电网中性点运行方式Matlab仿真Word格式.docx
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电弧接地过电压的基础上，于1916年和1917年先后提出了2种解决办法，即中性点经消弧线圈和经电阻接地[5]-[6]，并且分别为世界上2个工业比较发达的国家所采用。
德国为了避免对通信线路的干扰和保障铁路信号的正确动作，采用了中性点经消弧线
圈的接地方式，自动消除瞬间的单相接地故障；
美国采用了中性点直接接地、经低电阻或低电抗接地方式，并配合快速继电保护和开关装置，瞬间跳开故障线路。
这2种
具有代表性的解决方法，对世界各国中压电网中性点接地方式的发展，产生了很大的影响。
后来，在中压电网的发展过程中，逐渐形成了两类中性点接地方式，即小电流接地方式和大电流接地方式。
前者包括中性点不接地、经消弧线圈或经高电阻接地；
后者包括中性点直接接地、经低（中）电阻和低（中）电抗接地等。
而单相接地电弧能否瞬间自行熄灭，是区分大、小电流接地方式的必要和充分条件。
在这两类6种接地方式中，前者以中性点经消弧线圈（谐振）接地为代表，后者以低电阻接地为代表。
长期以来，两者互有优缺点，因此在不同的国家和地区均有了相当的发展。
但是，随着时间的推移和科学技术的发展，现在许多情况已经发生了变化。
利用当代的微机、微电子先进技术，伴随着自动消弧线圈和微机接地保护（或自动选线装置）的推广应用，谐振接地方式在保持原来优点的条件下，克服了缺点，实现了优化，运行特性得到了显著的提升，可以适应当代负荷特性变化的需要。
而低电阻接地方式，虽然用不锈钢电阻器取代了原来的铸铁材料、物理模拟的零序过电流保护也换成了微机接地保护，但在技术内涵方面，多少年来没有实质性的进步；
而且在快速清除接地故障问题上，还遇到了新的挑战，运行特性进一步下降，对人身和设备安全等的威胁较前增大。
这样，两者之间的性能投资比差距也就越来越大了。
1.3中压电网中性点接地方式的设计与仿真的研究现状
1.3.1国外研究概况
世界各国城市配电网中性点接地方式，各个国家和一个国家中的不同城市都不尽相同，主要是根据自己的运行经验和传统来确定的。
原苏联规定在下列情况下采用中性点不接地方式：
6kV电网单相接地电流小于
30A;
10kV电网单相接地电流小于20A;
15〜20kV电网单相接地电流小于15A;
35kV电网单相接地电流小于10A。
如果单相接地电流超过上述各值，则需采用中性点经消弧线圈接地方式。
德国在世界上首先使用了消弧线圈，自1916年投运以来积累了丰富的经验。
在柏林市的30kV电网中，共有电缆1400km,其电容电流高达4kA，也采用于消弧线圈接地方式。
但在50-60年代前西德却不再全部选用经消弧线圈接地方式。
美国自20年代中期至40年代中期，22〜77kV电网中采用快速切除故障的中性点直接接地方式约占71%。
1947年以后，采用消弧线圈的接地方式才有了发展；
经电阻或小电抗接地约各占6.5%;
不接地约占10.6%;
经消弧线圈接地约占5.4%。
英国66kV电网中性点采用经电阻接地方式，而对33kV及以下由架空线路组成
的配电网改为经消弧线圈接地；
由电缆组成的配电网，仍采用中性点经低电阻接地方式。
法国从1962年开始将城市配电网电压定为20kV,其中性点采用电阻或经电抗接地方式。
巴黎20kV配电网，电缆共4886km,中性点采用低电阻接地方式，单相接地电流1kA。
比利时布鲁塞尔10kV系统中性点采用低电阻接地方式，单相接地电流原为2kA，为减少对通讯的影响，现改为1kA。
1.3.2国内研究概况
建国初期至80年代，我国完全参照了前苏联的规定，对3-66kV电网中性点主要采用不接地或经消弧线圈接地2种方式。
80年代中期，我国城市10kV配电网中电缆线路逐渐增多，电容电流相继增大，而且运行方式经常变化，消弧线圈调整存在困难，当发生单相接地时间一长，往往发展成为两相短路。
对此，国内开始重新考虑合适的接地方式，从1987年开始，广州部分变电站为了满足10kV电缆较低的绝缘水平，采用了低电阻接地方式；
随后，深圳根据其10kV配电网电缆不断增加的实际，从1995年开始实施10kV配电网中性点采用低电阻接地方式的工程；
