基于PSCADEMTDC的小電流單相接地故障模型仿真畢業(yè)設(shè)計

編號畢業(yè)設(shè)計（論文）題目基于PSCAD/EMTDC 的小電流單相接地故障模型仿真二級學(xué)院電子信息與自動化學(xué)院專業(yè)電氣工程及其自動化摘要第一小段，應(yīng)該介紹一下你論文的意義。然后下面再開始介紹你的工作建立了小電流接地系統(tǒng)的仿真模型，利用電磁暫態(tài)程序PSCAD/EMTDC全面仿真了不同故障情況對故障穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)電壓、電流幅值特征和相位特征產(chǎn)生的影響,（這句話太拗口）并得到了相應(yīng)的零序電壓及零序電流的幅值、相位及波形。通過對仿真數(shù)據(jù)及波形的進一步分析，得出了小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時的運行特點,驗證了小電流接地故障穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)分析理論的科學(xué)性、合理性。為了提取配電網(wǎng)單相接地故障選線和故障測距的暫態(tài)故障特征量,基于PSCAD/EMTDC的仿真環(huán)境,搭建了小電流接地系統(tǒng)的配電網(wǎng)絡(luò)仿真模型并綜合考慮不同短路時刻、不同接地電弧電阻、不同故障距離和線路長度等多個因素,對配電網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)的單相接地故障進行了大量仿真。在配電網(wǎng)單相接地短路故障后的第1個工頻周波(0~0.02s)內(nèi)故障線路的零序電流包絡(luò)線的變化速度比非故障線路變化緩慢,包絡(luò)面積大,但與非故障線路首半波極性相反。仿真分析表明此暫態(tài)特性不受短路時刻、電弧電阻、故障距離和消弧線圈被償度的影響,為單相接地故障選線和故障測距的研究提供了理論依據(jù)。居然沒有目錄和參考文獻(xiàn)，參考文獻(xiàn)至少要30篇，最好超過40篇，要標(biāo)注在論文里面，你的論文的整體結(jié)構(gòu)還可以，也比較認(rèn)真，再繼續(xù)修改一下再拿來我看，要修改好的正式文檔關(guān)鍵詞：小電流接地系統(tǒng)；單相接地故障；故障選線；PSCAD/EMTDC仿真;選線原理;補償度;故障相電壓AbstractAsimulationmodelofnon-solidlygroundedsystemispresentedinthepaper.Overallsimulatingofamplitudeandphasecharacteristicsofsteady-stateandtransientfaultvoltageandcurrentondiversefaultconditionsisperformedbyusingElectromagneticTransientProgramPSCAD/EMTDC.Theamplitude,phaseandwaveformofthecorrespondingzerosequencevoltageandcurrentcanbeobtainedbythedesigningprogram.Byfurtheranalyzingthesimulationdateandwaveform,thebasicprinciplesandcharacteristicsoflow-currentgroundingpowersystemswerepresented,verifyingtheanalyticaltheoriesofthesteadyfaultandtransientfaultsinglePhasegroundingscientificandreasonable.Thetransientcharacteristicofsingle-phasetogroundfaultisusedforthefaulselectionandfaultdistancedetectionindistributionnetwork.ThedistributionnetsimulationmodelisestablishedfortheNeutralUneffectualGroundedSystem(NUGS),Variousfactors,suchasdifferentshortcircuitime,arc-resistances,faultdistances,linelengthandthecompensationratesofarc-suppressioncoil,shouldbepintooverallconsideration.Thesingle-phasetogroundfaultoftheNUGSissimulatesoastoresearchthetransientcharacteristicsofsingle-phasetogroundfaultindistributionnetwork.Throughanalyzingthesetransientcharacteristicssuchaszero-sequencecurrentandvoltage,fault-phasevoltageandcurrent,itisconcludedthatthesetransientcharacteristicschangewiththedifferentshortcircuittime,arc-resistances,faultdistancesandthecompensationratesofarc-supperessioncoil,whichprovideatheorybasistostudythefaultlineselectionandfaultdistancedetectionforthesingle-phasetogroundfaultindistributionnetwork.Keywords:non-solidlygroundedsystem;single-phaseearthfault;faultyfeederselection;PSCAD/EMTDCsimulation;optionprinciple；compensationrate;voltageoffault-phase沒有目錄？沒有目錄？第1章緒論1.1課題研究的意義電力系統(tǒng)中，配電系統(tǒng)同電力用戶的關(guān)系最密切，最直接，配電網(wǎng)量大面廣，擔(dān)負(fù)著直接為廣大用戶供電的任務(wù)，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們對電力的需求日益增長，同時對供電質(zhì)量提出了更高的要求。在我國6~66KV配電網(wǎng)中,廣泛采用點中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地(諧振接地)的運行方式，即為小電流接地系統(tǒng)。此種系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時電流較小，電網(wǎng)線電壓仍然對稱，通常允許其維持運行一段時間。