1、本科毕业论文（20 届）不对称接地引起的工频过电压的仿真分析所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文- I -不对称接地引起的工频过电压的仿真分析摘要工频过电压是由于空载长线路电容效应、不对称短路、甩负荷引起的电压升高，工频过电压是造成电网内高电压设备损坏的重要原因之一，工频电压升高其大小直接影响操作过电压的幅值，工频电压升高的数值是决定避雷器额定电压(它决定了避雷器的保护水平)的重要依据，且持续时间较长的工频电压升高，即使其幅值较其它过电压低，仍能决定设备内、外绝缘的设计，并且危及设备的安全运行。所以，要了解输电线路
2、过电压情况，以便采取防护措施，指导生产运行和科学试验，防止过电压损坏设备。基于对称分量法关于短路时的各相电流、电压的理论分析，利用MATLAB 软件中的 SIMULINK 模块建立电网的仿真模型， 对几种简单的不对接地引起的工频过电压进行了仿真分析，从仿真的图形上可以更直观的了解工频过电压发生时各相的电压变化。最后，模拟了输电线路串联补偿电容时的不对称接地引起的工频过电压的情况，发现串联补偿电容后可明显改善工频过电压的影响，为电网的运行安全可靠性和电网系统试验提供理论依据。关键词 工频过电压；不对称接地；对称分量法；仿真哈尔滨理工大学学士学位论文- II -Simulation on Powe
3、r Frequency Overvoltage caused by Asymmetric Earthing FaultAbstractThe frequency over-voltage is due to no-load long the capacitance effects, asymmetric short circuit, load rejection of the voltage caused by elevated. Frequency over-voltage is the main reason that caused the damage of high voltage e
4、quipments in power network. Frequency voltage raise decide the amplitude of switching over-voltage. It is to decide an important basis for the voltage rating of arrester. Even though it is lower than other over-voltage, it is decide the design of inner insulation and external of electrical equipment
5、, and endanger electrical equipment. So for any factual engineer, we must calculate the over-voltage，find out its condition, take protection measures, instruct producing course and scientific test, thus prevent the equipment from over-voltage. This paper discusses in detail the use of symmetrical co
6、mponent short-circuit point method to calculate the current, voltage basis. Use of MATLAB software SIMULINK lord of the simulation model of a build power grid, For simple wrong grounding caused by power frequency over-voltage simulation analysis. Both simplified the system model, and reduced the com
7、puting workload, from the simulation of the waveform more intuitive, closer to understanding industrial frequency overvoltage occur every phase voltage change. At last paper, simulated transmission lines series compensation capacitor when asymmetry caused by the ground work frequency of over-voltage
8、, discovered that after series compensation capacitor can improve frequency over-voltage, these results will propose theoretical basis to enhance the operation reliability for power network.Keywords power frequency overvoltage; asymmetric earthing fault; symmetrical component method; simulation哈尔滨理工
9、大学学士学位论文- III -目 录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 工频过电压概述 .11.2 国内外电力系统工频过电压研究现状 .11.3 不对称接地故障的危害和影响 .21.4 工频过电压的限制方法 .21.5 研究内容 .4第 2 章 电力系统的短路故障理论分析 .52.1 电力系统的短路故障简介 .52.2 无限大功率电源供电网络的三相短路 .52.3 单相接地故障 .92.4 两相接地故障 .122.5 本章小结 .14第 3 章 MATLAB 仿真 .153.1 MATLAB/ Simulink 简介 .153.2 输电线路的不对称接地简化模型仿真 .
