中压电网中性点运行方式设计与仿真.docx

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中压电网中性点运行方式设计与仿真

1引言

1．1选题的目的和意义

电力系统是由发电、变电、输电、配电、供电、用电等环节组成的电能的生传分配和消费的系统。

配电网是电力系统的重要组成部分，在电力系统的各个环节中作为末端直接与用户相联系[1]。

电力系统中性点是不是要接地，以何种形式接地？

这是涉及技术、经济、安全等多个方面的综合问题。

目前接地的方式主要有：

中性点直接接地、中性点经消弧线圈接地（又称作谐振接地）和中性点不接地[2]。

我国的6~35kV配电网电力系统大多属于小电流接地系统，而这种接地系统的中性点接地方式就有：

中性点不接地、中性点接消弧线圈接地等。

接地故障是由导体与地连接或对地绝缘电阻变得小于规定值而引起的故障。

根据电力运行部门的故障统计，由于外界因素的影响，配电网单向接地故障中最常见的，发生率最高，占整个电气短路故障的80%以上。

中性点不接地配电网中如果三相电压是对称的，则电源中性点的电位为零，但是由于架空线路排列不对称而换位又不完全等原因，造成各相导纳并不相等，中性点产生位移电压，但由于数值较小，并不影响正常运行。

在发生单相接地故障时，中性点处电位升高为相电压，非接地相相对地电压升高为线电压，即1．73倍相电压，但线电压仍保持不变。

可以正常运行一段时间，但是不能长时间运行，长时间运行的情况是会破坏系统的绝缘的，对接入系统中的配电、线路和变电设备等造成损害。

为了防止另外一相再接地导致两相短路，甚至是三相短路，出现故障不能长时间工作，必须限制一定的时间，在这时间里排除单相故障。

目前，对小电流接地系统的仿真研究，主要集中在对各种具体选线方法的验证上，即采用计算机仿真程序建立数学模型、设置仿真参数进行仿真。

利用Matlab程序作为仿真的统一平台，对小电流接地系统单相故障的各种选线方法进行仿真，就有一定的现实意义。

1．2中性点接地方式的发展过程

电力系统发展初期容量较小，人们认为工频电压升高是绝缘故障的主要原因，同时，对电力设备耐受频繁过电流冲击的能力估计过高，所以，最初电力设备的中性点都采用直接接地方式运行。

随着电力系统的发展与扩大，单相接地故障增多，线路断路器经常跳闸，造成频繁的停电事故，遂将直接接地方式改为不接地方式运行。

尔后，由于工业发展较快，使电力传输容量增大、距离延长，电压等级升高，电力系统的延伸围进一步扩大。

在这种情况下发生单相接地故障时，故障点的接地电弧不能自行熄灭，而且，因间歇电弧接地产生的过电压往往又使事故扩大，显著降低了电力系统的运行可靠性。

为了解决电力系统中出现的这些问题，德国的彼得生（W.Petersen）教授在研究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国研究概况

建国初期至80年代，我国完全参照了前联的规定，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，国开始重新考虑合适的接地方式，从1987年开始，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，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；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。

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：

（1）　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-effectivelyearthedneutral）：

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