但隨著系統(tǒng)容量的增長，饋線增多，尤其是電纜線路的大量使用，導(dǎo)致系統(tǒng)電容電流增大，長時間運行可能會發(fā)展成兩相短路，也易誘發(fā)持續(xù)時間長、影響面廣的間歇電弧過電壓，進而損壞設(shè)備，破壞系統(tǒng)安全運行。因此應(yīng)盡快找到故障線路排除故障。針對這一問題，多種解決方案陸續(xù)提出，然而很久以來沒有得到圓滿解決。造成選線問題難以解決的主要原因是:第一，故障狀況復(fù)雜,可能是穩(wěn)定型故障或斷續(xù)型故障，可能是電阻型故障或電弧型故障:故障狀況不同，產(chǎn)生的故障量在數(shù)值上、變化規(guī)律上相差懸殊;第二，小電流接地電網(wǎng)單相接地故障電流僅為線路對地電容電流，數(shù)值非常小，有些故障情況下零序電流可能低于零序CT下限值，測量誤差較大;第三，現(xiàn)場電磁干擾以及零序回路對高次諧波及各種暫態(tài)量的放大作用，使檢測出的故障成分信噪比非常低;第四，對于架空線路，需使用零序濾過器獲得零序電流，而零序濾過器存在不平衡電流，一次電網(wǎng)的不平衡也產(chǎn)生零序電流，這些附加電流疊加在微弱的故障電流上，不容易分離出去?？梢钥闯?，選線困難的根本原因是故障信號微弱，并受制于現(xiàn)有的傳變測量環(huán)節(jié)的精度水平，導(dǎo)致各種不利因素的影響非常嚴(yán)重。隨著近一二十年信息技術(shù)的跨越發(fā)展，尤其是小波理論的完善成熟，基于對故障暫態(tài)信息進行檢測分析的故障選線技術(shù)被提出。這種方法主要是利用故障信號奇異性、頻率結(jié)構(gòu)的變化以及脈沖響應(yīng)函數(shù)的小波變換來對故障進行識別分析。研究小電流接地系統(tǒng)單相接地暫態(tài)過程特點是單相接地故障選線和測距方法的理論基礎(chǔ),目前關(guān)于這方面的文獻(xiàn)很少。因此，對這一課題重新研究顯的更有現(xiàn)實意義。由于本課題涉及面廣，對專業(yè)知識的要求也比較高，因此，我和田文學(xué)共同完成這一課題。我負(fù)責(zé)對小電流單相接地故障進行建模，并用PSCAD4.2進行仿真，獲得圖形、數(shù)據(jù)；田文學(xué)用MATLAB7.1進行小波分析，并選出故障線路。1.2課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1小電流接地系統(tǒng)單相接地選線的研究現(xiàn)狀電力系統(tǒng)的中性點接地方式是一個綜合性的技術(shù)和經(jīng)濟問題，它與系統(tǒng)的供電可靠性、人身安全、設(shè)備安全、絕緣水平、過電壓保護、通信干擾(電磁環(huán)境)及接地裝置等問題有密切的關(guān)系。在原蘇聯(lián)，小電流接地得到了廣泛的應(yīng)用，其保護原理從過流、無功方向，發(fā)展到了群體比幅;日本在供電、鋼鐵、化工用電中普遍采用中性點不接地或經(jīng)電阻接地的方式，所以選線原理簡單，采用基波無功方向方法。德國多使用諧振接地的方式，并于上個世紀(jì)30年代就提出了反映接地故障開始時暫態(tài)過程的單相接地保護原理。法國在使用中性點經(jīng)電阻接地幾十年后，現(xiàn)在正以諧振接地取代電阻接地，并開發(fā)出了基于零序?qū)Ъ{接地保護的選線設(shè)備。在我國，從1958年起就一直對此問題進行研究，提出了多種選線方法，并開發(fā)了相應(yīng)的裝置。這些方法均以零序電壓來啟動保護或選線裝置，根據(jù)是否利用故障電流可分為兩類，第一類:如比幅法、比相法、群體比幅比相法、首半波法、諧波電流方向法、五次諧波分量法、有功分量法、能量法以及近年出現(xiàn)的小波分析的方法、最大Isin原理、模糊推理或模式識別來實現(xiàn)故障選線的多種方法;第二類:如拉線法、注入信號跟蹤法。其中利用故障電流的方法還可以細(xì)分為基于工頻量的方法和基于故障暫態(tài)過程的方法。在基于穩(wěn)態(tài)量的選線方法中，零序電流法在線路長短差別很大并且故障發(fā)生在短線上的情況下，或接地電阻很大故障電流很小的情況下，很容易誤判，所以該方法幾乎被淘汰。群體比幅比相法及無功方向法在基波電流很小的情況下(如高阻接地或不穩(wěn)定電弧接地)，不平衡電流、測量誤差等干擾因素的影響非常嚴(yán)重，在消弧線圈接地的電網(wǎng)中，需要采用五次諧波進行判斷，而電網(wǎng)中五次諧波電壓很小，在故障電阻較大的單相接地故障中，五次諧波電流幾乎為零。對于有功分量法，在中性點不接地電網(wǎng)中，或無串并聯(lián)電阻的消弧線圈接地電網(wǎng)中，故障電流有功分量非常小，尤其對于某些故障類型，故障電流本身已經(jīng)小到很難測準(zhǔn)的程度，再從中提取份額很小的有功分量，就很難具說服力?；陔娏髟隽康挠泄Ψ至窟x線方法，選線效果會有很大的改善，但電流增量法在故障電阻很大的情況下也會誤判，目前主要應(yīng)用于解決消弧線圈接地電網(wǎng)的選線保護。零序?qū)Ъ{法在國外研究較多，主要用來檢測高阻接地故障，這種方法需要復(fù)雜的信號處理技術(shù)和靈敏、精確的測量傳送通道為保障，否則將得不到可靠的基波電流相量，從而誤判。對于負(fù)序電流法，由于單相接地故障產(chǎn)生的負(fù)序分量和零序分量幅值相等，而負(fù)序電流的不對稱對負(fù)序電流影響非常大，當(dāng)故障電流很小時，信號獲取上的困難比零序更大。最大Isin法理論上消除了CT平衡的影響，但計算過程中需要取一參考信號，若該信號出問題將造成該算法失效，并且計算過程中需求出有關(guān)相量的相位關(guān)系，計算量大。利用穩(wěn)態(tài)信號的方法由于穩(wěn)態(tài)接地電流微弱，電弧不穩(wěn)定等原因誤選率很高，近年來的研究熱點主要集中在利用暫態(tài)信號來構(gòu)造選線算法。在基于暫態(tài)量的選線方法中，早期的有暫態(tài)電流首半披法，主要是利用零序電壓瞬時值與非故障線路零序電流瞬時值在故障后的第一個半波里具有相同的極性，與故障線路零序電流瞬時值則具有相反的極性。首半波法在應(yīng)用中的問題首先是抗干擾問題，當(dāng)信號微弱時，通道零漂、不平衡電流等各種干擾可能改變首半波的極性;另一個問題是在某些故障中沒有明顯的首半波。暫態(tài)電流幅值與極性比較法是穩(wěn)態(tài)選線法中的比幅比相法在暫態(tài)信號中的推廣，通過比較暫態(tài)零序電流幅值和極性來選擇故障電路。但這種方法理論上分析并不十分嚴(yán)格，并且頻帶不經(jīng)劃分的暫態(tài)信號成分復(fù)雜，易引起誤判。暫態(tài)電流方向法〔161實質(zhì)上也是一種極性比較法，分別比較特定頻帶內(nèi)母線零序電壓與本線路零序電流的導(dǎo)數(shù)，無需利用其它線路信息，具有“自具”特點。小波理論的完善與發(fā)展為選線算法提供了有力的工具，利用時間有限且頻帶也有限的小波函數(shù)代替穩(wěn)態(tài)正弦信號作為基函數(shù)對暫態(tài)信號進行分解，可以更好地反映暫態(tài)信號包含的頻率成分隨時間變化的特點。