10、153.2.1 单相接地故障的仿真分析 .163.2.2 两相接地故障的仿真分析 .173.2.3 三相接地故障的仿真分析 .183.3 输电线路串联电容补偿装置后不对称接地的仿真 .183.3.1 初始状态设置和稳态分析 .213.3.2 暂态分析 .233.4 本章小结 .24结论 .25致谢 .26参考文献 .27附录 .29哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第 1 章 绪论1.1 工频过电压概述通常情况下，电力系统处于正常的工作状态，系统的运行也正常，此时电气设备在额定的电压之下处于绝缘的状态，而一旦遭遇雷击或者由于操作不当、仪器发生故障或者参数配置不合理等原因，造成系统中的某区域的
11、局部电压升高而超出设备正常的运行范围称之为过电压 1。而当系 统中 在 操 作 或 接 地 故 障 时 发 生 的 频 率 等 于 工 频 或 接 近 工 频 的 高 于 系 统 最 高工 作 电 压 的 过 电 压 称 之 为 工 频 过 电 压 。当 系 统 操 作 、 接 地 跳 闸 后 的 数 百 毫 秒 之 内 ， 由 于 发 电 机 中 磁 链 不可 能 突 变 ， 发 电 机 自 动 电 压 调 节 器 的 惯 性 作 用 ， 使 发 电 机 电 动 势 保 持 不变 ， 这 段 时 间 内 的 工 频 过 电 压 称 为 暂 时 工 频 过 电 压 。 随 着 时 间 的 增
12、加 ，发 电 机 自 动 电 压 调 节 器 产 生 作 用 ， 使 发 电 机 电 动 势 有 所 下 降 并 趋 于 稳 定 ，这 时 的 工 频 过 电 压 称 为 稳 态 工 频 过 电 压 。由不对称的短路所引发的工频过电压，在单相短路或者两相不对称短路时，非故障相电压能够达到比较高的数值。特别是当系统的零序电抗与正序电抗之比在-1和-20 的范围内，将会产生较大的短路电流并且会引起非故障相电压大幅度的升高 2 。无论是在中低压电网还是特高压电网中工频过电压故障时很常见的，由于中低压电网传输能量相对较低，线路长度短，空载长线路的电容效应和线路甩负荷效应不常见，而不对称短路故障无论是在
13、哪种电网中都是最为常见的。1.2 国内外电力系统工频过电压研究现状随着电力系统容量的不断增大，电气联系更加紧密，电网的短路电流也随之增大，由此产生的电力系统安全稳定问题逐渐突出，同时也使得系统的运行方式受到诸多限制 4。由于短路电流的零序分量相间的电磁耦合，会使健全相出现工频电压升高，易使电网中绝缘水平较低的设备发生击穿，对电网的稳定运行造成威胁。因此，采取必要的限流措施势在必行。目前，国内外的电力系统主要从电网结构、运行方式和限流设备3个方面限制短路电流，主要措施有：电网分层分区运行 5-8、变电站母线分段运行 9-10、变压器中性点小电抗接地 11、采用高阻抗变压器和发电机、采用串联电抗器
14、 12-15等。电网分层分区运行是用较高电压等级的电网替代低电压等级的电网成为输电主干网，使复杂网络简化来有效限制并降低系统短路电流。变电所母线分段运行是将母线分列运行增大系统阻抗来降低短路电流水平。哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -变压器中性点经小电抗接地，单相短路电流较全部变压器直接接地小，降低单相短路电流效果明显。采用高阻抗变压器和发电机可以增大系统阻抗，降低短路电流水平。串联电抗器的本质是通过增加系统联系阻抗，降低电网的紧密程度，从而减小变电站母线某些分支的短路电流。超高压电网中限流电抗器的大规模应用，可有效降低短路电流水平。故障时，限流电抗器动作与其它保护措施的共同作用，将对线路过
15、电压水平产生新的影响 16-18。电抗器是依靠线圈的感抗，起阻碍电流变化的作用，限流电抗器能够在线路发生故障时，使后接设备的短路电流不超过容许值，母线电压保持在 ，减少断路器的开断容量，并保证可靠开断。%7061.3 不对称接地故障的危害和影响输电线路电线路发生单相接地故障后，变电站母线上的电压互感器检测到零序电流，在开口三角形上产生零序电压，电压互感器铁芯饱和，励磁电流增加，如果长时间运行，将烧毁电压互感器。单相接地故障发生后，可能发生间歇性弧光接地，造成谐振过电压，产生几倍于正常电压的过电压，过电压将进一步使线路上的绝缘子绝缘击穿，造成严重的短路事故，同时可能烧毁部分配电变压器，使线路上的
