35kv电网单相接地故障与零序电流检测

9 本科生毕业 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 （论文） 题    目：35KV电网零序电流的检测及谐波分析            学生姓名：          袁 靖                         系    别：        机械与电气工程系               专业年级：电气工程及其自动化2008级本科四班              指导教师：          王 铭                        2012年 6 月 8 日 摘 要 小电流接地系统发生单相接地故障时，故障电流小，故障检测较为困难。对小电流接地系统单相接地故障选线的研究已有几十年的历史，但目前为止所提选线方法仍不能达到现场对选线可靠性较高的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 。文中利用Matlab对中性点不接地系统单相接地故障进行仿真，重点探讨了仿真模型的搭建过程；通过对各线路零序电流波形的分析，判断出故障线路；该方法简单、准确、可靠，较好解决了中性点不接地系统单相接地问题。 关键词：小电流接地系统；仿真；零序电流；三相电压；三相电流。 ABSTRACT The single phase grounding fault happens in the small current grounding power system，the fault current is small, fault detection is more difficult .In small current grounding system, fault line selection has been studied for decades, but now the select line methods can not achieve the site on line selection of high reliability requirements. In this paper, using matlab to simulate single-phase tc earth fault of the neutral undergrounding power system, by analy2 zing zero sequence current of each line, the fault line is judged. The method is simple exact and reliable, which well solves single-phase grounding fault of the neutral undergrounding power system. Key words: small current grounding power system； simulation; zero sequence current; three-phase voltage; three-phase current 目  录 摘 要    I 第一章  绪 论    1 1.1 课题研究背景    1 1.2 故障选线方法研究现状    1 1.2.1 传统方法    2 1.2.2 零序电流比幅法，零序电流比相法    2 1.2.3 零序有功电流方向法    2 1.2.4 小波分析法    3 第二章  基于Matalab小电流接地系统建模及仿真    4 2.1 中性点不接地系统单相接地故障的特性分析    4 2.2 小电流接地系统单相接地故障检测仿真分析    5 2.2.1 Matlab/Simulink简介    5 2.2.2 接地故障检测模型的搭建    6 第三章  谐波分析理论简介    11 3.1 谐波分析理论简介    11 3.2 谐波分析的作用    11 3.2.1 谐波研究的意义    11 3.2.2 谐波分析的方法    11 3.2.3 谐波分析的作用    12 3.2.4 基于傅里叶变换的谐波分析    12 第四章  零序五次谐波电流法选线    17 4.1 零序五次谐波电流的获取建模    17 4.2 零序五次谐波电流的仿真与分析    17 第五章  结论    20 参考文献    21 致谢    22 第一章  绪 论 1.1 课题研究背景 我国配电网一般采用中性点不接地或经消弧线圈接地的工作方式。当发生接地故障时，流过接地点的电流很小，所以常称为小电流接地系统。小电流接地系统发生单相接地故障时，三相线电压依然保持对称，不影响电网的正常运行，故不必立即跳闸，规程规定可以继续运行2~3个小时，担忧与接地点的出现，非故障相电压上升为原电压的 倍，容易在电网的薄弱地点引发令一点接地，形成异地两点相间短路，对安全生产造成很大的影响。