天津电缆网比较多，过去以消弧线圈接地为主，现在对35kV电缆网试行低电阻接地方式，运行情况正常；
苏州工业园区，其配电网采用20kV供电，全部为电缆线路，中性点也采用低电阻接地的运行方式，自1996年正式投运至今，运行正常。
上海在90年代对35kV配电网全面采用低电阻接地的运行方式。
针对上述情况，原国家电力部对原SDJ7-79《电力设备过电压保护设计技术规程》进行了修订，在颁布的新规程即国家电力行业标准DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中，对有关配电网中性点接地方式做了重大修改：
⑴将原规定3-10kV配电网中单相接地电容电流大于30A时才要求安装消弧线圈，修改为单相接地电容电流大于10A时即要求安装消弧线圈。
（2）根据国内已有的中性点经低电阻接地的运行经验，对6-35kV主要由电缆线
路构成的系统，其单相接地故障电容电流较大时，可采用低电阻接地的运行方式。
（3）对于6-10kV系统以及发电厂厂用系统，其单相接地故障电容电流较小时，为防止谐振、间歇性电弧接地过电压等对设备的损害，可采用高电阻接地的运行方式。
1.3论文的主要工作
本文大致做了以下几方面的分析：
（1）针对国内中压电网现在所使用的中性点不接地、谐振接地、电阻接地三种接
地方式，在MATLAB平台下进行仿真。
利用MATLAB里面的SimPowerSystems（电力系统仿真工具箱）搭建模型，通过改变其中模块的参数从而定量分析、比较了电网在各种接地方式下发生单相接地故障时，遇到的接地电阻为大电阻、中电阻、小电阻和弧光电阻时的零序电流变化的规律。
并对谐振接地的方式做了更多研究，当电网采用过补偿、欠补偿、全补偿三种补偿方式时，若电网发生单相接地故障时，对零序电压和各线路的零序电流变化情况做了仿真分析，并从中指出各阶段选线保护装置的可
利用的特征量。
（2）实际系统在发生单相接地故障后，其接地电阻不可能是一个固定值，其接地
过程是电弧间歇接地的过程。
以工频电流过零时电弧熄灭来解释间歇电弧接地过电压的发展过程，叫做工频熄弧理论。
以高频振荡电流第一次过零时电弧熄灭来解释间歇电弧接地过电压的发展过程，叫做高频熄弧理论。
在高频熄弧”与工频熄弧”两种理
论的分析方法和考虑的影响因素是相同的，但与系统实测值相比较，，工频理论分析
所得过电压值则比高频理论分析所得过电压值更接近实际情况。
本文对这两种熄弧模
型都做了一些研究，并且利用这些电弧理论。
针对工频熄弧理论进行了仿真，对谐振
接地系统和中性点不接地系统的电弧接地过电压做了仿真比较，并分析了消弧线圈对
电弧接地过电压的抑制作用
（3）综合研究了接地方式对电力系统运行的影响。
运用MATLAB仿真工具对中
性点不接地、中性点经电阻接地和中性点经消弧线圈接地的系统的基本运行特性（即单相接地故障电流的大小和非故障相工频电压的高低）做了仿真研究，仿真结果表明，
谐振接地方式与中性点不接地和中性点经小电阻接地方式相比，其基本运行特性明显
优越。
2小电流接地系统的主要特点
2.1电力系统各种接线方式介绍
电力系统的接线方式是指三相电力系统的中性点以什么方式接地。
电力系统中性
点可以有很多种接地方式，中性点直接接地，也可以经过某种元件接地，也可以不接地。
中性点如何接地与大地相接的问题在工程上就称之为中性点的接地方式。
中性点接地方式对电力系统的很多方面都有影响，是一个很重要、很复杂的问题。
2.1.1电力系统接地方式的分类
电力系统通常的接地方式有：
中性点直接接地、中性点经消弧线圈接地（又称为谐振接地）、中性点经电阻接地、中性点不接地。
其中，中性点经电阻接地的方式，按接地电流的大小又分为高阻接地和低阻接地。
我国GB/T4776-1984《电气安全名词术语》标准中，将上述四种中性点接地方式归纳为两大类[3]:
（1）中性点有效接地系统（systemwitheffectivelyearthedneutral）:
中性点直接接地或经一个低值的阻抗接地。
这种接地系统中性点接地阻抗小，当发生单相接地故障时，故障回路中将流过很大的短路电流，要求保护装置立即动作，线路终止供电，多以此类系统又称作大电流接地系统。
（2）中性点非有效接地系统（systemwithnon-effectivelyearthedneutra）:
