10KV配电网单相两相接地故障下零序电流仿真分析
摘 要
输电网和配电网统称为电网，是电力系统的重要组成部分。配电网的安全运行直接影响到千千万万的用户。配电网发生故障以后，如果不及时找出故障点并且进行排除，将会影响很大范围内的用户用电情况及用电安全。
我国规定110KV及以上的电压等级的电力系统采用中性点直接接地的方式，而35KV以及以下的配电系统则采用小电流接地方式（包括中性点不接地和经消弧线圈接地两种方式）。
本文主要论述的是10KV配电网小电流接地系统的短路故障及MATLAB软件及其在电力系统领域的仿真分析，介绍了Matlab/Simulink的基本特点以及运用Matlab进行电力系统仿真分析的基本方法和步骤。运用Matlab电力系统仿真模块SimPowerSystems建立10KV的配电网并且模拟在传输线路中的不同相对地短路的情况进行讨论，从而得到与理论计算在一定误差范围内的短路接地电流和零序电流，说明了Matlab对电力系统故障仿真的有效性。
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关键字:10KV配电网,matlab,仿真,接地故障
Key words: 10 kv power distribution network，Matlabsimulation
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
1.1 问题的提出背景及研究意义 1
1.1.1 问题提出 1
1.1.2 研究意义 2
1.2 配电网中性点不同接地方式及发展概况 2
1.2.1 不同接地方式介绍 2
1.2.2 国内外现状 4
1.2.3 配电网中性点接地方式的应用趋势 5
1.3 单相接地故障的危害及处理办法 6
第二章 短路故障基础知识介绍 9
2.1 输配电线路的电气参数 9
2.2 输配电线路的阻抗模型 10
2.3.1 零序电流的定义 12
2.3.2 产生条件 13
第三章 MATLAB仿真基础知识 14
3.1 matlab概述 14
3.2 SIMULINK仿真基础 14
3.2.1 简介 14
3.2.2 Matlab的电力系统工具箱介绍 15
3.2.3 Simulink仿真算法简介 15
3.2.4 SIMULINK的仿真步骤 18
第四章 小电流接地系统故障的分析 20
4.1 配电网线路故障类型及仿真分析 20
4.2 单相接地故障分析 22
4.3两相短路故障分析 28
4.4 两相接地短路故障分析 29
4.5 三相短路故障分析 30
4.6 三相短路接地故障分析 30
第五章 总结与展望 32
参考文献 33
外文文献 36
文献翻译 45
第一章 绪论
1.1 问题的提出背景及研究意义
输电网和配电网统称为电网，它们是电力系统的重要组成部分，而配电网则直接和用户相联系，直接为用户提供所需求的电能的系统，它是电力体系当中的根基[1]。改革开放以来，我国的经济建设取得了快速的发展，人民生活水平也日益提高，大家对配电网供电的质量以及供电的可靠性的要求也愈来愈高。在社会生产以及日常生活中，都不允许长时间的停电，因为一旦停电，就可能面临很多问题，小到影响生活质量，大到危害社会安全，这就要求配电网能够一直执行在可靠、安全以及经济优化的运行状态中。当前我们国家正处于加快产业结构调整的过程中，电力建设的投资重点也已经由发电厂转向电网，这必然会加快我们建设国家安全、经济、高效的城乡配电网的进程。
1.1.1 问题提出
在国外，人们在很早的时候就对配电网改造较为重视，因此近几十年来，我国对城市配电网以及农村配电网也开始进行较大规模的改造，其中的目的不言而喻，就是为了提高配电网系统的可靠性与安全性。近些年来，因为我国城市电网改造工程的不断深入，必然影响到了大大小小的供电网的方方面面，其中10kV 等级城市配电线路的供电方式则相应地发生了很大变化。10kV 配电线路供电方式的改变，起到了“牵一发而动全身”的效果，这样不仅仅大大提高了配电线路的绝缘水平，与此同时，也有效地降低了配电线路的跳闸的概率。但是在选择新供电方式的城市10kV 配电网在运行过程中，也会经常发生各种故障，特别是雨雪以及大风等比较恶劣天气条件下。各种接地故障不仅严重影响了配电网的安全运行，同时也对人们的日常省会带来诸多不便甚至较大损失。
1.1.2 研究意义
研究发现表明，网架结构、电力设备、控制策略和线路是影响配电网系统的运行水平的几个重要的元素，在这几点中，中性点接地方式的选择是最重要和最灵活的提高配电网可靠性和经济性的重要方法之一，所以，进一步研究中性点接地方式对于提高配电系统运行水平有重要意义[2]。
为了了解电网在各相短路故障情况下短路电流以及产生的零序电流的变化以及大小，在实际10KV电网中进行模拟是几乎不可能的，通过运用Matlab电力系统仿真模块SimPowerSystems建立10KV的配电网并且模拟在传输线路中的不同相对地短路的情况进行讨论，不仅能够节省大量的人力物力，而且还能快速地得到与理论计算在一定误差范围内的短路接地电流和零序电流，这也恰恰说明了Matlab在电力系统故障仿真这一方面的有效性。
1.2 配电网中性点不同接地方式及发展概况
1.2.1 不同接地方式介绍