因此，当单相接地故障出现时，希望能在短时间内尽快选出故障线路，并采取有效措施妥善处理。长期以来，针对小电流接地系统单相接地故障选线问题，广大电力工作者做了大量研究工作，出现了较多选线方法、措施及相关装置，但由于此类系统发生单相接地故障时故障点电流小、电弧不稳定等原因，接地故障选线的问题一直没有得到圆满解决，供电部门迫切希望能开发出切实可靠的故障选线新技术。小电流接地系统单相接地故障的检测问题依然需要进行进一步研究。 1.2 故障选线方法研究现状 我国从1958年起，就一直对小电流接地系统单相接地故障的选线问题进行研究，提出了多种选线方法，并开发了相应的装置。20世纪50年代我国有根据首半波极性研制成功的接地保护装置和利用零序电流五次谐波研制成功的接地选线定位装置。70年代后期，上海继电器厂和许昌继电器厂等单位研制生产了一批有选择性的接地信号装置，如反映中性点不接地系统零序功率方向保护ZD-4型保护，反映经消弧线圈接地系统5次谐波零序功率方向的ZD-5、ZD-6型保护。有些运行部门还采用反映零序电流增大的零序电流保护来选线。近几年来，随着微机在电力系统中的推广，相继又出现了一些微机型接地选线装置和适合微机实现的选线理论。其中有南自研究院研制的微机小电流接地系统单相接地选线装置，其主要原理是比较线路零序电流5次谐波的大小和方向；华北电力大学利用零序电流的5次谐波比相原理研制的ML98型小电流接地系统单相接地微机选线装置。 到目前为止，基于不同选线理论已经先后推出了几代产品。但在实际应用中，对于中性点不接地系统采用比幅、比相原理选线可以达到很高的准确率。但对于中性点经消弧线圈接地系统，基于稳态特征分量的选线效果就不很理想，所以此问题有必要进一步研究。 1.2.1 传统方法 绝缘监测装置利用接在公用母线的三相五柱式电压互感器，其一次线圈均接成星形，附加二次线圈接成开口三角形。接星形的二次线圈供给绝缘监察用的电压 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf ，保护及测量仪表。接成开口三角形的二次线圈供给绝缘监察继电器。系统正常时，三相电压之和为零，开口三角形的二次线圈电压为零，绝缘监察继电器不动作。当发生单相接地故障时，开口三角形二次端出现了零序电压，电压继电器动作，发出系统接地故障预告信号。 这是以前常规变电所使用最多，应用最广泛的绝缘监测装置，其优点是投资小，接线简单，操作及维护方便。缺点是只发出系统接地信号，没有选择性，不能准确判断发生接地的故障线路，影响了非故障线路的连续供电，不能满足日益发展的城乡经济对供电可靠性的要求。也正是由于以上缺点，我国从50年代末就开始研制小电流接地自动选线装置，并提出了多种选线方法。 1.2.2 零序电流比幅法，零序电流比相法 零序电流比幅法是利用流过故障元件的零序电流在数值上等于所有非故障元件的对地电容电流之和，即故障线路上的零序电流最大，所以只有通过比较零序电流幅值大小就可以找出故障线路。但这种方法不能排除因负荷变动带来电流波动的影响，若系统中存在某条线路的电容电流大于其他所有线路电容电流之和，装置容易发生误动，而且还受线路长短，系统运行方式及过渡电阻大小等个方面的影响。同时这种方法也不适用于经消弧线圈接地系统中，故目前已经很少采用。 零序电流比相法即零序电流相对相位法，是利用故障线路零序电流与非故障线路零序电流流动方向相反的特点，分别代表从线路流向母线或者由母线流向线路，从而找到故障线路。但这种方法在线路较短，零序电压电流较小时判据不够充分，不能适用于谐振接地时完全补偿，过补偿运行方式。因此该方法在理论上能够准确判断出中性点不接地系统故障线路，但不适合中性点经消弧线圈接地系统。 1.2.3 零序有功电流方向法 零序功率方向法即群体比幅比相法，综合利用零序电流比幅法和零序电流相对相位法，先进行零序电流比较，选出几个幅值较大的线路作为候选，然后在这个基础上进行相位比较，方向与其他线路不同的即为故障线路。 该方法在一定程度上解决了前两种方法存在的问题，但同样不能排除电流波动以及过渡电阻大小的影响。可用于中性点经消弧线圈并串电阻接地系统和中性点经高阻接地系统，但对于无并串电阻经消弧线圈接地系统，由于有功电流非常小，且受系统电网结构影响较大，当电网出线较少，无法实现选择性。 1.2.4 小波分析法 小波(Wavelet)这一术语，顾名思义，“小波”就是小的波形。所谓“小”是指它具有衰减性;而称之为“波”则是指它的波动性，其振幅正负相间的震荡形式。与傅里叶变换相比，小波变换是时间(空间)频率的局部化分析，它通过伸缩平移运算对信号(函数)逐步进行多尺度细化，最终达到高频处时间细分，低频处频率细分，能自动适应时频信号分析的要求，从而可聚焦到信号的任意细节，解决了傅里叶变换的困难问题，成为继傅里叶变换以来在科学方法上的重大突破。