其它的利用故障電流的方法還有能量法，把故障后的全部過程均以能量的觀點來解釋，根據(jù)系統(tǒng)接地后能量函數(shù)的符號和大小來識別故障線路。模糊推理、模式識別的方法，實質(zhì)就是應(yīng)用模糊推理對群體比幅比相方案進行完善，將多種方案綜合考慮，按模糊決策組合來確定故障線路。若將故障后各條線路零序電流看成某類故障的一個模式，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對樣本訓(xùn)練與學(xué)習(xí)來判斷此故障模式所屬類別來選線，就是典型的模式識別問題。這些方法目前還停留在理論研究階段，具體應(yīng)用效果還需進一步驗證與研究。不利用故障電流的方法有傳統(tǒng)的拉線法，即故障發(fā)生后采用人工逐條線路拉閘的方法判斷哪條線路出現(xiàn)故障，當(dāng)故障線路被拉閘時，接地故障指示將消失，這就可以確定故障線路。拉線法會造成一些用戶的瞬時停電，并對電網(wǎng)形成沖擊，容易產(chǎn)生操作過電壓和諧振過電壓，這種傳統(tǒng)的人工選線方法既浪費人力，增加設(shè)備負(fù)擔(dān)又降低了供電的可靠性和安全性。另一種不利用故障信息的方法稱為信號注入法或“S注入法”，主動地注入一個選線信號，思路上很先進，但仍有如下幾個缺點:①注入信號的功率不夠大，變換到高壓側(cè)的注入信號非常微弱，很難準(zhǔn)確測量；②非故障線路中也會有注入頻率的對地充電電流，在故障電阻較大的情況下，故障線路與非故障線路上的信號差異不明顯；③需要階加信號裝置。綜上所述，小電流故障選線保護從構(gòu)造思路上、設(shè)計方法上形式多樣，充分說明了選線保護問題的重要性和復(fù)雜性。選線保護裝置多年來的運行情況也暴露出在保護原理、技術(shù)上的不成熟，因此研究新的保護原理和開發(fā)新的保護裝置仍然是十分迫切和必要的。1.2.2電力系統(tǒng)仿真軟件的應(yīng)用現(xiàn)狀電力系統(tǒng)仿真就是通過建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型來模擬實際電路的一種研究方法,隨著電力系統(tǒng)的不斷擴大和網(wǎng)絡(luò)化,實際電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎到y(tǒng)變得越來越復(fù)雜,而這時候掌握高效的模擬仿真計算軟件也變得越來越重要,隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展,電力系統(tǒng)仿真軟件已成為電力系統(tǒng)工作者進行電力系統(tǒng)規(guī)劃、保護、調(diào)度及故障研究的重要工具。當(dāng)今比較流行的電力系統(tǒng)仿真軟件有：加拿大Manitoba大學(xué)高壓直流輸電研究中心DennisWoodford博士等人研制的用于電力系統(tǒng)時域和頻域仿真計算的軟件包PSCAD/EMTDC;最初由加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)(UBC)的H.W.Dommel教授創(chuàng)立,又經(jīng)過很多專家的共同努力而不斷完善的電力系統(tǒng)分析程序EMTP；德國西門子公司開發(fā)的NE-TOMAC軟件；美國電力公司(PTI)開發(fā)的PSS/E(PowerSystemSimulatorforEngineering),Mathworks公司開發(fā)的MATLAB(大于5.2版本)中所包含的PowerSystemBlockset(PSB)工具箱；以及中國電力科學(xué)院給出的基于DOS系統(tǒng)的電力系統(tǒng)潮流,暫態(tài)穩(wěn)定和短路電流計算的仿真軟件PSASP等。上述幾種軟件的應(yīng)用現(xiàn)狀:1)EMTP和NETOMAC都是世界范圍通用的電力系統(tǒng)仿真軟件,其特點為計算速度快、結(jié)果準(zhǔn)確度高、功能強大,幾乎可以對任何復(fù)雜電力網(wǎng)絡(luò)進行模擬。EMTP不僅用來研究電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)過程,而且可以用來求解一般的電氣電子線路,以及能等價地用電氣電路來分析任何問題,都可以用EMTP來求解。NETOMAC在時域可對電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)過程和機電暫態(tài)過程進行仿真。NETOMAC不僅是一個優(yōu)秀的電力系統(tǒng)計算機仿真軟件，而且還可廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的實時仿真。2)PSS/E是一個集成化的交互式軟件,主要用于電力系統(tǒng)的潮流計算,界面友好,可有計算機軟件人員對其進行界面設(shè)計?？膳c多種輸出設(shè)備相連,輸入輸出可根據(jù)用戶要求進行設(shè)計,它要求使用者有一定的編程基礎(chǔ),輸入不如EMTP和PSASP方便。3)PSB特點為可以對復(fù)雜的控制方法進行仿真,如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、魯棒特性等,而且界面相當(dāng)友好,有在線幫助等功能,但其運算速度比其它軟件要慢。4)PSASP特點在于其使用簡單,功能簡單齊全,但計算模式有局限性,不易進行復(fù)雜模型的算法仿真。5）PSCAD/EMTDC自1976年開始至今,經(jīng)過大量的研發(fā)、拓展、完善工作,軟件包已具有豐富、準(zhǔn)確的元件庫、模型庫,成為以EMTDC為核心,以PSCAD為圖形界面友的新一代仿真程序。軟件包以精確、高效、便捷、界面友好等特點被廣大電力系統(tǒng)研究、分析人員所推崇,廣泛用于電力系統(tǒng)暫態(tài)過程計算、直流系統(tǒng)分析與工程研究、FACTS控制器設(shè)計、電能質(zhì)量現(xiàn)象分析和電力電子器件設(shè)計等領(lǐng)域。綜上所述，電力系統(tǒng)系統(tǒng)數(shù)字仿真是一門新興學(xué)科，是計算機科學(xué)、計算數(shù)學(xué)、控制理論和專業(yè)應(yīng)用技術(shù)等學(xué)科的綜合。系統(tǒng)仿真包括建立數(shù)學(xué)模型、建立仿真模型和在模型上做試驗3個主要步驟。綜合考慮各種仿真軟件，并結(jié)合本科階段課程學(xué)習(xí)情況，以及PSCAD/EMTDC對電力系統(tǒng)暫態(tài)分析的專業(yè)性、方便性，擁有完整全面的元件庫，穩(wěn)定的計算流程，友好的圖形界面，使它在全世界得到了廣泛的應(yīng)用。在我國國內(nèi)，電磁暫態(tài)程序中用的最多的也是PSCAD。故最后選定PSCAD/EMTDC4.2來實現(xiàn)對此次設(shè)計的仿真。1.2.3本論文的主要工作本論文針對小地流接地系統(tǒng)的自身特點，電流接地系統(tǒng)的單相接地故障選線這一難題。