《基于MATLAB的10kV小電流接地系統(tǒng)中單相接地故障仿真研究》6500字（論文）

基于MATLAB的10kV小電流接地系統(tǒng)中單相接地故障仿真研究摘要目前，我國電網系統(tǒng)的末端主要采用10kv的配網電力網絡，作為聯結客戶與電力網系統(tǒng)之間的紐帶，它首要的作用就是根據電力用戶的負荷要求來對電能進行合理的供給與分配?；诖?，保證10kv配網電力系統(tǒng)的運行安全性與可靠性就變得十分必要，但是由于現場環(huán)境復雜，電力試驗所需場所的特殊性以及完成一次現場試驗所耗費的人力物力過于龐大，所以實踐中我們一般采取MATLAB軟件建立一個仿真模擬圖形來對事故后的各顯著變化的特征量進行對比與分析。關鍵字：一相接地仿真分析零序參數目錄11266一、緒論 1144261.1研究的目的及意義 1258651.2研究的背景 18391.3研究的主要內容。 212128二、理論分析 2316222.1接線方式 2140612.2故障分析 212705三、關于仿真軟件matlab的介紹。 2218883.1仿真軟件介紹 276483.2仿真模型圖搭建 36389四、故障的仿真與分析 767904.1正常運行時的波形 7120504.2線路3首端發(fā)生單相接地短路事故的波形圖。 842624.3線路3中間發(fā)生短路事故時的波形變化。 1234484.4線路3末端發(fā)生短路故障時的波形變化。 15298964.5故障現象總結 197732五、總結 1922986參考文獻 20一、緒論1.1研究的目的及意義20世紀以來，我國的電力網絡體系迎來了快速發(fā)展的大時代，伴著民眾對電力能源的需求日益提高，對生活環(huán)境的日益重視，我國的電力發(fā)展已經逐步轉向清潔能源，大力發(fā)展綠色電力，北京冬奧會上，我們的所有比賽場館和比賽地點全部覆蓋了百分百綠色電力供給。但隨之而來的便是對電力系統(tǒng)更大的挑戰(zhàn)，例如光伏電力，風力發(fā)電，水力發(fā)電此類，大都會受到天氣變化的影響，這就會導致電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性變得難以把握。而10kv配電網絡系統(tǒng)作為電力網絡的末端，聯接客戶與電力網的結點，它的可靠與穩(wěn)定就變得尤為要緊，我國目前來說的10kv配網電力網一般均采取經消弧線圈接地網絡，這種系統(tǒng)類型大幅度提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，在發(fā)生短路事故的時候，可以有效的限制短路電流并且防止一相接地短路故障進而發(fā)展為更為嚴重的相間故障。從而可以使得在發(fā)生故障時仍然可以保護電力系統(tǒng)中的電力設備，甚至可以帶故障運行來保證用戶的正常供電，而一相接地故障作為電力系統(tǒng)中最常見、發(fā)生次數最多、最基礎的故障類型，利用MATLAB來研究小電流接地系統(tǒng)的單相接地故障是很有必要的。1.2研究的背景實際上，世界上的所有國家采用的應對10kV配電網絡的一相接地事故的措施不盡相同，在俄羅斯，中性點經消弧線圈接地的網絡應用的很廣泛，一般用群體對比幅值與相位來選擇；美國的大部分電網基本均為大電流的接地網絡，中性點設置一般為直接接地或者低電阻接地，這種情況下故障很容易被檢查到，能夠迅速選中故障線。而中性點經消弧線圈的這種接地方式首先出現在德國，沿用至今，一直都屬于優(yōu)先地位。