中性点不接地，或经一个高值电阻接地或经消弧线圈接地的系统。
由于此类系统中性点接地阻抗非常大，发生单相接地故障时，故障电流很小，所以又称为小电流接地系统。
2.1.2小电流接地方式的主要特点
在我国6~35kV电力系统中普遍采用中性点不接地或经消弧线圈接地的小电流接地系统方式，当系统发生单相接地故障时，由于不能构成低阻抗短路回路，接地故障电流往往很小，系统线电压的对称性并不遭到破坏，系统还可继续运行一段时间，但是不能运行时间过长，为防止系统事故扩大，在接地运行的这段时间里必须设法排除故障。
这类接地方式的主要特点：
（1）电流信号很小
小电流系统单相接地时产生的零序电流是系统电容电流，其大小与系统规模大小
和线路类型（电缆线路或架空线路）有关，数值很小。
对于10kV架空线路来说，每
30公里线路大约产生1A的负荷电流中，使得传统的基于过流、方向、距离等原因的继电保护装置根本不可能正确反映故障情况。
经中性点接入消弧线圈补偿后，数值更小了，且消弧线圈的补偿状态（过补偿、欠补偿、完全补偿）不同，接地基波电容电流的特点与无消弧线圈补偿时相反或相同，对于有消弧线圈的小电流系统采用5次谐波电流或零序电流有功功率方向检测，而5次谐波电流比零序电流又要小20~50倍。
（2）干扰大、信噪比小
小电流系统中的干扰不要包括两个方面：
一是在变电站和发电厂的小电流系统单相接地保护装置的装设地点，电磁干扰大；
二是由于负荷电流不平衡造成的零序电流和谐波电流较大，特别是当系统较小，对地电容电流较小时，接地回路的零序电流和谐波电流甚至小于非接地回路的对应电流。
（3）随机因素的影响不确定
我国配电网一般都是小电流系统，其运行方式改变频繁，造成变电站出线的长度和数量频繁改变，其电容电流和谐波电流也频繁改变；
此外，母线电压水平的高低，负荷电流的大小总在不断地变化；
故障点的接地电阻不确定等等。
这些都是造成了零序故障电容电流和零序谐波电流的不稳定。
（4）电容电流波形不稳定
小电流系统的单相接地故障，常常是间歇性的不稳定弧光接地，因而电容电流波形不稳定，对应的谐波电流大小随时在变化。
2.2小电流接地系统三种接地方式介绍
小电流接地系统目前主要有中性点不接地方式、中性点经消弧线圈接地、中性点经高阻接地三种方式。
2.2.1中性点不接地方式
（1）原理综述
中性点不接地方式，即中性点对地绝缘，结构简单，运行方便，不需要任何附加设备，投资省，合用于农村10kV架空线路的辐射形或树形的供电网络。
该接地方式在运行中，若发生单相接地故障，流过故障点的电流仅为电网对地的电容电流，值很小，不形成短路回路。
但是长时间的接地运行，容易形成两相接地短路，甚至是三相接地短路；
弧光接地还会引起全系统过电压，这种过电压能量大，持续时间长，同时在持续过程中，电网的单相接地还可能发展为两点接地短路，使事故进一步扩大。
中性点不接地系统发生单相接地故障时，其接地电流很小，若是瞬时故障，一般能自动消弧，非故障相电压升高不大，不会破坏系统的对称性，可带故障连续供电一段时间
（一般为1~2h）,从而获得排除故障的时间，相对的提高了供电的可靠性⑴⑵o
（2）运行状况分析
简单网路图（单条线路）如下图2.1所示:
图2.1中性点不接地系统发生A相接地故障时的电路图和相量图
a）电路图b）相量图
不论是架空线路还是地下电缆，各相导线之间以及每相导线与大地之间都存在着分布电容，如图2.1（本文忽略了导线间电容）。
一般来说，线路零序电容的大小与线路的长度、导线的半径、几何均距以及线路与地面的距离等因素有关。
在考虑线路充分换位的情况下，相同电容是相等的，并且三相的对地电容也是对称的。
当系统发生单相接地时，中性点点位与地点位不等，中性点对地绝缘，必然存在对地电容，此电容很小，因此在小电流接地选线问题的研究中，忽略这些串联阻抗，主要分析各相对地的电容组成的回路。
如图2.1所示的简单网络，在正常运行时，忽略电源和线路压降，三相各相对地
电容Co相等。
在相线对地电压作用下Ua、Ub、Uc作用下，每个都有一个电容电流流入地中。
由于三相电压对称，无零序电压；
忽略三相负载不对称产生的不平衡电流，三相电流之和也等于零，无零序电流。
即：
Uo=—（Ua+Ub+Uc）=0（2-1）
3
1.