主要完成以下幾方面內(nèi)容:1)分析小電流單相接地故障暫態(tài)信號；2)了解小電流接地系統(tǒng)的特點，建立一35kV配電網(wǎng)的PSCAD/EMTDC仿真模型，并仿真在不同接地點、過渡電阻、合閘角等狀況下的單相接地故障信號；3)用MATLAB7.1對波形進行簡單處理分析。第2章PSCAD/EMTDC軟件簡介DennisWoodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水電局開發(fā)完成了EMTDC的初版，是一種世界各國廣泛使用的電力系統(tǒng)仿真軟件，PSCAD是其用戶界面，PSCAD的開發(fā)成功，使得用戶能更方便地使用EMTDC進行電力系統(tǒng)分析，使電力系統(tǒng)復(fù)雜部分可視化成為可能，而且軟件可以作為實時數(shù)字仿真器的前置端。可模擬任意大小的交直流系統(tǒng)。操作環(huán)境為：UNIXOS,Windows95,98,NT等；Fortran編輯器；瀏覽器和TCP/IP協(xié)議。2.1功能可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中斷路器操作、故障及雷擊時出現(xiàn)的過電壓可對包含復(fù)雜非線性元件（如直流輸電設(shè)備）的大型電力系統(tǒng)進行全三相的精確模擬，其輸入、輸出界面非常直觀、方便進行電力系統(tǒng)時域或頻域計算仿真電力系統(tǒng)諧波分析及電力電子領(lǐng)域的仿真計算實現(xiàn)高壓直流輸電、FACTS控制器的設(shè)計2.2技術(shù)背景程序EMTDC（ElectroMagneticTransientinDCSystem）是目前世界上被廣泛使用的一種電力系統(tǒng)仿真分析軟件，它即可以研究交直流電力系統(tǒng)問題，又能完成電力電子仿真及其非線性控制的多功能（VersatileTool）工具。PSCAD（PowerSystemComputerAidedDesign）是EMTDC的前處理程序，用戶在面板上可以構(gòu)造電氣連接圖，輸入各元件的參數(shù)值，運行時則通過FORTRAN編譯器進行編譯、連接，運行的結(jié)果可以隨著程序運行的進度在PLOT中實時生成曲線，以檢驗運算結(jié)果是否合理，并能與MATLAB接口。EMTDC/PSCAD主要功能是進行電力系統(tǒng)時域和頻域計算仿真，典型應(yīng)用是計算電力系統(tǒng)遭受擾動或參數(shù)變化時，電參數(shù)隨時間變化的規(guī)律；另外EMTDC/PSCAD還可以廣泛的應(yīng)用于高壓直流輸電、FACTS控制器的設(shè)計、電力系統(tǒng)諧波分析及其電力電子仿真。軟件還可以作為實時數(shù)字仿真器（RealTimeDigitalSimulator，RTDS）的前置端(FrontEnd)。此外，EMTDC/PSCAD還具有強大的自定義功能，用戶可以根據(jù)自己的需要創(chuàng)建具有特定功能的裝置。實時回放系統(tǒng)（RTP）是基于EMTDC/PSCAD軟件的測試系統(tǒng)，它可以結(jié)合EMTDC/PSCAD計算產(chǎn)生的結(jié)果（信號）來測試?yán)^電保護系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)。2.3主要的研究范圍PSCAD/EMTDC在時間域描述和求解完整的電力系統(tǒng)及其控制的微分方程(包括電磁和機電兩個系統(tǒng))。這一類的模擬工具不同于潮流和暫態(tài)視定的模擬工具。后者是用穩(wěn)態(tài)解去描述電路(即電磁過程)。但是在解電機的機械動態(tài)(即轉(zhuǎn)動慣量)微分方程。PSCAD/EMTDC的結(jié)果是作為時間的即時值被求解。但通過內(nèi)置的轉(zhuǎn)換器和測量功能(象實有效值表計，或者快速傅里葉變換頻譜分析等)。這些結(jié)果能被轉(zhuǎn)換為矢量的幅值和相角。實際系統(tǒng)的測量能夠通過很多途徑來完成。由于潮流和穩(wěn)定的程序是通過穩(wěn)定方程來代表，它們只能基頻段幅值和相位。因此PSCAD的模擬結(jié)果能夠產(chǎn)生電力系統(tǒng)所有頻率的相應(yīng)，限制僅在于用戶自己選擇的時間步長。這種時間步長可以在毫秒到秒之間變化。典型的研究包括：研究電力系統(tǒng)中由于故障或開關(guān)操作引起的過電壓。它也能模擬變壓器的非線性(即飽和)這一決定性因素。多運行工具(Multiplerunfacilities)經(jīng)常用來進行數(shù)以百計的模擬從而在下列不同情況下發(fā)生故障時最壞的情況。故障發(fā)生在波形的不同位置，故障的類型不同，故障點不同。在電力系統(tǒng)中找出由于雷擊發(fā)生的過電壓。這種模擬必須用非常小的時間步長來進行。(毫微秒級)研究電力系統(tǒng)由于SVC，高壓直流接入，STATCOM，機械驅(qū)動(事實上任何電力電子裝置)所引起的諧波。這里需要詳細(xì)的可控硅，GTO，IGBT，二極管等的模型以及相關(guān)的控制系統(tǒng)模型(模擬量的和數(shù)字量的二種類型)。對給定的擾動，找出避雷中最大能量。調(diào)整和設(shè)計控制系統(tǒng)以達(dá)到最好的性能；多重運行工具常被用來同時自動調(diào)整增益和時間常數(shù)。當(dāng)一個大型渦輪發(fā)電機系統(tǒng)與串聯(lián)補償?shù)木€路或電力電子設(shè)備互相作用時，研究次同步諧振的影響。STATCOM或電壓源轉(zhuǎn)換器的建模，(以及它們相關(guān)控制的詳細(xì)建模)。研究SVCHVDC和其它非線性設(shè)備之間的相互作用；研究在諧波諧振，控制，交互作用等引起的不穩(wěn)定性；研究柴油機和風(fēng)力發(fā)電機對電力網(wǎng)的沖擊影響；絕緣配合；各種類型可變速裝置的研究，包括雙向離子變頻器，運輸和船舶裝置；工業(yè)系統(tǒng)的研究，包括補償控制，驅(qū)動，電爐，濾波器等；對孤立負(fù)荷的供電；2.4目前應(yīng)用情況現(xiàn)在新版的EMTDC/PSCAD不但有工作站版（Workstation），而且有微機版（PC版）,其大規(guī)模的計算容量、完整而準(zhǔn)確的元件模型庫、穩(wěn)定高效率的計算內(nèi)核、友好的界面和良好的開放性等特點，已經(jīng)被世界各國的科研機構(gòu)、大學(xué)和電氣工程師所廣泛采用。我國清華大學(xué)、浙江大學(xué)、中國電力科學(xué)研究院和南京自動化研究所等都相繼引進了EMTDC/PSCAD、RTP和RTDS。MATLAB雖然使用很方便，但所得出的仿真結(jié)論在行業(yè)內(nèi)的認(rèn)可程度很低。而EMTDC/PSCAD因擁有完整全面的元件庫，穩(wěn)定的計算流程，友好的圖形界面，使它在全世界得到了廣泛的應(yīng)用。在我國國內(nèi)，電磁暫態(tài)程序中用的最多的也是PSCAD。