小電流接地系統(tǒng)單相故障matlab仿真

1、Xx學(xué)院 課 程 設(shè) 計 說 明 書設(shè)計題目：小電流接地系統(tǒng)單相故障matlab仿真系（部）： 機(jī)電工程系 專 業(yè)： 自 動 化 班 級： 姓 名： x x x 學(xué) 號： 20 12 年 12 月 12 日 目錄第一章 matlab簡介······························&#

2、183;······················3第二章 小電流接地系統(tǒng)單相故障matlab仿真·······················&#

3、183;·······4 2·1 小電流接地系統(tǒng)單相故障特點簡介··································4 2·2 小電流接地系統(tǒng)的仿真模型構(gòu)

4、建····································5 2·3 仿真結(jié)果及分析···········

5、;·······································11 第三章 心得與體會·········

6、;············································16參考文獻(xiàn)·····

7、;··················································

8、;········16 一 Matlab簡介 Matlab是由英文單詞matri和laboratory的前3個字母組成。目前matlab已成為國際認(rèn)可的最優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件之一。在大學(xué)里，他是用于初等和高等數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)工具；在工業(yè)界，他是一個高效的研究、開發(fā)和分析的工具。隨著科技的發(fā)展，許多優(yōu)秀的工程師不斷的對matlab進(jìn)行了完善，使其從一個簡單的矩陣分析軟件逐漸發(fā)展成為一個具有極高通用性，并帶有眾多實用工具的運算操作平臺。Simulink是matlab提供的實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包

9、，是基于框圖的仿真平臺。Simulink掛接在matlab環(huán)境上，以matlab的強(qiáng)大計算功能為基礎(chǔ)，利用直觀的模塊框圖進(jìn)行仿真和計算。Simulink提供了各種仿真工具，尤其是它不斷擴(kuò)展的、內(nèi)容豐富的模塊庫，為系統(tǒng)的仿真提供了極大的方便。在simulink平臺上拖拽和連接典型模塊就可以繪制仿真對象的模塊框圖，并對模型進(jìn)行仿真。在simulink平臺上，仿真模型的可讀性很強(qiáng)，這就避免了在matlab窗口使用matlab命令和函數(shù)仿真時，需要熟悉大量的M函數(shù)的麻煩，對廣大工程技術(shù)人員來說，這無疑就是一個福音。隨著matlab的不斷升級，simulink的版本也在不斷的升級，從1993年的matl

10、ab4.0/simulink1.0版到2001年的matlab6.1/simulink4.1版、2002年的matlab6.5/simulink5.0版，現(xiàn)在的最常用的版本就是matlab7.0/simulink6.0Simulink最初是為仿真控制系統(tǒng)而建立的工具箱，在使用中容易編程、容易擴(kuò)展，并且可以解決在使用matlab過程中遇到的非線性、變系數(shù)等問題。它能夠進(jìn)行系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的仿真，也能夠進(jìn)行線性和非線性系統(tǒng)仿真，并且支持多種采樣頻率系統(tǒng)的仿真，使不同的系統(tǒng)能以不同的采樣頻率組合，這樣就可以仿真較大、較復(fù)雜的系統(tǒng)。因此，不同的科學(xué)領(lǐng)域根據(jù)自己的仿真要求，以matlab為基礎(chǔ)，開發(fā)了大量

11、的專用仿真程序，并把這些程序以模塊的形式放入simulink中，形成模塊庫。Simulink的模塊庫實際上就是用matlab基本語言編寫的子程序集?，F(xiàn)在simulink模塊庫有3級樹狀的子目錄，在一級目錄下包含了simulink最早開發(fā)的數(shù)學(xué)計算工具箱、控制系統(tǒng)工具箱的內(nèi)容，之后開發(fā)的信號處理工具箱、通信工系統(tǒng)工具箱等也并行列入模塊庫的一級子目錄，逐級打開模塊庫瀏覽器的目錄，就可以看到這些模塊。Simulink是基于matlab的圖形化仿真設(shè)計環(huán)境。確切的說，它是matlab提供的對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的一個軟件包。它支持線性和非線性系統(tǒng)、連續(xù)時間系統(tǒng)、離散時間系統(tǒng)、連續(xù)和離散混合系統(tǒng)