它与傅里叶变换、窗口傅里叶变换相比，这是一个时间和频率的局域变换，因而能有效的从信号中提取信息，通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺度细化分析(Multiscale Analysis)，解决了傅里叶变换不能解决的许多困难问题，从而小波变化被誉为“数学显微镜”，它是调和分析发展史上里程碑式的进展。 本论文通过深入的研究小电流接地系统单相接地故障零序电流波形，发现故障后暂态过程包含大量高频特征信息，而具有时频局部性和多变率分析的小波理论恰好能较好的提取该暂态高频特征。本文并利用MATLAB 6.5中的电力系统工具箱simpowersystems，详细叙述了带有三条出线的35kV小电流接地系统仿真模型的构建过程，并利用Powergui-continuous模块的傅里叶分析工具进行简单的谐波分析进而完成故障选线。 第二章  基于Matalab小电流接地系统建模及仿真 2.1 中性点不接地系统单相接地故障的特性分析 中性点接地系统网络接线如图 2.1所示，一条母线带三条出线，各出线都分别有各自的对地电容C1，C2，C3，其中线路3发生A相接地故障。 图2.1  中性点不接地系统发生单相接地故障示意图 由图可知，系统正常运行时，各相对地电压是相电压并且三相对称，中性点对地电压为零，电网中基本没有零序电压。由于线路的三相对地电容都相同，各相电容电流相等且超前相电压90°，所以在线电流中不存在零序分量。 但是在A相发生金属性接地以后，该相电压降为零，中性点电压上升成相电压。如果忽略负荷电流和电容电流在阻抗上的压降，系统中A相对地电压均为零，同时B相和C相对地电压升高为原来的 倍，即： （2-1） （2-2） （2-3） 故障点的零序电压为                   （2-4）                  在故障处非故障相中产生的电容电流为： （2-5） （2-6） 以下分析各线路的零序电流: 在非故障线路1上，A相电流为零，B相和C相流有本身的对地电容电流 和 ，故线路1始端的零序电流为: （2-7） 同理可得：在非故障线路2，线路的始端零序电流为： （2-8） 而在故障线路3上A相对地电容电流为零， B相和C相流有本身的对地电容电流 和 ，全系统对地电容电流之和从接地点流回，其值为 （2-9） 通过上述对中性点不接地系统的单相接地故障的分析，可以得到如下结论： (1)发生单相接地故障时, 全系统部将出现零序电压。 (2)故障相对地电压变为零，非故障相对地电压升高 倍。 (3)非故障线路上有零序电流流过。其数值等于本身的对地电容电流，电容性无功功率的方向为母线流向线路。 (4)故障线路流过的零序电流为全系统非故障元件对地电容电流之和，电容性无功功率的方向为线路流向母线。 (5)非故障线路的零序电压滞后零序电流90°，故障线路的零序电压超前零序序电流90°，即故障线路与非故障线路零序电流相位相差180°。 2.2 小电流接地系统单相接地故障检测仿真分析 2.2.1 Matlab/Simulink简介 MATLAB语言是Math. Works公司在20世纪80年代推向市 场的一种数值型计算软件。MATLAB软件具有编程效率高、程序 设计灵活、图形功能强等优点’在自动控制、信号处理、小波分析 等多个方向都有广泛的应用。MATLAB提供的Simulink工具箱是一个用来对动态系统进行建模 > 仿真和分析的软件包,为用户提供了用方框S来进行建模的模S窗口。 主要由以下六个子模块库组成：电源模块库：包括直流电压源、交流电压源、交流电流源、可控电压源、可控电流源、三相电源和三相可编程电压源； 1） 基本元件库：包括单相串/并联RLC负载/支路、三相串/并联RLC负载/支路单相/三相互感器、单相/三相断路器、分步参数线路等等； 2）电力电子模块库：包括二极管、晶闸管、GTO，MOSFET和理想开关等； 3) 电机模块库：包括励磁装置、水轮发电机及其调节器、异步电动机、同步电动机及其简化模型和永磁同步电动机等； 4) 连接模块库：包括接地、中性点和母线； 5) 测量模块库：包括单相电流/电压测量模块、万用表、阻抗测量模块、三相电流电压测量模块等。 2.2.2 接地故障检测模型的搭建 本文采用物理建模方法，运用 Matlalj6.5/Simulink对小电流接地系统进行仿真，在仿真的时候,仿真算法的选择很重要。这是因为,系统虽然在图形方式下建摸,但归根结底是对徽分方程组用不同的数值解法去处理,而小电流接地系统的模型是一个分布式参数的模型,往往采筒单的算法会出现算不出的现象,在这里我们一般采用Mallab6.5自带的ode23tb函数进行数值计算，它在解决某些病态方程时有较好的表现。