2.5各版本限制學(xué)生版(Student)教育版(Educational)專業(yè)版(Professional)電氣子系統(tǒng)11無限制電氣節(jié)點15200無限制頁面模塊5641024元件32,76832,76865,536表2-1版本2.6目前最新版本：PSCAD第四版強有力和動態(tài)的控制卓越的繪圖功能最新的與WINDOWS匹配的界面更佳仿真性能強有力的視覺工具延展數(shù)據(jù)輸入和輸出工具MATLAB/SIMULINK界面靈活的用戶自定義部件數(shù)據(jù)庫新模型（風(fēng)力發(fā)電，新電機，保護繼電器元件等）第3章PSCAD建模介紹3.1PSCAD工作環(huán)境PSCAD的工作環(huán)境，包括用戶界面的組成，各工作區(qū)域的具體分工，Workspace和Projects設(shè)置，以及在線幫助系統(tǒng)的全面功能。標(biāo)題欄標(biāo)題欄主菜單主工具欄工作空間窗口輸出窗口圖3-1PSCAD運行界面組成3.1.1元件元件通常代表一個器件模型，有時以框圖形式出現(xiàn)，是PSCAD中電路的基本組成部分。其應(yīng)用范圍比較廣泛，通常都有特定的功能，也可以電氣、控制、文件或簡單的裝飾形式出現(xiàn)。圖3-2單相變壓器元件模型元件通常包含輸入和輸出端口，用以連接形成較大的系統(tǒng)。元件模型的參數(shù)，如變量和常量，可以雙擊打開其屬性框，通過手動輸入。定義（Definitions）定義是一個元件的藍(lán)圖，可以通過設(shè)計編輯器定義其所有參數(shù)。一個定義可以包含其圖形外觀、連接點、輸入對話框和模型代碼。元件定義并不是圖形實體，而是存儲在庫工程中。存儲在庫公正中的定義可以在任意工程中生成實例，而案例工程中的定義只限于此工程，不能用于其他工程。實例（Instances）元件實例是元件定義的圖形“拷貝”，即通常所看到及應(yīng)用在工程中的實體。準(zhǔn)確來講它不單是拷貝，因為在一個多元件系統(tǒng)中，同一元件定義可以在一個案例工程中生成多個實例，每一個實例都有自己的實體，而且可以設(shè)定不同的參數(shù)，甚至是不同于其他實例的圖形外觀。PSCAD的元件都存放在庫工程中。打開軟件后，工作去窗口中會自動加載庫文件，雙擊可打開，如下圖所示界面：文件圖3-3元件庫所有元件都按類分成18組，具體為：無源元件，電源，混合元件，I/O器件，斷路器和故障，HVDC、FACTS和電力電子元件，輸入、輸出和標(biāo)簽，變壓器，電機，連續(xù)系統(tǒng)功能模型，傳輸線，電纜，表計，保護，外部數(shù)據(jù)記錄及讀取，定序器，邏輯元件，PI部件。電氣面板：包含電路構(gòu)建所需常用的電氣元件。節(jié)點標(biāo)簽外部節(jié)點分叉連接點電流表電壓表接地電壓表架空線架空線接口電纜電纜接口控制面板：提供常用控制元件。數(shù)據(jù)抽頭數(shù)據(jù)合并數(shù)據(jù)標(biāo)簽整常數(shù)實常數(shù)輸入輸出無線連接輸出通道滑動開關(guān)開關(guān)撥碼開關(guān)按鈕圖形框相量圖X-Y直角坐標(biāo)圖控制面板注釋框附著注釋分隔線3.1.2模塊模塊是一種特殊形式的元件，它由基本元件組合而成，而且可以包含其他模塊，從而可以形成分層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其運行方式相當(dāng)于普通的元件，除非其不允許參數(shù)輸入。3.1.3工程工程文件可以包含一個特定仿真的所有信息（輸出文件除外），把其放在一個文件中。比如元件定義，在線繪圖機控制和系統(tǒng)自身的圖形結(jié)構(gòu)。PSCAD中包含兩種工程文件：庫（Library）和案例（Case）。用戶的大部分工作是在case中完成的，它除了不能完成庫的功能外，可以進行編譯，建立和運行。仿真結(jié)果可以通過在線檢測表和繪圖工具直接在case中觀察。其文件擴展名為“.psc”。庫主要用于存儲元件定義及可視元件實例。庫文件首先在如之后，其元件定義的實例可用于任意case工程。擴展名為“.psl”。3.2各工作區(qū)介紹3.2.1工作空間窗口工作空間窗口不僅僅顯示當(dāng)前所有載入工程，而且給出其數(shù)據(jù)文檔、信號、控制、傳輸線和電纜、顯示器件等等，并可以對其進行拖拽操作。注意：PSCAD庫是第一個載入的工程，而且不能被卸載。工作空間窗口分為四個表格式的部分：Projects，Runtime，T-Line/Cables，F(xiàn)iles。如下圖所示：圖3-4工作空間Projects：當(dāng)載入工程時，就會在Projects中顯示其工程名及其描述?？赏瑫r載入多個工程，將按照載入順序排列。當(dāng)載入多個工程時，可憑借如下圖標(biāo)來區(qū)分各工程當(dāng)前所處的狀態(tài)：庫工程（LibraryProject）未激活案例工程（InactiveCaseProjects）激活案例工程（ActiveCaseProjects）Projects部分主要用于工程間的切換及瀏覽工程內(nèi)部，包括直接訪問其模塊和定義。例如，只要雙擊列表中的模塊，就會直接進入模塊的電路頁面，雙擊元件定義則會進入元件編輯頁面，雙擊工程則會進入主頁面。前面提到，每一個在ProjectsSection中列出的工程包含其所有的定義，以及模塊層次，組成標(biāo)準(zhǔn)的樹狀結(jié)構(gòu)，如下圖所示：圖3-5模塊樹形結(jié)構(gòu)主頁面包含了一個工程中所有的模塊實例，有助于了解其工程結(jié)構(gòu)，如下圖所示，工程example01的主頁面中包含Load、Active、Graph、PF四個模塊，而模塊Active又包含了一個模塊Ctrl，這些模塊組成了工程的基本層次結(jié)構(gòu)。圖3-6工程舉例定義分支（Definitions）包含了工程中元件的定義，而存儲于庫中的元件定義不在此列。下圖為上例中定義分支：Runtime：樹形結(jié)構(gòu)，包含和運行相關(guān)的詳細(xì)信息，比如輸出通道、控制、圖形等等，可以雙擊名稱進入相應(yīng)界面。注意：只顯示當(dāng)前激活的工程信息。鼠標(biāo)右鍵單擊Runtime界面中工程名，彈出菜單如圖3-7所示：圖3-7分支定義有三種查看模式：Modules、Groups、RadioLinks。Modules：以模塊結(jié)構(gòu)顯示所有運行對象，Groups：以組的形式顯示所有運行對象，RadioLinks：顯示所有無線連接元件，此元件相當(dāng)于信號傳輸工具圖3-8Runtime界面菜單3.2.2輸出窗口輸出窗口可以方便的查看仿真反饋和故障解決信息，包括所有由元件、PSCAD或EMTDC引起的錯誤及警告信息。再細(xì)分為Build和Runtime信息：Build欄顯示主要的原件及PSCAD中的錯誤及警告信息，包括工程的編譯、Fortran、數(shù)據(jù)、圖形文件等等；Runtime欄主要提供仿真運行時的錯誤和警告信息，即來自EMTDC算法。