供电、用电等设备和技术组成的将一次能源转换为电能的统一整体。电能由发电厂发出后,通过各级变电所经高压输电网
14、送到电力用户侧,然后经配电网供给用户。一般来说,110kV 以上电压等级网络属于输电网,666kV电压等级属于配电网。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。电力系统中性点是指星形连接的变压器或发电机的中性点。电力系统中性点是否接地及以何种接地是涉及到绝缘水平、通信干扰、接地保护方式、电压等级、系统接线和系统稳定等多个方面的综合问题。中压配电网通常采用中性点不直接接地方式,其中性点接地方式主要有四种,即中性点不接地方式、中性点经消弧线圈接地方式、中性点经高阻接地方式、中性点经小电阻接地方式。1 我国的 666kV 配电网电力系统多属于小电流接地系统,一般
15、采用中性点不接地或者中性点经消弧线圈接地的工作方式,因其发生接地故障时,流过接地点的电流小,又称中性点非有效接地系统。接地故障是指由于导体与地连接或对地绝缘电阻变的小于规定值而引起的故障。根据电力系统运行部门的故障统计,由于外界因素(如雷击、大风、鸟类等)的影响,配电网单相接地故障是配电网故障中最常见的,发生率最高,占整个电气短路故障的 80%以上。当发生单相接地故障时,由于不能构成低阻抗的短路回路,接地电流很小,故称为小电流接地系统。它的优点在于发生单相接地故障时多数情况下可以自动熄弧并恢复绝缘。当线路发生永久性单相金属接地故障后,三相系统的线电压仍然是对称的,大小与相位并不变化,但系统的接
16、地相对地电容被短接,对地电压都变为零。为防止另一相在接地而引起两相短路甚至三相电路,因而必须限制一定时间内排除单相故障。长期以来,国内外电力领域的专家学者对小电流接地系统单相接地故障问题进行了大量的研究。发生单相接地故障时,以往采用的检测原理大多是基于故障时产生的稳态信号。但是由于稳态信号比较微弱,受外界因素及运行方式影响大,致使在实际的工程应用中难以提取有效地故障信号。而且,配电网络故障复杂多变,如系统中性点补偿度、各出线长度、故障点位置、过渡电阻大小、短路点电弧的发展等,这些条件的组合,使得在一种故障情况下工作良好的装置,在另一种情况下可能失效。因此,小电流接地系统单相接地保护看似简单易行
17、但实践证明是非常复杂的,这也是一些国家不采用中性点非有效接地方式的主要原因之一。但毕竟小电流接地系统有着得天独厚的优越性,并在我国及其它国家被广泛应用,准确找准故障线路成为当务之急。2 现代电力系统是一个超高压、大容量、跨区域的巨大联合动力系统。配电网又是一个包含了很多不同电压等级的变压器、输电线路、电力负荷等设备的复杂网络。在这种情况下,进行很多电力科研实验条件是很难满足的,另外系统的安全运行也不允许进行实验。因此电力系统的稳定与故障分析往往离不开仿真研究。当前对小电流接地系统的仿真研究,采用计算机仿真程序建立数学模型,设置仿真参数进行离线仿真,以求取零序电流、零序电压的稳态值和暂态值。因此
18、,采用规范的数学模型,一致的仿真参数,利用 MATLAB程序作为仿真的同一平台,对小电流接地系统单相接地故障的分析,就具有一定的现实意义。3 第 1 章 小电流接地系统单相接地故障的概况 本课题的产生背景及研究的意义 目前世界各国配电网大都采用小电流接地系统,可分为中性点经高阻接地系统,中性点不接地系统,中性点经消弧线圈接地系统。配电网是电力系统的重要组成部分,在电力系统的各环节中作为末端直接与用户相联系。一方面直接体现对用户的供电可靠性和电能质量;另一方面,配电网由于电压等级低、缺乏有效的优化运行手段,功率损耗普遍提高,是电力系统经济运行的挖潜大户。我国 366kV 电力系统大多数采用中性点
19、不接地或经消弧线圈接地的运行方式,即为小电流接地系统。在小电流接地系统中,单相接地是一种常见的临时性故障,多发生在潮湿,多雨天气。发生单相接地故障时,由于不构成短路回路,接地短路电流比负荷电流小很多,故障相对地电压降低,非故障两相的相电压升高,但线电压却依然对称,因而不影响对用户的连续供电,系统可运行 12h。因而小电流接地方式可显著提高供电可靠性,同时也具有提高对设备和人身安全性、降低对通讯系统电磁干扰等优点。1 但是若发生单相接地故障时电网长期运行,因非故障的两相对地电压升高,可能引起绝缘的薄弱环节被击穿,发展成为相间短路,使事故扩大,影响用户的正常用电,还可能使电压互感器铁心严重饱和,导