仿真参数(Simulalion/parainelers)设置如下： 当电力系统发生单相接地故障时,影响接地电流大小的因素主要是零序电压和线路对地电容,而与负载基本无关。本文采用的是有4条出线的35kV系统。电源为一个简化摸型的三相电源,电压为110KV，频率为50Hz, 电阻为2 、电感为0.3 H、A相初相角为0°.降压变压为Y-Y接线，变比110KV/35KV,容量350MVA,采用中性点不接地。 线路的序参数为 : , , 零序参数为： ， ，     线路长度分别为: , , ,   图一是该小电流接地系统的仿真模型： 图一小电流接地故障仿真模型 2.2.3 系统故障模拟与数据处理 假设线路1在母线5Km处发生A相金属性接地故障，故障时刻t=0.02s,各出线零序电流及谐波处理：                                                                                                                                                              故障线路1的零序电流波形 非故障线路2的零序电流波形 非故障线路3的零序电流波形 非故障线路4的零序电流波形 改变线路的长度参数，使 , , , 使线路1在3km处发生金属性单相接地故障，可得各零序电流波形图为： 故障线路1的零序电流波形 非故障线路2的零序电流波形 非故障线路3的零序电流波形 非故障线路4的零序电流波形 根据仿真结果可知:    通过比较以上图形，我们可以发现：从0-0.02s时线路完好，三相电流对称，零序电流均接近0， 0.02s发生单相接地故障时，各线路均出现较大的零序电流，且线路1零序电流幅值明显大于其他两条线路，且零序电流方向也与另外两条线路相反。可判断是线路1发生了单相接地故障。 （1） 当系统发生单相接地故障后，才出现零序电压、零序电流，故障前系统中无零序电压、零序电流。 （2） 故障线路保护安装处流过的零序电流是非故障线路的零序电流之和，数值较大，在首半波相位与非故障线路的零序电流相反。 （3） 各条非故障线路长度不同时，产生的零序电流均不同，表明零序电流还受到线路长度的影响。 第三章  谐波分析理论简介 3.1 谐波分析理论简介 “谐波”一词起源于声学。有关谐波的数学分析在18世纪和19世纪已经奠定了良好的基础。傅里叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。 电力系统的谐波问题早在20年代和30年代就引起了人们的注意。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1945年J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。 到了50年代和60年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大量论文。70年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分的关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 和规定。 3.2 谐波分析的作用 3.2.1 谐波研究的意义 这主要是因为谐波的危害十分严重——谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。 3.2.2 谐波分析的方法 非正弦波里含有大量的谐波，不同的波形里含有不同的谐波成份。在倍频器、变频器里，就必须要进行谐波分析，分柝各次谐波的分布；在乐器、音响、放大器……也要分析谐波成份。奇次谐波，指频率为基波频率的3、5、7……倍的谐波；偶次谐波，指频率是基波频率的2、4、6……倍的谐波。对f(t)=-f(t+T/2)　的函数(T为函数周期)，偶次谐波及直流分量为0；对f(t)=f(t+T/2)　的函数，奇次谐波为0。 3.2.3 谐波分析的作用 （1）谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。 （2）谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。 （3）谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述（1）和（2）的危害大大增加，甚至引起严重事故。 （4）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。 （5）谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致住处丢失，使通信系统无法正常工作。 