I0=-（Ia+IB+Ic）=0（2-2）
（3）系统特点
中性点不接地方式对于低压配电网具有运行维护简单、经济，单相接地时允许带故障运行两个小时，供电连续性好等优点。
目前，国内35Vk以下电网还采用该运行
方式。
在该运行方式下，接地电流为线路及设备的电容电流。
但是，由于该方式对电网电容电流及负荷水平有严格的限制，超过一定数值后将引起电弧接地过电压，故该方式己经不再适应配电网的发展。
中性点不接地方式的主要缺陷有：
1对电容电流有严格的要求，根据电力规程，对35Vk及以下系统，规定当3~10Vk电网电容电流小于30A，20Vk以上电网电容电流小于10A时，可采用中性点不接地运行方式。
2中性点不接地电网发生单相接地时，中性点电位偏移，过电压水平高，持续的
第二章小电流接地系统单相接地故障过程分析时间长。
而目前在我国随着经济发展，城镇配电网中大量采用电流和各类封闭组合电器，甚至进口设备，这些设备绝缘水平
一般较低，且一旦被击穿很难修复，因而不宜带单相接地故障持续运行。
3单相接地时，避雷器长时间在工频过电压下运行，易发生损坏，甚至爆炸。
目前采用提高氧化锌（Zno）避雷器运行电压的方法，可以避免爆炸事故的发生，但这并不经济，因而这种接线方式不利于无间隙氧化锌避雷器的推广应用。
2.2.2中性点经消弧线圈接地方式
采用中性点经消弧线圈接地方式，即在中性点和大地之间接入一个电感消弧线圈。
由于导线对地电容的存在，中性点不接地系统中一相接地时，接地点接地相电流属于容性电流。
而且随着网络的延伸，电流也愈益增大，以致完全有可能使接地点电弧不能自行熄灭并引起弧光接地过电压，甚至发展成严重的系统性事故。
在系统发生单相接地故障时，利用消弧线圈的电感电流对接地电容电流进行补
偿，使流过接地点的电流减小到能自行熄弧范围，其特点是线路发生单相接地时，按规程规定电网可带单相接地故障运行1~2小时。
对于中压电网，因接地电流得到补偿，单相接地故障并不发展为相间故障，因此中性点经消弧线圈接地方式的供电可靠性，大大的高于中性点经小电阻接地方式。
为提高供电可靠性，按有关规程规定，以架空线路为主的10KV系统电容电流超过30A（近年又提高要求为10A）以上者，必须改为中性点经消弧线圈接地的补偿方式。
中性点经消弧线圈接地系统单相接地的电流分布如图2.2所示。
从图2.2中可知，当发生单相接地时，非故障线路电容电流的大小、方向与中性点不接地系统一样；
但对故障线路而言，接地点增加了一个电感分量的电流。
从接地点
流回的总电流为Id为：
Id=Il+Ice（2-3）
式中：
Il为消弧线圈的补偿电流，Ice为系统的对地电容电流。
由于IL和ICE相位相差180°
，ID将随消弧线圈的补偿程度而变，因此，故障线路零序电流的大小和方向也随之改变。
1全补偿时系统运行特点分析sll
当全补偿时，有IL=|CE，接地点电流ID接近于零，故障线路零序电流等于线路本身的电容电流，方向由母线流向线路，零序功率方向与非故障线路完全相同。
此时有式子•丄=1/（3•‘Ce）成立（其中「为角频率，Ce为线路电容的总和），这正是工频串联谐振的条件，如果由于系统三相对地电容不对称，或者断路器合闸三相触头不同而使闭合时出现零序电压，串接于L及3Ce之间，串联谐振将导致电源中性点对地电压升高及系统过电压，这是很危险的。
a）
图2.2消弧线圈接地电网中单相接地时的电流分布
2欠补偿时系统运行特点分析
当欠补偿时，有|LV|CE，补偿后接地点的电流仍然是容性的。
当系统运行方式改变时，例如某些线路因检修被迫切除或因短路跳闸时，系统零序电容电流会减小，致使可能得到完全补偿，所以欠补偿方式一般不用。
3过补偿时系统运行特点分析
当过补偿时，有IL>
|CE，补偿以后的接地电流ID是感性的，故障线路零序电流增大了，且方向与非故障线路相同，由母线流向线路。