但是不同國家的電力網均存在著或大或小的差異，這就導致了每個國家的小電流網絡系統(tǒng)的保護方式也存在著差異，隨著科學技術的進步，世界上的諸多研究性組織嘗試著將人工神經網納入選線功能的計劃中，至今已經卓有成效。在我國電網的系統(tǒng)運行方式中，配網網絡中大部分采用小電流接地的形式，出于對線路的可靠與穩(wěn)定方面的要求，所以一般經消弧線圈接地的形式在系統(tǒng)中的適用性更高。在我國電網網絡發(fā)展態(tài)勢低下的情況下，我國電網公司不斷加大投資，使得我們國家的一相接地事故得到了長足的重視。對于電網發(fā)生故障的情況下，如何準確判斷故障的類型，找到發(fā)生故障的線路及其位置就成為了我國電網可靠性研究的重中之重?；诖?，我國先后采用了零序電流保護與零序無功方向保護來獲取故障處的異常信息，再后來，依托微型計算機的發(fā)展與普及，我國開始啟用微型計算機來精確計算各個電氣特征量的變化情況，來更加準確的選線，這就是我們所熟知的微機選線裝置，它所利用的仍然是系統(tǒng)中零序參數特征量的變化。但是直至目前，我們的故障選線裝置的精度仍然存在很多問題，例如選線系統(tǒng)無法滿足現在電網的多樣化發(fā)展趨勢，對于一些偏遠地區(qū)的電力網絡信息傳遞的不便，一些外界因素導致的故障重復出現，使得選線的發(fā)展前景仍然可觀，而我們目前所做的基于MATLAB的小電流接地系統(tǒng)中單相接地故障的仿真與分析，就是用來觀察故障情況下電網中的各個異常電氣量的變化情況，基于仿真的故障點的選取，來對比不同地點發(fā)生故障的所有不同點，進而選出一個能夠在故障時表現出明顯變化的特定量來作為觀測對象，從而為之后的選線做奠定基礎。1.3研究的主要內容。1、首先對故障進行分析與研究，了解在10kv小電流接地配網系統(tǒng)中發(fā)生一相接地故障后的變化，以及異常電氣量有哪些。

2、利用Matlab里面的仿真系統(tǒng)中建立一個簡單的10kv小電流接地配網系統(tǒng)，通過對故障模塊的設置來模擬故障情況的發(fā)生，觀察異常電氣量的具體變化情況。

3、利用MATLAB中的示波器模塊更簡潔明了的通過波形的對比來觀察故障前后的變化，對我們建立的仿真系統(tǒng)的參數進行調整，來達到最切合實際的仿真效果。

4、對故障發(fā)生前的情況與故障發(fā)生后的情況進行比較分析，同時調整故障發(fā)生的位置，同步進行對比，得出故障發(fā)生在不同地點的不同電氣量變化的結果

5、通過對仿真結果的對比與分析，得出故障情況與正常情況下的變化狀況，為之后的選線工作做準備。二、理論分析2.1接線方式大電流式的有效接地：一般有直接接地以及經小電阻接地、小阻抗接地、低電感接地。這種情況的接地方式在發(fā)生一相接地事故的時候，事故相的電流將增大很多，數值大小最大可以達到三相事故時候的短路電流。這種狀況就要求我們的電力設施有著很高的強度與穩(wěn)定性，才能讓我們的電網網絡更為穩(wěn)定，保護更為可靠。小電流式的非有效接地：一般有著經消弧線圈接地，大電阻、大電感、大阻抗接地以及不接地這幾種情況，這幾種狀況下發(fā)生一相接地短路事故時，事故相的短路電流不會很大，但是未發(fā)生事故的兩相的相間電壓會升高為之前的線電壓。2.2故障分析一相接地短路事故是10kV小電流接地網絡中最常出現的事故類型，同時也是危害最小的事故，一般會在濕氣重的天氣下，線路可能發(fā)生斷線后落在地面形成接地、可能經過高于線路的樹枝接地形成回路。這種事故雖然危害較小，但是如果沒有及時的得到處理，那么就會導致線路的兩相之間電壓增大，可能發(fā)生擊穿，使得事故更為嚴重。