20、致电压互感器严重过负荷而烧毁。同时,长时间带故障运行极易产生弧光接地,引起全系统过电压,进而损坏设备,破坏系统安全运行。长时间运行会破坏系统的绝缘,对接入系统的线路、配电、变电设备等造成损害。为防止另一相再接地而引起两相短路,甚至三相短路,因而必须限制一定时间内排除单相故障。为快速找到故障线路并予以切除,提高供电可靠性和减少线路损耗,达到配电网的安全,经济运行。需要建立小电流接地系统单相接地故障的仿真模型并进行仿真和分析,可靠地检测出小电流接地系统故障线路是十分重要的。但是,故障电流微弱、故障电弧不稳定等原因,也造成了小电流接地系统的单相接地故障比较困难。目前对接地故障点的判断一直没有得到很好
21、的解决。所以小电流接地系统单相接地故障是制约配电自动化发展的关键问题,也是当前电力系统的一个重要研究课题。2-5 接地方式研究现状 国外中性点接地方式的发展概况 配电网接地方式的问题在世界各国是一个很有争议的热点。为了减少单相接地故障造成的危害,各国采用了不同的方法。第一次世界大战时期,德国人彼得逊首先提出并发明了消弧线圈,提出了经消弧线圈接地的电力系统谐振接地方式,于是当时该国在各种电压等级的电网中性点广泛地采用了经消弧线圈接地方式,电网电压范围为 30220kV,后因 220kV 电网中事故较多,19 世纪60 年代就不再应用消弧线圈了。在柏林市的 30kV 电网中,共有电缆 1400km
22、,其电容电流高达 4kA,也采用了经消弧线圈接地方式。前苏联曾规定 366kV 电网中性点采用经消弧线圈接地方式,莫斯科市配电电缆网络至今仍是中性点经消弧线圈接地的运行方式。美国在 20 世纪 20 年代中期到 40 年代中期,在 2270kV 电网中,中性点直接接地方式所占比例高达 72%,且发展很快,逐步取代了中性点不接地的运行方式,一直延续至今。英国 66kV 电网中性点采用电阻接地方式,而对 33kV 及以下由架空线路组成的配电网,中性点逐步由直接接地方式改为中性点经消弧线圈接地方式;由电缆组成的配电网,仍采用中性点经小电阻接地方式。1950 年以来,日本 20kV 电缆和架空线路混合
23、电网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,采用经低值电阻器接地方式。1975 年统计,1133kV 配电网中性点不接地占 2%。采用电阻接地方式一般限制接地电流数值为 100200A。东京电力公司所属配电网中,其中性点接地方式为 66kV 电网分别采用中性点经电阻、电抗和消弧线圈接地;22kV 系统采用中性点经电阻接地方式。法国电力公司从 1962 年开始将城市配电网的标称电压定为 20kV,其接地方式采用中性点经电阻或经电抗接地,故障线路要求快速跳闸,但不考虑故障发生到故障切除这段时间中的接触电压和跨步电压。至 20 世纪 80 年代,法国电力公
24、司对 20kV 配电网中性点接地方式提出了新要求,即瞬时间地故障电流应降低到 4050A,同时要求考虑接触电压和跨步电压和对低压设备绝缘危害等问题。20kV 电网对地电容电流小于 50A 时,采用中性点经小电阻接地方式;电容电流在 50200A 之间,则在电阻器旁边并联补偿电容器,及消弧线圈。意大利、加拿大、瑞典、日本和美国等在中压电网升压运行后,大部分都采用电网中性点直接接地方式。世界各国的配电网中性点在 20 世纪 50 年代前后,大都采用不接地或经消弧线圈接地方式;到 60 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。4 国内城乡配电网中性点接地方式的发展概况
25、 建国初期,我国各大城市电网开始改造简化电压等级,将遗留下来的 3kV、6kV 配电网相继升压至 10kV,解放前我国城市配电网中性点不接地、直接接地和低电阻接地方式都存在过,上海 10kV 电缆配电网中性点不接地、经电缆接地、经电抗接地 3 种方式并存至今。北京地区 10kV 系统中性点低电阻与消弧线圈并联接地。上海 35kV 系统中性点经消弧线圈和低电阻接地两种方式并存至今。但是,从 20 世纪 50 年代至 80 年代中期,我国 1066kV 系统中性点,逐步改造为不接地或经消弧线圈接地两种方式。20 世纪 80 年代中期我国城市 10kV 配电网中,电缆线路增多,电容电流相继增大,而且
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