錯誤和警告（ErrorsandWarnings）可通過如下圖標(biāo)進行區(qū)分：OKErrorsWarnings出現(xiàn)警告時，并不會對仿真造成根本性的影響，仍可仿真，但可能影響仿真結(jié)果。但出現(xiàn)錯誤時，仿真將會停止。可右鍵點擊PointtoMessagesource定位信息。3.2.3設(shè)計編輯器設(shè)計編輯器從某種程度上來說是PSCAD仿真環(huán)境中作重要的一部分，也是完成大部分工作的地方。它主要用于仿真電路圖的構(gòu)建，并包含元件定義編輯器。當(dāng)打開一個工程師，設(shè)計編輯器會自動打開，如下圖所示，分為六個子窗口：圖3-9定位信息圖3-10編輯器窗口可以看到有一些欄是不可用的，即灰色。這取決于你所要察看的內(nèi)容以及這個工程是否已經(jīng)編譯過。Graphic、Parameters和Script只用于元件設(shè)計，只有在編譯一個元件定義時才可用。而當(dāng)打開一個模塊頁面時，Graphic也會被激活。按住Ctrl+鼠標(biāo)左鍵雙擊元件，可以編輯一個元件的定義，或者右鍵單擊元件，選擇EditDefinition。Circuit窗口是工程打開時的默認(rèn)察看窗口，PSCAD中的大部分設(shè)計工作都將在這里完成，以及所有的控制和電氣電路的構(gòu)建。此時，控制面板和電氣面板將被激活，如下圖所示：圖3-11控制面板和電氣面板3.3在線繪圖和控制為用戶提供了一些特殊的運行元件用于在線控制輸入數(shù)據(jù)，并且可以記錄及顯示EMTDC輸出數(shù)據(jù)，比如圖形框、圖表、曲線和一些儀表。用戶可以直接控制EMTDC的輸入變量，所以可以在仿真運行時改變這些變量。對于輸出的圖形信息或者整個圖形框，用戶可以把其作為圖片復(fù)制出來，或者提取其中的變量數(shù)據(jù)信息。因為PSCAD是EMTDC仿真算法引擎的圖形用戶界面，所以為了控制輸入變量或觀察仿真數(shù)據(jù)，用戶必須給EMTDC提供一些控制或觀察變量的指令，在PSCAD中即表現(xiàn)為一些特殊的元件或運行對象。記錄、顯示或控制任何PSCAD中的數(shù)據(jù)信號，必須首先把信號連接到運行對象上。從而運行對象被分成三組：控制器：滑動開關(guān)，開關(guān)，撥碼盤，按鈕記錄器：輸出通道，PTP/COMTRADE記錄器顯示器：控制面板，圖形框，XY直角坐標(biāo)繪圖，多測計，相量計每個運行對象都有其特定功能，也可聯(lián)合使用達(dá)到控制或顯示數(shù)據(jù)的目的。提取輸出數(shù)據(jù)：使用輸出通道元件導(dǎo)出所需信號，用于圖形或表計的在線顯示，或送到輸出文件。如下圖，測量電路中某點對地電壓，從電壓表中導(dǎo)出數(shù)據(jù)并顯示，或者導(dǎo)出某一未命名信號數(shù)據(jù)：1.0[ohm1.0[ohm]1.0[ohm]VoltageVoltage1.01.0*輸出通道圖3-12控制和顯示數(shù)據(jù)的獲取注意：輸出通道不能直接連接在電氣線上，比如上圖左側(cè)電壓表測電壓處，必須間接轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。除此之外，可以連接到任意數(shù)據(jù)信號。控制輸入數(shù)據(jù)：使用控制運行對象（如滑動開關(guān)，撥碼盤，開關(guān)或按鈕）控制輸入數(shù)據(jù)，作為源或特定數(shù)據(jù)信號。只需在PSCAD電路畫布上添加相應(yīng)控制對象既可。]ohm]ohm1.0[V]ohm1.0[FAULTSCBA撥碼盤控制故障類型輸入滑動開關(guān)控制電壓源輸入注意：此時控制對象不能手動調(diào)節(jié)，即呈現(xiàn)灰色，只有在連接控制接口時才能進行手動調(diào)節(jié)。第4章小電流接地電網(wǎng)故障分析4.1引言電力系統(tǒng)中性點接地方式是人們防止系統(tǒng)事故的一項重要應(yīng)用技術(shù)，具有理論與實踐經(jīng)驗密切結(jié)合的特點，是電力系統(tǒng)實現(xiàn)安全與經(jīng)濟運行的技術(shù)基礎(chǔ)。電力系統(tǒng)中性點接地方式有多種形式，基本可以劃分為兩大類:凡是需要斷路器遮斷單相接地故障者屬于大電流接地方式;凡是單相接地電弧能夠瞬間自行熄滅者，屬于小電流接地方式。在大電流接地方式中，主要有:①中性點有效接地方式:②中性點全接地方式，即非常有效接地方式，此外還有中性點經(jīng)低電抗、中電阻和低電阻接地方式等。在小電流接地方式中，主要有:①中性點諧振(經(jīng)消弧線圈)接地方式;②中性點不接地方式:③中性點經(jīng)高電阻接地方式等。在中性點非直接接地電網(wǎng)(又稱為小電流接地系統(tǒng))中發(fā)生單相接地時，由于故障點的電流很小，而且三相之間的線電壓仍然保持對稱，對負(fù)荷的供電沒有影響，在一般的情況下都允許運行1-2小時，而不必立即跳閘，這就是采用中性點非直接接地運行的主要優(yōu)點。但是在單相接地以后，其他兩相的對地電壓要升高3倍。為了防止故障進一步擴大成兩點或多點接地短路，就應(yīng)及時發(fā)出信號，以便運行人員采取措施予以消除。4.2穩(wěn)態(tài)分析如圖3一1所示的最簡單的網(wǎng)絡(luò)接線，在正常運行情況下，三相對地有相同的電容C，在相電壓的作用下，每相都有一超前于相電壓90的電容電流流入地0中，而三相電流之和等于零川。假設(shè)在A相發(fā)生了單相接地，則A相對地電壓變?yōu)榱?，對地電容被短接，其他兩相的對地電壓升?倍，對地電容電流也相應(yīng)增加行倍，矢量關(guān)系如圖3-2所示。單相接地時，三相中的負(fù)荷電流和線電壓仍然對稱，因此不予考慮，而只分析對地關(guān)系的變化。..BI.BI.CI0CCE.BE.AEk.DICDCU.I.DI.BE.0.IDBU.0.UAE.AE.C I. B C 圖4-1簡單網(wǎng)絡(luò)接線示意圖圖4-2A相接地時的矢量圖在A相接地以后，各相對地的電壓為 U.AD0 . . .. UBDEBEA3EAej150 . . .. U EE3Eej150 CD C AA 故障點k的零序電壓為U.1(U. U. U. )E. 0k3AD BD CD A在非故障相中流向故障點的電容電流為I.BU.BDjC0I.CU.CDjC0其有效值為II3UC,式中U為相電壓的有效值。此時，從接地點流回 B C0 的電流為I.I.I.，由圖3-2可見，其有效值為I3UC,即正常運行時，D B C D 0三相對地電容電流的算術(shù)和。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有發(fā)電機(G)和多條線路存在時，如圖3-3所示，每臺發(fā)電機和每條線路對地均有電容存在，設(shè)以C、C、C等集中電容來表示，當(dāng)線路A相接 0G 0 0地后，如果忽略負(fù)荷電流和電容電流在線路阻抗上的電壓降，則全系統(tǒng)A相對地的電壓均等于零，因而各元件A相對地的電容電流也等于零，同時B相和C相的對地電壓和電容電流也都升高3倍，其電容電流分布在圖3-3中用“”表示。