12、，而且系統(tǒng)可以是多進(jìn)程的。它使用圖形化的系統(tǒng)模塊對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行描述，并非在此基礎(chǔ)上采用matlab計算引擎對動態(tài)系統(tǒng)在時域內(nèi)進(jìn)行求解。Matlab計算引擎主要對系統(tǒng)微分方程和差分方程求解。Simulin和matlab是高度集成在一起的，因此，它們之間可以進(jìn)行靈活的交互操作。Simulink提供了友好的圖形用戶界面，模型由模塊組成的框圖來表示，用戶通過簡單的鼠標(biāo)操作就能夠完成建模。Simulink的模塊庫為用戶提供了包括基本功能模塊和擴(kuò)展模塊在內(nèi)的多種功能模塊，在matlab7.0/simulink6.0中，可直接在simulink環(huán)境中運作的工具箱和模塊已覆蓋航空、航天、通信、控制、信號處理、

13、電力系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域，所涉及的內(nèi)容專業(yè)性越來越強(qiáng)，使用也越來越方便。由于simulink是基于matlab環(huán)境上的高性能的系統(tǒng)仿真設(shè)計平臺，啟動simulink之前必須首先運行matlab，然后才能運行simulink并建立系統(tǒng)模型。 二 小電流接地系統(tǒng)單相故障的matlab仿真實驗 小電流接地系統(tǒng)單相故障電網(wǎng)中性點接地系統(tǒng)的分類方法有很多種，其中最常用的是按照接地短路時接地電流的大小分為大電流接地系統(tǒng)和小電流接地系統(tǒng)。電網(wǎng)中性點采用哪種接地方式主要取決于供電可靠性（是否允許帶一相接地時繼續(xù)運行）和限制過電壓兩個因素。我國規(guī)定110kv以上電壓等級的系統(tǒng)采用中性點直接接地方式，35kv

14、及以下的配電系統(tǒng)采用小電流接地 方式（中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地）。在小電流接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地時，由于故障點的電流很小，而且三相之間的線電壓任然保持對稱，對負(fù)荷的供電沒有影響，因此，在一般情況下都允許系統(tǒng)在繼續(xù)運行12小時，而不必立即跳閘，這也是采用小電流接地系統(tǒng)運行的主要優(yōu)點。但是在單相接地以后，其他兩相的對地電壓要升高根號三倍，為了防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大成兩點或多點接地短路，就應(yīng)及時發(fā)出信號，以便運行人員采取措施予以消除。 2.1 小電流接地系統(tǒng)單相故障特點簡介 對于如圖1-1所示的中性點不接地系統(tǒng)，單相接地故障發(fā)生后，由于中性點N不接地，所以沒有形成短路電流通路，故障相都將流過正常負(fù)荷

15、電流，線電壓任然保持對稱，因此可以短時不予以切除。這段時間可以用于查明故障原因并排除故障，或者進(jìn)行倒負(fù)荷操作，因此該方式對于用戶的供電可靠性高，但是接地相電壓將降低，非接地相電壓將升高至線電壓，對電氣設(shè)備絕緣造成威脅。單相接地故障發(fā)生后系統(tǒng)不能長期運行。 事實上，對于中性點不接地系統(tǒng)，由于線路分布電容（電容數(shù)值不大，而容抗很大）的存在，接地故障點和導(dǎo)線對地電容還是能夠形成電流通路的，從而有數(shù)值不大的電容性電流在導(dǎo)線和大地之間流通。一般情況下，這個容性電流在接地故障點將以電弧形式存在，電弧產(chǎn)生的高溫會損毀設(shè)備，甚至引起附近建筑物燃燒起火，不穩(wěn)定的電弧燃燒還會引起弧光過電壓，造成非接地相絕緣擊穿進(jìn)