电网中性点接地系统有和多种分类种类，按照接地短路时候接地电流的大小可以分为大电流接地系统以及小电流接地系统，这两种也是最常见的情况。在我国，规定电压等级在110KV及以上的电力系统采用中性点直接接地的方式，而35KV以及以下的配电系统则采用小电流接地方式，主要包括两种方式：中性点不接地以及经消弧线圈接地两种方式。
1.中性点不接地
如图1.1中性点不接地(绝缘)是一种最简单的方式，各相电流大小相等但相位上各自相差120°，三相电流向量和等于零，地中没有电容电流通过，中性点处的对地电位为零，即中性点的电位与地电位一致，均为零。在此系统发生单相接地故障之后，未接地两相的对地电压升高到 倍，即等于线电压，但是由于中性点N不接地，故没有形成短路电流通路，故障线路和非故障线路都会流过与正常情况相同的负荷电流，所以线电压仍然保持对称，各相间电压数值的大小和相位仍然保持不变，三相系统仍然保持平衡，因此此时可以在短时间内不予切除，可继续运行一段时间，在这段时间内可以查明故障的原因并且及时排除故障，亦可进行倒负荷操作，所以此方式对于用户来说供电的可靠性最高[3]，但是此时的接地线路的相电压将变为零，非接地线路的相电压则会升高至线电压大小，这无疑将会对电气设备绝缘造成较大的威胁，所以在发生单相接地故障后系统不能长期运行。特别是电力系统直接驱动的发电机，由于长时间运行可能会导致两相短路。故在这种系统中，一般都会设置绝缘监视或者是接地保护装置。在发生单相接地之后，它们可以发出特定的信号，这样可以让人迅速采取措施，在最短的时间消除故障。但是对于发生一相接地故障的系统，允许继续运行的时间最长不得超过2小时。否则可能会在接地点引起电弧。弧光接地的持续间歇性电弧可能会引起线路的谐振过电压，损坏电气设备或进一步发展成为相间短路。所以在这种系统中，在接地电流大于5A的时候，不管是发电机、变压器还是电动机，都应设置能够起到接地保护的跳闸装置。
图1.1 中性点不接地系统
2.消弧线圈接地系统
消弧线圈是一个具有铁芯的可调电感线圈，装设在变压器或发电机的中性点。当单相接地电容电流超过了允许值10A时，中性点经消弧线圈接地方式能很好的解决单相接地故障出现的问题[4]。在发生单相接地故障的时候，相对于接地电容电流，它可以形成与其大小接近但是方向相反的电感电流，由于是电感电流，所以这个电感电流滞后电压90°，这样就可以与超前电压90°的电容电流相互补偿，这样就可以使流经接地处的电流变得很小约为零，这样就近似消除了短路电流，避免了接地处的电弧以及由它可能产生的危害。正常情况下，如图1.2所示，接在中性点N与大地之间的消弧线圈没有电流流过，消弧线圈不会起作用；但是在发生接地故障以后，由于三相的不平衡产生了零序电流，继而在中性点处会产生零序电压，在这个电压的作用下面，会产生相应的感性电流流过消弧线圈进入到发生接地故障的电力系统，来抵消接地电流，从而消除或者减轻接地电流的危害。在此需要声明的是，虽然经过消弧线圈补偿以后接地点的电流将不产生容性的电弧电流或者说流过的容性电流变得很小，但是接地故障确实已经发生了，并且接地故障依然存在，这样同样会导致接地相电压降低而非接地相电压仍然很高，因此长期接地运行仍然是不被允许的，最长不能超过两个小时[5]。
图1.2 中性点经消弧线圈接地系统
3.中性点直接接地
在较大电流接地系统中可以采用中性点直接接地系统，因为通过接地点的电流一般较大，会对系统产生较大的破坏。在发生故障以后，继电保护会立即动作，开关会立即跳闸，从而消除故障。目前我国110kV以上的系统多选用中性点直接接地的形式来保护系统。对于不同等级的电力系统，中性点接地方式也可能会不一样，一般按照实际情况，可以以下述原则进行选择：110kV接地网，大部分选用中性点直接接地的形式，个别也会选用消弧线圈接地的形式；20 60kV的电力网，从供电可靠性情况考虑，大多采用经消弧线圈接地或不接地的形式；对于3 10kV电力网，人们会更多地考虑供电可靠性与故障后果，所以多会采用中性点不接地的方式；对于1kV以下的配电网，即220 380V三相四线制低压电力网，人们根据安全的要求，都会采用中性点直接接地的方式，因为在一相接地时换线超过250V的电压，这样做可以很好地避免这样的危险。当然在特殊场所里，比如爆炸危险场所或者矿下，也会有采用中性点不接地的情况。
1.2.2 国内外现状
对于配电网的中性点以何种形式接地的问题，在不同国家也持有不同的观点以及对于运行方式的经验，不仅仅是不同国家对配电网中性点接地方式的选择的不统一，就连不同国家不同城市中性点接地方式都有可能不一样，这主要是根据各自在运行过程中积累的经验来确定。架空线路为主的网络，一般瞬时性接地故障发生的几率很大，瞬时故障一般能自行消失，对配电网的供电可靠性影响不大。我国配电网初期阶段一直采用这种运行方式，并且积累了一些成功运行经验[6]。八十年代中期，在我国城市10kV配电网中电缆线路不断增加，随之电容电流也逐渐变大以及系统运行方式经常性变化的情况下，消弧线圈自身调节存在的困难逐渐显现出来，单相接地的故障常常会发展成为两相短路故障[7]。在国内，更多城市开始重新考虑更加合适自己的中性点接地的方式，据调查，为了能够满足10kV电缆线路较低的绝缘水平，广州率先采用了小电阻接地的方式。在这之后，国内很多的10kV电网，比如北京、天津、上海、深圳以及珠海等城市也先后效仿广州采用的方式[8]，即采用了中性点经小电阻接地的运行方式，取得了较好的效果。
1.2.3 配电网中性点接地方式的应用趋势
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