圖4-3單相接地時用三相系統(tǒng)表示的電容電流分布圖在非故障線路I上，A相電流為零，B相和C相中流有本身的電容電流，因此，在線路始端所反應(yīng)的零序電流為3I.I.I.0BICI其有效值為3I3UC0I 0即零序電流為線路I本身的電容電流，電容性無功功率的方向為由母線流向線路。當(dāng)電網(wǎng)中的線路很多時，此結(jié)論可適用于每一條非故障線路。在發(fā)電機G上，首先有它本身的B相和C相的對地電容電流I.和I.，但是， BG CG由于它還是產(chǎn)生其他電容電流的電源，因此，從A相中要流回故障點流上來的全部電容電流，而在B相和C相中又要分別流出各線路上同名相的對地電容電流，此時從發(fā)電機出線端所反應(yīng)的零序電流仍應(yīng)為三相電流之和，由圖可見，各線路的電容電流由于從A相流入后又分別從B相和C相流出了，因此，相加后相互抵消，而只剩下發(fā)電機本身的電容電流，故3I.I.I. 0G BG CG有效值為3I3UC,即零序電流為發(fā)電機本身的電容電流，其電容無功功0G 0G率的方向是由母線流向發(fā)電機，這個特點與非故障相線路是一樣的。對于發(fā)生故障的線路，在B相和C相上，與非故障的線路一樣，流有它本身的電容電流I.和I.，而不同的是在接地點要流回全系統(tǒng)B相和C相對地電容電BII CII流之總和，其值為I.(I.I.)(I.I.)(I.I.)DBCBCBGCG有效值為I3U(CCC)3UC D 0 0 0G 0式中C為全系統(tǒng)每相對地電容的總和，此電流要從A相流回去，因此，從A相0流出的電流可表示為I..I。這樣在線路始端所流過的零序電流則為 A D3I.I.I.I.(I.I.I.I.)0ABCBICIBGCG其有效值為3I3U(CC)00 0由此可見，由故障線路流向母線的零序電流，其數(shù)值等于全系統(tǒng)非故障元件對地電容電流之總和(但不包括故障線路本身)，其電容無功功率的方向為由線路流向母線，恰好與非故障線路上的相反?？偨Y(jié)以上分析的結(jié)果，可以得出如下的結(jié)論:(1)在發(fā)生單相接地時，全系統(tǒng)都將出現(xiàn)零序電壓。(2)在非故障的元件上有零序電流，其數(shù)值等于本身的對地電容電流，電容性無功功率的實際方向為由母線流向線路。(3)在故障線路上，零序電流為全系統(tǒng)非故障元件對地電容電流之總和，數(shù)值一般較大，電容性無功功率的實際方向為由線路流向母線。根據(jù)以上分析，當(dāng)中性點不接地電網(wǎng)中發(fā)生單相接地時，在接地點要流過全系統(tǒng)的對地電容電流，如果此電流比較大，就會在接地點燃起電弧，引起弧光過電壓，從而使非故障相的對地電壓進一步升高，使得絕緣損壞，形成兩點或多點的接地短路。為解決這個問題，通常在中性點接入一個電感線圈，如圖3-4所示，這樣當(dāng)單相接地時，在接地點就有一個電感分量的電流通過，此電流和原系統(tǒng)中的電容電流相抵消，就可以減少流經(jīng)故障點的電流，因此，稱它為消弧線圈。在各級電壓網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)全系統(tǒng)的電容電流超過下列數(shù)值時，應(yīng)當(dāng)裝設(shè)消弧線圈:對3~6kV電網(wǎng)--30A:10kV電網(wǎng)--20A;22~66kV電網(wǎng)--10A。圖4-4消弧線圈接地電網(wǎng)單相接地時的電流分布當(dāng)采用消弧線圈以后，單相接地時的電流分布將發(fā)生重大變化。如圖3-4所示，當(dāng)線路上A相接地以后，電容電流的大小和分布與不接消弧線圈時是一樣的，不同之處是在接地點又增加了一個電感分量的電流I.，因此，從接地點流回的L總電流為I.I.I. D L C式中，I.--全系統(tǒng)的對地電容電流，可用(-8)式計算;C.I.--消弧線圈的電流，設(shè)用L表示它的電感;則I.EA L L jL由于I.和I.的相位大約相差180。，因此，I.將因消弧線圈的補償而減小。根 C L D據(jù)對電容電流的補償程度的不同，消弧線圈可以有完全補償(II)、欠補償 L C(II)和過補償(II)護三種補償方式。并可得出如下結(jié)論:L C L C(1)當(dāng)采用完全補償方式時，流經(jīng)故障線路和非故障線路的零序電流都是本身的電容電流，電容性無功功率的實際方向都是由母線流向線路，因此，這種情況下，利用穩(wěn)態(tài)零序電流的大小和功率方向都無法判斷出是哪條線路上發(fā)生了故障;(2)當(dāng)采用過補償方式時，流經(jīng)故障線路的零序電流將大于本身的電容電流，而電容性無功功率的實際方向仍然是由母線流向線路，和非故障線路的方向一樣，因此，在這種情況下，首先就無法利用功率方向的差別來判別故障線路，其次由于過補償度不大，也很難像中性點不接地電網(wǎng)那樣，利用零序電流大小的不同來找出故障線路。3.3暫態(tài)分析可采用Clarke變換將三相系統(tǒng)變換為沒有禍合（耦合）的3個模量系統(tǒng)。在單相接地故障時，暫態(tài)模分量網(wǎng)以及參數(shù)都與分析穩(wěn)態(tài)的對稱分量序網(wǎng)相同，其中0模分量與零序分量含義也相同，在敘述上對二者不加區(qū)分。為了更準(zhǔn)確地分析故障暫態(tài)信號特征，對線路模型采用分布參數(shù)模型。設(shè)小電流接地系統(tǒng)第i條出線發(fā)生單相接地故障，其分布參數(shù)線路模型的零序網(wǎng)絡(luò)如圖3-5所示，開關(guān)K為斷開狀態(tài)，其中，L、R、C分別為第k條出線 0k 0k 0k單位長度零序電感、電阻和分布電容;D為各出線檢測點;L為消弧線圈電感;lk k為出線k的線路長度;n為系統(tǒng)出線數(shù);U為故障點虛擬電源在零序網(wǎng)絡(luò)中的壓f0降。圖4-5單相接地故障全頻率零序網(wǎng)絡(luò)等效圖健全線路k的入端阻Z 可表示為:OCKZR0kjL0k 0CK jC0k式中為角頻率。 cthljRC2LCk 0k0k 0k0k由式(3-12)可知，若由O向變化時線路k將發(fā)生無數(shù)次串聯(lián)和并聯(lián)諧振，其阻抗在低頻段呈容性，然后隨著頻率的增加交替呈現(xiàn)感性和容性。忽略線路電阻健全線路k阻抗呈容性的低頻段臨界頻率可表示為ksks/2L0kC0klk2/LkCk式中，LLl、CCl分別為線路k的零序分布電感和零序分布電容。在0k 0kk k 0kk到頻段內(nèi)，健全線路k可以等效為一集中參數(shù)電容。受線路電感影響，等效ks電容要大于實際線路分布電容C，為分析方便，設(shè)其仍等于C。k k設(shè)'為所有健全線路自身串聯(lián)諧振頻率最小值'minkski則在O到'內(nèi)，每條健全線路阻抗均呈容性，均可等效為一集中參數(shù)電容。對于故障線路i，在D處檢測到的背后阻抗是所有健全線路的總體等效阻抗，因此i在O到'頻段內(nèi)，其阻抗也呈容性。從而，圖3-5所示零序網(wǎng)絡(luò)可以簡化為圖3-6。