16、避雷器、熔断器绝缘击穿、烧毁，也可能发生电气火灾。严重的单相接地故障，可能破坏区域电网系统稳定，造成更大事故。对于导线落地这一类单相接地故障，如果接地配电线路未停运，对于行人和线路巡视人员(特别是夜间) ，可能发生人身触电伤亡事故，也可能发生牲畜触电伤亡事故。发生单相接地故障后，一方面要进行人工选线，对未发生单相接地故障的配电线路要进行停电，中断正常供电，影响供电可靠性，另一方面发生单相接地的配电线路将停运，在查找故障点和消除故障中，不能保障用户正常用电，特别是在庄稼生长期、大风、雨、雪等恶劣气候条件和山区、林区等复杂地区以及夜间，不利于查找和消除故障，将造成长时间、大面积停电，对供电可靠性产
17、生较大影响。据不完全统计，每年由于配电线路发生的单相接地故障，将少供电十几万度，影响供电企业的供电量指标和经济效益。发生单相接地故障时，由于配电线路接地相直接或间接对大地放电，将造成较大的电能损耗，如果按规程规定运行一段时间(不超过 2 小时)，将造成更大的电能损耗 19。1.4 工频过电压的限制方法电力系统的工频过电压对开关的工作条件，避雷器的保护性能和参数选择以及电气设备的绝缘配合等问题都有重大的影响。从避雷器的灭弧电压和开关的工作条件来说，要求将工频过电压限制在 1.3 倍以下。一、中低压电网中可以通过以下措施限制工频过电压1、从电力系统的结线和结构着手，就是说应从系统的设计和规划着哈尔
18、滨理工大学学士学位论文- 3 -手，采取相应措施。在我国，由于水利资源丰富，能源分散，能源距负荷中心较远，因此超高压长距离输电，甚至在很多情况下是幅射形输电，为着降低工频过电压，在电网规划时应尽可能选择大容量机组，密切电网的联系、扩大发电厂附近的地区负荷以及选择性能良好的自动电压调整器和快速继电保护装置。距离较长的线路，中间应有落点。对于大容量超长距离的输电干线，还应考虑发展用直流输电。2、对于现有运行的电网，许多条件已经固定，可以采取下述措施限制工频过电压，这些措施，在云南某线路近两三年来的运行实践中已经证明是有效的。(1)发电机组一定要投入自动电压调整励磁装置，禁止手动励磁的运行方式；(2
19、)应尽可能多带发电机端负荷。尤其是发电厂附近的无功负荷，对于抑制工频过电压更有利；(3)系统的正常操作或事故跳闸，应遵循下列顺序: 合闸时，先合线路末端( 电源容量较大的一端)，后合线路首端(电源容量较小的一端)，分闸时则反之；(4)在运行调度可能的情况下，应多开机组，适当降低机组的负荷率并提高线路输送负荷的功率因数；(5)机组的调速器性能必须保持良好。这不仅可以减小机组在系统事故过程中的相互冲击振荡，有利于系统的恢复，而且可以减少机组在甩负荷后的升速，也有利于降低稳态工频过电压；(6)提高系统的运行维护水平，减少和防止误操作和保护误功作，以减少工频过电压发生的可能性 20。二、在特高压电网中
20、可以通过以下措施限制工频过电压1. 并联高压电抗器由于并联电抗器的电感能够补偿线路的对地电容，减小流经线路的容性电流，消弱电容效应，所以采用并联高压电抗器是限制特高压输电线工频过电压的最主要手段。适当的选择电抗器的容量和安装位置则可将工频过电压限制在允许的范围内。此外，并联电抗器还涉及到无功平衡，潜供电流补偿等方面的问题，因此必须综合考虑系统的结构，参数，可能出现的运行方式及故障形式等各方面的因素，合理的选取电抗器的补偿度和安装位置。当工频电压升高超过一定值时，可在线路上安装并联电抗器来补偿线路的对地电容，消弱线路的电容效应，抑制线路的电压升高。电抗器视需要可以安装在线路的首端，末端或中部。2
21、.可调节或可控高抗重载长线80%一90% 左右的高抗补偿度，可能给正常运行时的无功补偿和电压控制造成相当大的问题，甚至影响到输送能力。解决此问题比较好的方法就是使用可控或可调节高抗: 重载时运行在低补偿度，这样由电哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -源向线路输送的无功减少，使电源的电动势不至于太高，还有利于无功平衡和提高输送能力，当出现工频过电压时，快速控制到高补偿度。3.金属氧化物避雷器随着金属氧化物避雷器(MOA)性能的提高，使用MOA 限制短时高幅值工频过电压成为可能，但这会对MOA 能量提出很高要求，在中国由于采用了高压并联电抗器，不需要将MOA 作为限制工频过电压的主要手段，仅在特殊