16、而發(fā)展成為相間故障，導(dǎo)致斷路器動作跳閘，中斷對用戶的供電。 中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時的故障特點如下 1）在發(fā)生單相接地時，全系統(tǒng)都將出現(xiàn)零序電壓。 2）在非故障的元件上有零序電流，其數(shù)值等于本身的對地電容電流，電容電流的實際方向為由母線流向線路。 3）在故障線路上，零序電流為全系統(tǒng)非故障元件對地電容電流之總和，數(shù)值一般較大，電容電流的實際方向為由線路流向母線。 對于如圖1-2所示的中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，正常情況下，接于中性點N與大地之間的消弧線圈無電流流過，消弧線圈不起作用；當(dāng)接地故障發(fā)生后，中性點出現(xiàn)零序電壓，在這個電壓的作用下，將有感性電流流過消弧線圈并注入發(fā)生接地故障的電力系統(tǒng)

17、，從而抵消在接地點流過的電容性接地電流，消除或者減輕接地電弧電流的危害。需要說明的是，經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償后，接地點將不再有容性電弧電流或者只有很小的電容性電流流過，但是接地相電壓降低而非接地相電壓依然很高，長期接地運行依然是不運行的。 2.2 小電流接地系統(tǒng)的仿真模型構(gòu)建 1.中性點不接地系統(tǒng)的仿真模型及計算 利用simulink建立一個10kv中性點不接地系統(tǒng)的仿真模型，如圖1-3所示。 在仿真模型中，電源采用”Three-phase source”模型，輸出電壓為10.5kv，內(nèi)部接線方式為Y形聯(lián)結(jié)，其他參數(shù)與圖1-4設(shè)置相同。在模型中共有4條10kv輸電線路line1line4,均采用“Th

18、ree-phase Pl Section Line”模型，線路的長度分別為130km、175km、1km、150km，其他參數(shù)相同。Line1參數(shù)設(shè)置如圖1-5所示。需要說明的是，在實際的10kv配電系統(tǒng)中，單回架空線路的輸送容量一般在0.22MV.A，輸送距離的適宜范圍為620km.本文的仿真模型將輸電線路的長度人為加長，這樣可以使仿真時的故障特征更為明顯，而且不用很多輸電線的出線路數(shù)，不影響仿真結(jié)果的正確性， 線路負(fù)荷load1、load2、load3均采用“three-phase series rlc load”模型。其有功負(fù)荷分別為1MW、0.2MW、2MW，其他參數(shù)相同，load1參

19、數(shù)設(shè)置如圖1-6所示。每一線路的始端都設(shè)三相電壓電流測量模塊“three-phase v-I measurement”將測量到的電壓、電流信號轉(zhuǎn)變成simulink信號，相當(dāng)于電壓、電流互感器的作用，其參數(shù)設(shè)置如圖1-7所示。 圖2-3 10kv中性點不接地系統(tǒng)仿真模型圖1-4 three-phase source的設(shè)置 圖1-5 line1的參數(shù)設(shè)置 圖1-6 load1的設(shè)置 圖1-7 三相電壓電流測量模塊的參數(shù)設(shè)置在仿真模型中，選擇在第三條出線的1km處發(fā)生A相金屬性單相接地，故障模塊的參數(shù)設(shè)置如圖1-8所示。 圖1-8 故障模塊的參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)的零序電壓3uo及每條線路始端的零序電流3i

20、0采用如圖1-9所示方式得到。故障點的接地電流Id則可以用如圖1-10所示的萬用表測量方式得到。 圖1-9系統(tǒng)的零序電壓3uo及每條線路 圖1-10 故障點的接地電流獲取方式始端零序電流3io的獲取方法 根據(jù)以上設(shè)置的參數(shù)，可以通過計算得到系統(tǒng)在第3條出線的1km處發(fā)生A相金屬性單相接地時各線路始端的零序電流有效值為 同理可得 接地點的電流為 Id=20.18A2. 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的仿真模型及計算 在如圖1-3的基礎(chǔ)上，建立中性點經(jīng)消弧線圈的接地系統(tǒng)的仿真模型如圖1-11所示，即在電源的中性點接入一個電感線圈，其他參數(shù)不變。在各級電壓網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)全系統(tǒng)的電容電流超過一定數(shù)值（對于36k