采用这种方式即使系统运行方式发生改变，也不会发生串联谐振。
因此实际中获得了广泛的应用，补偿程度用补偿度p表示，其值为：
p=-11山（2-4）
ICE
一般选择过补偿度值为p=（5-10）%。
在过补偿情况下，通过故障线路保护安装处的电流为补偿后的感性电流。
此电流在数值上很小，在相位上超前Uo的相角为90°
与非故障线路容性电流与U0的关系相同。
因此在过补偿的情况下，零序电流保护和零序方向保护己不适用。
当接地电容电流超过允许值时，可采用消弧线圈补偿电容电流，保证接地电弧瞬间熄灭，以消除弧光间隙接地过电压，中性点经消弧线圈接地，在大多数情况下能够迅速地消除单相的瞬间接地电弧，而不破坏电网的正常运行。
接地电弧一般不重燃，从而把单相电弧接地过电压限制到不超过2.5U①（U①为系统相电压）。
很明显，在很多单相瞬时接地故障的情况下，采用消弧线圈可以看作是提高供电可靠性的有力措施，目前随着电网规模和负载越来越大，运行方式经常变化，消弧线圈也应当经常作相应的调整，以补偿相应的电容电流。
因而出现了以实现消弧线圈调整自动化为目的的消弧线圈自动调谐装置，这种装置扩大了消弧线圈在大电网、多运行方式下的适应能力。
中性点经消弧线圈接地方式的主要缺陷有：
1采用中性点经消弧线圈接地方式，不仅减小了线路的故障电流，而且故障线路的零序电流方向也发生了变化，给接地保护的正确选线提出了更高的要求。
2中性点经消弧线圈接地方式易发生谐振，且消弧线圈的补偿容量不易随电容电流的增加而增加。
3消弧线圈的阻抗较大，既不能释放线路上的残余电荷，也不能降低过电压的稳态分量，因而对其它形式的操作过电压不起作用。
2.2.3中性点经高阻接地方式
中性点经电阻接地方式，即中性点与大地之间接入一定阻值的电阻。
该电阻与系统对地电容构成并联回路，由于电阻是耗能元件，也是电容电荷释放元件和谐振的阻压元件，对防止谐振过电压和间歇性电弧接地过电压，有一定优越性。
中性点经高阻接地方式以限制单相接地故障电流为目的，并可防止阻尼谐振过电压和间歇性电弧接地过电压，主要用于200MW以上大型发电机回路和某些6一10Vk配电网。
（1）运行特点
由于中性点经电阻接地可以迅速判断故障，对于90%以上是电缆线路的城市电
网，需要采用此种接地方式。
另外，在人口稠密地区，架空线一相导线落地会对人身安全造成极大的威胁，因而也应考虑这种电阻接地方式。
中性点经电阻接地在国内部分电网已开始应用，并取得了良好的效果。
这种接地方式的优越性具体表现为：
1有效地降低单相接地工频过电压和弧光接地过电压水平，是消除电压互感器铁磁谐振过电压的最有效的措施。
只要R「/（3「C0）（C0为线路对地电容总和），弧光接地过电压能被限制在2.2U①以下。
对于不同的系统，对地电容不同，电阻取值不同。
对R无论是低阻还是高阻都能达到抑制电压互感器谐振电压和断线谐振电压的目的，当然R愈小，过电压水平愈低，但同时应兼顾通过人体的接地电流不明显增力口。
2可简化继电保护，实现快速切除故障，缩短电压持续时间。
这样，限制带故障
运行有助于性能优良的无间隙氧化锌避雷器的推广应用。
从保证保护具有足够的灵敏
度的角度来考虑，要求R不宜太大，对接地过流继电器，如果架空线电网中性第二章小电流接地系统单相接地故障过程分析点电阻电流为100A，则故障线中总零序电流
比其它回路的电容电流大得多，从而保证了动作的选择性。
对接地方向继电器，零序
电流的功率因数是影响灵敏度的重要因素，当接地电流的有功分量与电容电流之比大
于2时，接地方向继电器才能可靠工作。
⑵中性点经电阻接地方式的缺陷有：
①对于有架空线的配电网，一般配有自动重合闸，中低阻接地方式在单相接地时，
开关的跳闸率将大大增加，但绝大多数接地故
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