3.2.4 基于傅里叶变换的谐波分析 傅立叶变换的基本思想首先由法国学者傅立叶系统提出，所以以其名字来命名以示纪念。 从现代数学的眼光来看，傅立叶变换是一种特殊的积分变换。它能将满足一定条件的某个函数表示成正弦基函数的线性组合或者积分。在不同的研究领域，傅立叶变换具有多种不同的变体形式，如连续傅立叶变换和离散傅立叶变换。FFT（快速傅里叶变换）是一种实现DFT（离散傅里叶变换）的快速算法，是利用复数形式的离散傅里叶变换来计算实数形式的离散傅里叶变换）。   1）针对频域分析，尤其是对那些频率比较简单确定的信号，傅立叶分析具备良好的局部化性质，而且它很容易能够把一个周期信号转变成多频率成分相叠加的形式；但在时域分析中，傅立叶变换不能够从初始信号的变换中得出初始信号在任一时间点处的信息，因而它的时间局部性不行。小波分析的时频局部化能力恰能弥补前者的缺点。 2）窗口傅立叶变换的变换系数 主要取决于信号在 时间段中的情况，它的时间窗宽度是2 ，只能确定一个值。 3) 傅立叶变换中用到的基本函数只有 、sin( )和cos( )，因此傅立叶分析具有唯一的特性。 4）傅里叶变换适合于处理渐变信号或者实时信号，但不能灵敏地反映信号的突变特性。 利用FFT函数计算出的各次谐波图形及所占比例为： 故障线路1的各次谐波图形及比例 非故障线路2的各次谐波图形及比例 非故障线路3的各次谐波图形及比例 非故障线路4的各次谐波图形及比例 根据谐波图形分析可得： （1） 故障线路的2倍频谐波分量最多，而非故障线路的2倍频谐波交流分量占比例较少。 （2） 非故障线路的高次谐波分量所占比例较少，故障线路的高次谐波较。 （3） 故障线路与非故障线路五次谐波含量差异较大。 第四章  零序五次谐波电流法选线 由第三章的仿真结果及谐波图分析得出了：故障线路与非故障线路五次谐波含量差异较大。所以可利用其之间的差异进行选线，而且五次谐波选线法是谐波选线方法中算法最多、应用最广的一种可用于谐振接地系统的选线法。 4.1 零序五次谐波电流的获取建模 其中截取零序电流五次谐波的仿真图形如下： 4.2 零序五次谐波电流的仿真与分析 由仿真图得到的五次谐波为： 故障线路1的五次谐波零序电流 非故障线路2的五次谐波零序电流 非故障线路3的五次谐波零序电流 非故障线路4的五次谐波零序电流 根据仿真结果可知： (1) 线路的五次谐波零序电流幅值都比较小. 非故障线路中电流最大幅值不超过0.05A，故障线路电流幅值小于0.15A。在实际应用中如此小的电流很容易被各种干扰信号淹没,必须采用较精密的设备才能检测。 (2) 检测时间短，从波形图中可以看出：当在t=0.02s时刻发生单相接地故障，五次谐波零序电流仅仅持续了0.05s，t=0.07s时信号就基本消失了，这对检测的快速性提出了较高的要求。 经消弧线圈接地系统的消弧线圈是按照基波计算的，消弧线圈对于五次谐波几乎相当于开路，可忽略消弧线圈对五次谐波产生的补偿效果，可解决经消弧线圈接地系统接线问题。五次谐波法的最大优点是可以用于经消弧线圈接地的系统中，但对于检测设备的快速性、灵敏性等要求较高。不能用于干扰严重的系统中。 第五章  结 论 本论文通过深入地研究小电流接地系统单相接地故障过程及其故障后的零序分量，利用Matlab6.5/Simulink仿真软件搭建35KV小电流接地系统单相接地故障模型，得出故障后故障线路和非故障线路的区别，克服理论上的抽象性，帮助我们形象直观的理解系统的运行特性。首先，设计的关键是充分利用Matlab软件实现的建模，在建模过程中形成正确零序电流波形最重要的环节是选取参数；其次，基于傅里叶变换的谐波处理完成故障的选线；最后，根据故障相与非故障相五次谐波间的差异选线也是重要方法。 虽然谐波选线方法得以形成产品并推广应用，但是该方法实用效果并不理想。对于谐波选线的可靠性问题有相关报道，大多文献资料对谐波选线的分析着眼于谐波含量不稳定且幅值低、检测设备精度不高、网络形式以及线路长度等方面，对于谐波电流在电网中的含量、其分布特征以及故障点对谐波电流的影响等方面缺少深入的理论分析。小电流接地系统单相接地故障的检测问题依然需要进行进一步研究。 参考文献 [1] 吴天明等 Matlab电力系统设计与分析 北京 国防工业出版社 2004 [2] 何仰赞 温增银 电力系统分析 武汉 华中科技大学出版社 2006 [3] 李维波  MATLAB在电气工程中的应用 北京 中国电力出版社 2007 [4] 于群 曹娜 电力系统建模与仿真 北京 机械工业出版社 2011 [5] 李光琦 电力系统暂态分析 北京 中国电力出版社 2003 [6] 陈珩 电力系统稳态分析 北京 中国电力出版社 2007 [7] 黄家裕等 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