21、v電網(wǎng)超過30A、10kv電網(wǎng)超過20A、2266V電網(wǎng)超過10A）時就應(yīng)裝設(shè)消弧線圈。 圖1-11 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的仿真模型如果要使接地點的電流近似為0（即完全補(bǔ)償），應(yīng)滿足 wL=1/3wC式中，L為消弧線圈的電感，C為系統(tǒng)三相對地電容。 根據(jù)圖1-11中的電路參數(shù)，可求得 C=3.534x10-6F因此為實現(xiàn)完全補(bǔ)償因有 L=0.9566H 由于完全補(bǔ)償存在串聯(lián)諧振過電壓問題，因此實際工程常采用過補(bǔ)償方式，當(dāng)取過補(bǔ)償度為10%時，經(jīng)消弧線圈的電感L=0.8697. 通過以上計算，模型中消弧線圈的參數(shù)設(shè)置如圖1-12所示，線圈所串聯(lián)電阻為阻尼電阻。 圖1-12 消弧線圈的參數(shù)設(shè)置

22、 2.3 仿真結(jié)果及分析 在仿真開始前，選擇離散算法，仿真的結(jié)束時間取0.2s，利用powergui模塊設(shè)置采樣時間為1x10-5s,系統(tǒng)在0.04s時發(fā)生A相金屬性單相接地。 1. 中性點不接地系統(tǒng)的仿真結(jié)果及分析設(shè)置好參數(shù)，運行如圖1-1所示的10kv中性點不接地系統(tǒng)仿真模型，得到系統(tǒng)的零序電壓3uo及每條線路始端的零序電流3Io，故障點的接地電流Id波形如圖1-13所示。 3uo(kv) 3Io1(A) 3Io2(A) 3Io3(A) 圖1-13 中性點不接地系統(tǒng)零序電壓3uo、零序電流3io,故障點的接地電流id波形圖 仿真得到的各線路始端零序電流，接地電流Id的有效值為 與理論計算值

23、相比，仿真結(jié)果略大，但誤差不大于3%。從圖1-13中可以看出，在中性點不接地方式下，非故障線路的零序電流超前零序電壓90°（即電容電流的實際方向為由母線流向線路）；故障線路的零序電流為全系統(tǒng)故障元件對電容電流之和，零序電流滯后零序電壓90°（電容電流的實際方向為由線路流向母線）；故障線路的零序電流和非故障的零序電流相位差為180°。 故障后的零序分量還可以采用如圖1-14所示的“三相序分量模塊”方法得到，如圖1-15所示為故障線路零序電流的幅值和相位圖（注意圖中的零序電流為Io而不是3Io)。 圖1-15 采用“三相分量模塊”獲得零序分量 圖1-16 故障線路零序

24、電流的幅值和相位 由圖中可得故障線路零序電流的幅值為Io=6.52A,則3Io的有效值為 3Io=3x6.52/根號2A=13.83A與從圖1-13中得到的 僅相差0.2% 2. 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的仿真結(jié)果及分析設(shè)置好參數(shù)，運行如圖1-11所示的10kv中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)仿真模型，得到系統(tǒng)的零序電壓3uo及每條線路始端的零序電流3Io、消弧線圈電流Il、故障點的接地電流Id波形如圖1-17所示。從圖1-17中可知，當(dāng)單相接地的暫態(tài)過程結(jié)束后，故障點的接地電流Id的有效值在2.9A 左右，遠(yuǎn)小于中性點不接地系統(tǒng)的接地電流，因此補(bǔ)償?shù)男Ч置黠@。對于非故障線路來說，其零序電流任是本身的電容電流，零序電流超前零序電壓90°，電容電流的實際方向為由母線流向線路，這與中性點不接地系統(tǒng)是相同的。但是對于故障線路來說，其零序電流將大于本身的電容電流，并且電容電流的實際方向也是由母線流向線路。因此，在這種情況下無法用電流方向的差別來判斷故障線路，也很難用零序電流的大小來找出故障線路。 3uo(kv) 3Io1(A) 3Io2(A) 3Io3(A) 消弧線圈 Il 和 故障點 Id 波形圖 三 總結(jié)和體會在這次的小電流接地系統(tǒng)的matlab仿真實驗中我學(xué)會了很多。不僅僅單單是自己獨立完成了作業(yè)，主