配电网单相接地故障的仿真分析

中国石油大学（华东）现代远程教育
毕业设计（论文）
题目：配电网单相接地故障的仿真分析学习中心：天津滨海奥鹏学习中心
年级专业：网络10春电气工程及其自动化
学生姓名：吴燕燕学号： 18
指导教师：郑淑慧职称：教授
导师单位：中国石油大学（华东）
中国石油大学（华东）远程与继续教育学院
论文完成时间： 2011 年 12 月 23日
摘要
为了提取配电网单相接地故障选线和故障测距的暂态故障特征量，基于Matlab的Simulink仿真环境，搭建了小电流接地系统的配电网络仿真模型并综合考虑不同短路时刻、不同接地电弧电阻、不同故障距离和线路长度等多个因素，对配电网小电流接地系统的单相接地故障进行了大量仿真。

在配电网单相接地短路故障后的第1个工频周波(O～O．02 s)内故障线路的零序电流包络线的变化速度比非故障线路变化缓慢，包络面积大，但与非故障线路首半波极性相反。

仿真分析表明此暂态特性不受短路时刻、电弧电阻、故障距离和消弧线圈被偿度的影响，为单相接地故障选线和故障测距的研究提供了理论依据。

关键词：配电网；仿真模型零序电流；单相接地故障；补偿度；故障相电压
第一章引言
我国35 kV、10 kV(6 kV)配电网中性点运行方式一般为不接地或经消弧线圈接地。

当发生单相接地故障时允许继续运行1～2 h，及时查找故障线路和故障点是提高供电可靠性的保证。

基于稳态分量的单相接地选线方法有5次谐波电流的幅值方向法【1,2】，注入信号源法【3】，零序电流有功分量法【4,5】等，由于稳态零序电流幅值较小，基于稳态分量的单相接地选线准确率不高；消弧线圈短时并联电阻【6,7】，可提高接地选线的可靠性，但不能很好发挥消弧线圈的作用。

近年来，以小波变换为理论研究工具，分别提出了应用零序电流小波变换系数模值大小与极性【8-13】零序电流小波变换系数模值的积分【14】、零序电压流的小波变换系数之比【15】作为选线判据，但受短路时刻、网络结构、线路长度、接地点的位置、电弧电阻及被分析信号的数据长度、小波基的选取等多因素的影响较大。

研究小电流接地系统单相接地暂态过程特点是单相接地故障选线和测距方法的理论基础，目前关于这方面的文献很少。

第二章仿真模型的建立
某35 kV中性点经消弧线圈接地配电网，其Matlab的仿真模型【16】如图1，总长度为176 km。

5条一级线路，长度分别为：9、25 13、19、34 km，线路2和线路3分别接有3条二级线路，长度分别为10、13、9 km 和13、10、10 km。

线路的正序参数R=
零序参数R。

=
电网常用过补偿方式的消弧线圈补偿度为：
式中，P为补偿度；为消弧线圈的电感电流，A；为电网电容电流之和，A。

对于稳态基波分量而言，配电网单相金属性接地电流等于配电网电容电流之和；中性点电压U等于相电压。

根据金属性短路仿真测量数据和式(1)可得消弧线圈的电感L 为：
各线路首端、故障点和中性点设有测量模块。

各测量模块的采样频率为4．8 kHz，可识别信号频率为2．4 kHz。

第三章单相接地故障仿真分析
发生单相接地故障时，零序分量的暂态过程随短路时刻、电弧电阻、故障距离和消弧线圈补偿度的变化而变化，包含多种频率成分的周期分量和非周期分量，分别分析如下。

短路时刻对零序特征量的影响
短路发生的时刻t 是随机的，以线路1为研究对象，保持故障距离、电弧电阻R 和补偿度的大小不变即，分别在A相电压正半波和负半波的任一时刻、过零点和峰值时刻发生单相接地故障。

零序电压和各线路零序电流见图2。

在短路后的第1个工频周期内(0～0．02 s)，故障线路和非故障线路的零序电流显著不同，随着短路时间的增加，在第2～3个周波以后，故障线路和非故障线路的零序电流极性、大小的区别不明显。

归纳第1个工频周波((0～0．02 s)的零序电压和零序电流的暂态特性如下：
①零序电压的极性与发生短路时刻故障相电压的极性有关。

短路时刻，零序电压与故障相电压的相位差为180。

②各条非故障线路的零序电流的变化频率基本相同，而故障线路比非故障线路变化缓慢，经过一段过渡时间后故障线路与非故障线路的零序电流的变化频率相同。

③在首半波，故障线路的零序电流比非故障线路有一个较大的冲击电流，冲击电流的极性随短路时刻变化，与零序电压极性相反。

电弧电阻对零序特征量的影响
电弧电阻的大小随短路情况而变化，具有不确定性，且通常接地电弧电阻值较高。

以线路5为研究对象，固定短路时刻故障距离33 km，分别令电弧电阻
进行A相接地短路仿真，零序电压和各线路零序电流的变化规律见图3。

电弧电阻对母线处零序电压、各线路零序电流的影响较大，随着电弧电阻的增加，零序电流和零序电压有以下特点：
①母线处零序电压、各线路零序电流的大小逐渐减小；
②随着电弧电阻的增加，故障线路首半波零序电流的冲击值逐渐减少甚至消失；
③当电弧电阻较大时，零序电流暂态值比稳态值更小。