當接地事故出現后，配電網中的發(fā)生事故的那相對地電壓會降低，其余相的相電壓會升高，故障點處會出現數倍的短路電流，甚至于會出現電弧擊穿的情況。但由于消弧線圈的存在，它可以起到限制短路電流，熄滅短路電弧的作用。這就使得電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大提高，雖然相電壓會升高為之前的1.73倍，但線電壓依舊呈現對稱，所以基本可以保證帶故障運行一段時間，這段寶貴的時間就可以讓運行檢修人員有足夠的時間去尋找故障點與故障原因，但如果帶故障運行時間過長，那將可能會導致兩相之間發(fā)生擊穿，使得事故范圍以及影響加大，所以在故障發(fā)生時及時修復及時補缺是電網運行中顯得至關重要。三、關于仿真軟件matlab的介紹。3.1仿真軟件介紹MATLAB是一個運用在計算，程序設計與交互，工業(yè)設計專業(yè)等多方面的模擬仿真軟件，它把諸多程序設計，學術計算，仿真模擬，線性變化動態(tài)系統(tǒng)等都集成到一個界面中，simulink界面是一個建模與仿真模擬的專用界面，我們只需要找到所需要的諸多模塊并將其按正確的方式相連接，構成我們需要的模型。建立仿真模型的步驟一般分為三步（1）建立模型窗口并將其保存為后綴為.mdl的模型文件。（2）將模塊從模塊庫中復制到模型窗口中，通過模型之間的連接，將其構成一個電路模型。（3）對各個模型進行參數的合理設定，完成后即可進行仿真與分析。3.2仿真模型圖搭建1、首先在MATLAB軟件中打開simulink仿真擴展界面，打開librarybrowser界面，找出我們仿真所需要的所有模塊。圖1.1librarybrowser界面2、將所需模塊連接起來，形成我們需要的仿真模型圖。圖1.2仿真圖3、對各模塊參數進行設置。圖1.3From模塊參數圖1.4測量模塊參數圖1.5電源模塊參數圖1.6負荷模塊參數圖1.7故障模塊參數圖1.8測量模塊參數圖1.9累加器模塊參數圖2.0線路模塊參數圖2.1消弧線圈模塊參數圖2.2線性代數模塊參數4、通過對參數的調試，觀察示波器波形來得出仿真結果。四、故障的仿真與分析4.1正常運行時的波形圖2.3各支路零序電流參數波形圖2.4三相電壓電流波形圖2.5零序電壓參數波形正常狀態(tài)下的波形圖如上三圖所示，根據波形圖，我們可得知，在線路正常運行的過程中，線路的電壓與電流均保持著三相對稱，并且線路中存在著零序電流參數，數值極小約為1.05×10∧－10，所以一般情況下我們可以將它忽略不計。正是由于零序分量的這種特性，所以我們可以將它作為系統(tǒng)發(fā)生事故時的特征量來看，同時也可作為判斷系統(tǒng)事故發(fā)生位置的依據。4.2線路3首端發(fā)生單相接地短路事故的波形圖。1、參數設置。故障設置狀況見下圖圖2.6故障參數支路三參數設置如下：圖2.7消弧線圈模塊參數圖2.8線性代數模塊參數將支路3-1長度數值設置為1km，支路3-2長度設置為150km。用來模擬首端發(fā)生事故的狀況。2、線路3前端發(fā)生短路事故時的波形狀況與特征量變化。圖2.9各支路零序參數波形圖3.0電壓零序參數波形圖3.1三相電壓電流波形前端發(fā)生事故狀態(tài)下的波形圖如上三圖所示，根據波形圖，我們可得知，故障設置為支路3發(fā)生一相接地短路事故，故障發(fā)生在0.04秒后。