22、情况下考虑采用。1.5 研究内容输电线路中不对称接地故障是比较常见的故障，而随着电力系统容量的不断增大，电气联系更加紧密，不对称接地故障引起的问题也越来越复杂。本文研究内容如下：1.用对称分量法分析三相短路接地、单相短路接地和两相短路接地中的各相电压、电流；2.在 MATLAB/SIMULINK 中进行输电线路的不对称接地简化模型仿真，观察故障相和非故障相的电压变化；3. 对输电线路串联电容补偿装置后不对称接地进行仿真，观察串联电容补偿装置后单相接地故障中其它两相的电压变化。哈尔滨理工大学学士学位论文- 5 -第 2 章 电力系统的短路故障理论分析2.1 电力系统的短路故障简介为保证电力系统的
23、安全、可靠运行，在电力系统设计和运行分析中，不仅要考虑系统在正常状态下的运行情况，还要考虑系统发生故障时的运行情况及故障产生的后果等。电力系统短路时各种系统故障中出现最多、情况最为严重的一种。所谓“短路” ，就是电力系统中一切不正常的相与相之间或相与地之间发生通路的情况 1。短路的类型有：三相短路、两相短路、单相接地短路及两相接地短路。三相短路时，由于被短路的三相阻抗相等，因此，三相电流和电压仍是对称的，又称为对称短路。其余几种类型的短路，因系统的三相对称结构遭到破坏，网络中的三相电压、电流不在对称，故称为不对称短路。运行经验表明，在四种短路类型中，单相短路接地故障发生的概率最高，可达 65%
24、，两相短路约占 10%，两相短路接地约占 20%，三相短路约占 5%。虽然三相短路发生的概率最小，但他对电力系统的影响最严重 1此外，三相短路计算又是一切不对称短路计算的基础。一切不对称短路的计算，都可以应用对称分量法，将其转化为对称短路的计算。2.2 无限大功率电源供电网络的三相短路无限大功率电源是指容量为无限大，内阻抗为零的电源。对于这种电源，尤其外电路发生短路而引起的功率变化对它来说影响甚微，又由于内阻抗为零而不存在内部电压降，所以，电源的端电压保持恒定。当电源的容量足够大时，其等值内阻抗就很小，这时若在电源外部发生短路，则整个短路回路中各个元件（如输电线、变压器、电抗器等）的等值阻抗将
25、比电源的内阻抗大得多，因而电源的端电压变化甚微，在实际计算中，可以认为没有变化，即认为它是个恒压源。在短路计算中，当电压源内阻抗不超过短路回路总阻抗 5%10%就可以近似认为此电源为无限大功率电源。一、短路暂态过程分析哈尔滨理工大学学士学位论文- 6 -(a) 三相电路 (b)单相等值电路图 2-1 无限大功率电源供电的三相对称短路图 2-1 为一简单的三相 R-L 电路。短路前电路处于稳态。由于电路三相对称可只写出其中一相电压和电流的算式(2-1)sin(tUum(2-2)0Ii式中， ， 。22)()(LRIm )( RLarctg当 k 点发生三相短路时，此电路被分成两个独立的电路。左边
26、电路仍与电源相连，而右边的电路则变成没有电源的短路电路，电流将从短路发生瞬间的初值不断地衰减到磁场中所储藏的能量全部变为电阻中所消耗的热能为止，电流衰减为零。在与电源相连的电路中，每相阻抗由原先的减小到 。由于阻抗减小，其电流必将增大至)()(LjRLjR由阻抗 所决定的心稳态值。短路暂态过程的分析与计算主要针对这一电路。设在 t=0 时发生短路，因左边电路仍旧是三相对称的，取其中一项进行分析，如 a 相，其微分方程式为(2-3)sin(tURidtLma这是一阶常系数线性非齐次微分方程，其接即为短路时的全电流，它由两部分组成：第一部分是方程式（2-3）的特解，代表短路电流的强制分量；第二部分是方程式（2-3）所对应的齐次方程 的通解，0dtiLRia代表短路电流的自由分量。短路电流的强制分量，是由电源电势的作用所产生的，与电源电势具有相同的变化规律，其幅值在暂态过程中保持不变。由于此分量是周期性变化的，故有称周期分量其表达式为(2-4)sin()sin( tItZUi pmmp