故障距离对故障特征量的影响
保持短路时刻和电弧电阻不变分别在距离线路1出口km处发生A相接地故障，零序电压和故障线路零序电流、故障相电流随故障距离的变化波形几乎是重合的，见图4(a)、(b)、(c)；故障线路故障相电压的波形随故障距离的不同，波形变化比前3个故障特征量稍微明显些，见图4(d)。

小电流接地系统单相接地电流的大小主要取决于网络的电容分布，受接地故障距离影响较小，仿真结果也表明故障特征量随故障距离变化不明显。

补偿度对故障特征的影响
固定短路时刻,接地电弧电阻为，改变消弧线圈的补偿度P，分别取电流1O 9／6、5 和0，以线路1为研究对象，故障距离 4 km发生单相接地故障，零序电压、故障线路故障相电压和电流、各线路零序电流随消弧线圈的补偿度的变化规律如图5(a)、(b)、(c)。

小电流接地系统采用过补偿方式，一般消弧线圈补偿度在5 ～1O 变化时，相同短路条件下零序电压和各条线路的零序电流、故障相电压和故障相电流几乎无变化；消弧线圈补偿度为零即小电流接地系统的单相接地电流无消弧线圈补偿时，仅故障线路的故障相电压、零序电流的大小和相位与消弧线圈补偿度为5 ～1O 时明显不同。

第四章结论
结论：
a)各条非故障线路的零序电流的变化频率基本相同，故障线路比非故障线路变化缓慢，经过1～2周期后故障线路与非故障线路的零序电流的变化频率相同。

这说明故障线路零序电流暂态分量中含一个较大的非周期分量。

b)故障后1／4周波内，故障线路零序电流在其模极大值处与零序电压的极性相反，且故障线路零序电流的包络线面积比非故障线路零序电流的包络线面积大。

c)零序电流暂态分量、稳态分量和故障相电流随故障距离变化几乎不变；故障相电压随故障距离有变化，但变化的幅度很小。

参考文献
[1]任建文，周庆捷，杨以涵，等．中性点不接地电网中单相接地保护的相对原理[J]．电力自动化设备，1994，3(8)：15－17．
[2]囝静，金黎，张志成，等．小电流接地[3]线系统与设计[J]．高电压技术，2003，29(12)：12—14．
[23]桑在中，张惠芬，潘贞存，等．用注入法实现小电流接地系统单相接地选线保护[J]．电力系统自动化，1996，20(2)：11—12，35．
[4]牟龙华．零序电流有功分量方向接地选线保护原理[J]．电网技术，1999，23(9)：60—62．
[5]杜丁香，徐玉琴．消弧线圈接地电网的有功选线[J]．继电器，2002，30(5)：33- 36．
[6]陈玉书，张一华．谐振接地系统单相接地故障DK法选线及其应用[J]．高电压技术，2004，30(6)：69—70．
[7]韩静，徐丽杰．中性点经消弧线圈瞬时并联小电阻接地研究[J]．高电压技术，2005，31(1)：38—39，52．
[8]俞晓荣，廖培金，彭书涛，等．小波分析在小电流接地系统故障选线中的应用[J]．电力系统及自动化学报，2003，15(4)：24—26．
[9]贾清泉，刘连光，杨以涵，等．应用小波检测故障突变特性实现配电网小电流故障选线保护[J]．中国电机工程学报，2001，21(10)：78-82．
[10]王娜，周有庆，龚静．小波变换在配电网单相接地故障选线中的应用[J]．电力自动化设备，2003，23(10)：27—30．
[11]王耀南，霍百林，王辉，等．基于小波包的小电流接地系统故障选线的新判据[J]．中国电机工程学报．2004，24(6)：54—58．
[12]毛鹏，孙雅明，章兆宁，等．小波包在配电网单相接地故障选线中的应用[J]．电网技术，2000，24(6)：10—17．
[13]束洪春，肖白．配电网单相电弧接地故障选线暂态分析法[J]．电力系统自动化，2002，26(21)：58—61．
致谢
本文能得以完成，首先要感谢中国石油大学(华东)及远程与继续教育学院的各位老师和指导老师郑淑慧教授，郑老师在百忙之中给我以悉心的指导，提出了详细的修改意见，并给以极大的鼓励。

郑淑慧老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。

本文在写作的过程中，阅读和参考了大量文献，从中获益非浅。

在此，谨向各位作者表示衷心的感谢！。