在支路3發(fā)生一相接地事故時，各支路在0.04秒時開始出現零序電流特征量，穩(wěn)定后其數值大小約為10A左右，支路3穩(wěn)定后其數值大小約為13A，零序電壓參數也同時出現，數值大小約為2×10∧4，并且從波形圖中可看出支路三的零序電流特征量出現驟增，由于我們所仿真的系統(tǒng)為經消弧線圈接地的小電流接地系統(tǒng)，經過消弧線圈的限制狀況，支路三的零序電流參數出現被限制的情況，大小逐漸由20A削弱為10A。而三相電壓波形基本未發(fā)生變化，支路三依舊保持著三相對稱，這就使得線路依舊可以帶事故狀況運行一段時間。但事故相的相電流在0.04秒后降為0A。眾多參數中零序特征量參數變化最為明顯，可作為特征量來判斷哪一相為事故相。圖3.2接地電流波形圖3.3接地電流幅值與相位前端發(fā)生事故狀態(tài)下的接地電流波形圖如上兩圖所示，根據波形圖可得知，故障相的接地電流在事故發(fā)生后瞬間增大到50A左右，但由于消弧線圈的制衡作用，使得接地電流逐步減小到5A左右。將接地電流的幅值與相位細分開后，其中接地電流的幅值也出現同樣的變化，數值大小由6A減小為1A左右。相位由-90°變?yōu)?30°左右，這是因為正常不接地系統(tǒng)的短路電流應該為容性電流，但消弧線圈作用下，中和了部分容性。4.3線路3中間發(fā)生短路事故時的波形變化。1、參數設置。故障設置不變圖3.4故障參數支路三參數設置如下：圖3.5消弧線圈模塊參數圖3.6線性代數模塊參數將線路3與線路4的長度改為75.5Km，用來模擬線路中間發(fā)生事故的狀況，仿真后查看波形。2、線路3中間發(fā)生短路事故時的波形狀況與特征量變化。圖3.7各支路零序參數波形圖3.8支路3零序電壓參數波形圖3.9三相電壓電流波形線路中間發(fā)生事故狀態(tài)下的波形圖如上三圖所示，根據波形圖，我們可得知，首先我們可以看出各支路的零序電流特征量對比于首端短路下的事故狀況中得出的數據整體數值變小，支路1降但約7A，支路2降低到約9A，但支路3降低到約10A。規(guī)律依舊不變，事故支路特征量從30A的峰值降為10A，得益于消弧線圈的制衡作用。零序電壓特征量幅值相較于首端事故數據出現了降低約為1.9×10∧4，根據三相電壓電流圖可以得出，線電壓之間依舊保持著三相對稱，數值為10kV。并且A、B兩相的電流出現了降低，C相上出現了一定的電流，約為0.3×10∧4。圖4.0接地電流波形圖4.1接地電流幅值與相位線路中間發(fā)生事故狀態(tài)下的接地電流波形圖如上兩圖所示，根據波形圖可得知，故障相的接地電流在事故發(fā)生后瞬間增大到40A左右，相比于首端故障情況下數值大大降低，依舊是由于消弧線圈的制衡作用，線路接地電流逐步減小到3A左右。將接地電流的幅值與相位進行細分后，其中接地電流的幅值也出現同樣的變化，數值大小由4A減小為1A左右。相位由-90°變?yōu)?45°左右，狀況與首端類似，但是相位角大小較首端事故情況增大。4.4線路3末端發(fā)生短路故障時的波形變化。參數設置。故障設置不變圖4.2故障參數支路三參數設置如下：圖4.3消弧線圈模塊參數圖4.4線性代數模塊參數將支路3-1長度數值設置為150km，支路3-2長度設置為1km。用來模擬末端發(fā)生事故的狀況。2、線路3末端發(fā)生短路事故時的波形狀況與特征量變化。圖4.5各支路零序參數波形圖4.6零序電壓參數波形圖4.7三相電壓電流波形線路末端發(fā)生事故狀態(tài)下的各參數波形圖如上三圖所示，根據波形圖，我們可得知，各支路的零序電流參數特征量相較于中間事故狀況時數值進一步降低，其中支路1降低到約為5A，支路2約降低到7A，支路3降低到約8A，與之前我們觀察到的規(guī)律相同，事故支路零序電流特征量從20A逐步降低到8A。零序電壓參數也再次降低，此次故障后降低到約為1.5×10∧4，根據事故支路三相的電壓電流圖可得，電壓依舊保持對稱，數值為10kV，但A、B相的電流繼續(xù)降低，C相電流繼續(xù)增大，約為0.5×10∧4。圖4.8接地電流波形圖4.9接地電流幅值與相位線路末端發(fā)生事故狀態(tài)下的接地電流波形圖如上兩圖所示，根據波形圖可得知，故障相的接地電流在事故發(fā)生后瞬間增大到25A左右，相比于首端故障情況下數值繼續(xù)增大，依舊是由于消弧線圈的制衡作用，線路接地電流逐步減小到0.7A左右。將接地電流的幅值與相位進行細分后，其中接地電流的幅值也出現同樣的變化，數值大小由3.2A減小為0.7A左右。相位由-90°變?yōu)?60°左右，狀況與中間事故狀況類似，但是相位角大小較首端事故情況增大。4.5故障現象總結結合以上仿真結果分析，在10kV的經消弧線圈接地的小電流接地系統(tǒng)中發(fā)生一相接地事故時，若需要判斷故障是否發(fā)生，那么我們只要觀察零序電流與電壓這兩個參數特征量是否出現即可，如果要判斷故障發(fā)生在哪條支路上時，我們只需要觀察各支路的零序電流特征量，故障支路的特征量總是大于其他支路的。若要判斷事故發(fā)生的大概位置，即可觀察接地電流的相角與幅值，總的來說故障點距離線路首端越遠，幅值就會越小，容性相角數值會增大，并且這兩個特征量中相角數值的變化更為明顯。五、總結經過這次仿真實驗的結束，我們從中感觸良多，從大學以來，我們所接觸到的一般都是書本上的內容，對于一些其他實習與課程設計內容也都有同學與老師的幫助，這一次的設計仿真不僅僅是我們第一次自主完成的第一個完整的仿真與報告，更讓我們對課本的內容有了更深的理解與拓展。對于10kV的經消弧線圈接地的小電流接地系統(tǒng)來說，保證配電網絡的穩(wěn)定性一直是我們研究的重中之重，所以，我們此次仿真實驗就變得很有意義。對于我們目前的生活而言，停電對于社會經濟與輿論造成的影響越來越嚴重，加上我國電力正處于由傳統(tǒng)能源狀態(tài)向新型清潔能源轉換的過程中，由于清潔能源的季節(jié)性與不確定性，使得電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性越發(fā)的難以保證，所以，故障發(fā)生的概率也在逐漸增大，所以說，我們能不能防止故障的發(fā)生，或者是在故障發(fā)生后迅速找到故障支路與故障線路就變得至關重要，這也是我們仿真所需要做到的初衷，對比我們仿真中所找到的事故中變化明顯的特征量，來進一步找到事故發(fā)生的那一點。同時，經過我們這次仿真的建立，我們對于電力系統(tǒng)中經常用到的仿真軟件MATLAB有了更加全面且清晰的認知，通過對simulink界面的運用，對librarybrowser中的各模塊的學習，我們進行仿真模擬的能力得到了很大的提高。這對我們以后的工作和下一步的進修都有著很大的幫助。參考文獻馮光等.利用電流–電壓導數線性度關系的小電流接地系統(tǒng)接地故障選線[J].電網技術2021.45(1):302-311[2]韋莉珊等.基于導納不對稱原理的小電流接地系統(tǒng)選線方案[J].電力自動化設備2020.40(3):162-1[3]李俊.基于Matlab/Simulink的小電流接地系統(tǒng)故障選線的研究[D].華北電力大學(北京),2017.[4]楊沛.配電網小電流接地故障仿真分析研究[D].山東大學,2017.[5]陳景龍,王聰.小電流接地系統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