圖4-6單相接地故障特征頻帶內(nèi)零序網(wǎng)絡(luò)等效圖如圖3-6所示，零序容性電流從故障點虛擬電源輸出，經(jīng)故障線路分配到各健全線路。即在頻段0到'內(nèi)，母線處檢測到的暫態(tài)零序電流具有如下特性:(1)故障線路的容性電流幅值大于任何一條健全線路;(2)故障線路中的容性電流從線路流向母線，而健全線路中的容性電流從母線流向線路，二者流向相反。(3)當(dāng)頻率超越口時，所有健全線路阻抗的相頻特性或不同時呈容性(或感性)即故障線路和健全線路的電氣量特性區(qū)別不明顯:或同時呈容性(或感性)但其臨界頻率不易確定，利用0到'意外的零序電流特性進行保護較為困難。在消弧線圈接地系統(tǒng)中，即圖3-5、圖3-6中的開關(guān)K閉合，消弧線圈作為感性元件將對故障線路電流的幅值和流向產(chǎn)生影響。設(shè)消弧線圈在頻率件下能夠完全補償系統(tǒng)的電容電流，則有3L1/2Cr 0式中，C為整個零序網(wǎng)絡(luò)的等效電容。0CnCnCl0k0kkk1 k1在任意頻率下，故障線路檢測的容性電流I.為I.nI.I.C/C2/2I.i i k1,Kik L oh 0 r c式中，I.jCU.,I.jCU.,I.U./jL分別為整個系統(tǒng)、線路k及消弧c00kk0l0線圈在頻率下流過的零序電流;U.為頻率下的零序電壓。0從(3-17)式可知，如果定義C/C L r 0 0h則在0到頻帶內(nèi)，故障線路容性電流與健全線路流向相同，不能作為保護依L據(jù)。而.從到'頻段內(nèi)，與不接地系統(tǒng)類似，故障線路中容性電流從線路流向L母線，其流向與健全線路相反。設(shè)最大的健全線路零序電容為C，再定義max'C/CC L r 0 0h max則根據(jù)式(3-17)，在'到'頻帶范圍內(nèi)有LI.imaxI.kki即故障線路檢測的容性電流幅值大于任一健全線路，且由于'，其流向也 L L與健全線路相反。此時，故障線路檢測到的背后等效電容為CC2C/2 0hp 0h r 0由以上分析可知，對于消弧線圈接地系統(tǒng)，在頻帶'到'范圍內(nèi)，消弧線圈的L影響可以忽略，對中性點不接地系統(tǒng)所得到的故障線路與健全線路暫態(tài)零序電流的特性關(guān)系仍然成立，即在'立到'的頻段內(nèi)，故障線路的容性電流幅值大于L任何一條健全線路且流向相反，可以和中性點不接地系統(tǒng)使用相同的保護方法。由于故障線路和故障位置未知，不可能根據(jù)式(3-14)、(3-19)提前確定'和'，L在實際應(yīng)用中，特征頻帶的確定按照如下原則:(1)對確定系統(tǒng)，'可選為零序網(wǎng)絡(luò)中所有出線自身串聯(lián)諧振頻率的最低值;對需要經(jīng)常改變線路運行結(jié)構(gòu)或線路參數(shù)不易確定的系統(tǒng)，故障后可先計算暫態(tài)零序電流的主諧振頻率，'確定為在主諧振頻率基礎(chǔ)上加一預(yù)設(shè)閾值:(2)一般系統(tǒng)中，最大兩條線路的零序電容之和不會超過整個系統(tǒng)的89%，根據(jù)式(3-19)并設(shè)'等于工頻，'選為3倍工頻即可。 L L單相接地時，其故障暫態(tài)過程為整個系統(tǒng)在故障點突然加入虛擬電源激勵的自由振蕩過程，其主振蕩頻率依賴于線路參數(shù)、故障位置和過渡電阻等系統(tǒng)參數(shù)。d變化范圍一般為1885-18850rad，又'小于4次諧波，即小于1257rad，故d L'<，根據(jù)文獻(xiàn)〔1〕，可以表示為L d d1/LCR/2L21/LC d 00 0 0 00式中，L、R、C分別為整個零序網(wǎng)絡(luò)的線路電感、電阻和分布電容。比較式 0 0 0(3-22)和(3-13)、(3-14)，顯然有'，即消弧線圈接地系統(tǒng)滿足d0'd因此，在特征頻帶'到'內(nèi)包含了暫態(tài)過程的主諧振分量即暫態(tài)信號的主要能L量，利用這個范圍內(nèi)的信息構(gòu)造選線判據(jù)可以保證保護的可靠性和靈敏性，并且不受接地方式的影響。3.435KV配電網(wǎng)單相接地故障模型采用PSCAD/EMTDC4.02仿真軟件，建立一35KV配電線路仿真模型，線路參數(shù)如下:變壓器220KV/35KV，桿塔采用上字型，下端導(dǎo)線距地面15m，中間導(dǎo)線距下端導(dǎo)線1.5m，避雷線距下端導(dǎo)線3.58m，傳輸導(dǎo)線采用LOJ-120，避雷線采用1/2"HighStrengtSteel，五條出線的長度分別為20km、30km、41km、44km，50km全部采用相同的負(fù)載。圖3-735KV配電網(wǎng)絡(luò)仿真模型下面通過一個仿真算例來驗證模型的正確性，設(shè)線路3在距離母線14Km處發(fā)生接地故障，接地電阻200，合閘角45。當(dāng)中性點不接地時，其各相對地電壓波形如圖3-8所示，零序電流及接地點故障電流如圖3-9所示。將接地方式改為諧振接地，過補償5%時的各線路零序電流及接地點故障電流如圖3-10所示。圖3-8中性點不接地系統(tǒng)各相對地電壓圖圖3-9中性點不接地各線路零序電流圖3-10諧振接地過補償5%各線路零序電流從仿真結(jié)果可以得出以下結(jié)論:(1)發(fā)生單相接地故障時，非接地相電壓升高3行倍，線電壓仍然對稱;(2)故障后全系統(tǒng)出現(xiàn)零序電流，對于中性點不接地系統(tǒng)，故障線路零序電流幅值最大，并且方向同健全線路方向相反;(3)對于諧振接地系統(tǒng)，在過補償?shù)那闆r下，故障線路與健全線路流向相同；(4)發(fā)生故障時，有明顯的暫態(tài)過程出現(xiàn)。對比前幾節(jié)對小電流接地電網(wǎng)的故障分析可以知道，以上仿真結(jié)果以及結(jié)論同理論分析完全相符，仿真模型所仿真結(jié)果可以作為實驗的依據(jù)。3.5小結(jié)分析本章系統(tǒng)的分析了小電流接地電網(wǎng)單相接地故障，分別從穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)兩方面分析了單相接地故障后電網(wǎng)的變化情況，并通過PSCAD/EMTDC4.02電力系統(tǒng)仿真軟件建立五回出線的小電流接地電網(wǎng)模型，仿真驗證了上述分析的結(jié)論:在穩(wěn)態(tài)方面:①在發(fā)生單相接地時，全系統(tǒng)都將出現(xiàn)零序電壓；②在非故障的元件上有零序電流，其數(shù)值等于本身的對地電容電流,電容性無功功率的實際方向為由母線流向線路;③在故障線路上，零序電流為全系統(tǒng)非故障元件對地電容電流之總和,數(shù)值一般較大，電容性無功功率的實際方向為由線路流向母線;④當(dāng)采用過補償方式時，流經(jīng)故障線路的零序電流將大于本身的電容電流,而電容性無功功率的實際方向仍然是由母線流向線路，和非故障線路的方向一樣。在暫態(tài)方面:①故障線路的容性電流幅值大于任何一條健全線路;②故障線路中的容性電流從線路流向母線，而健全線路中的容性電流從母線流向線路，二者流向相反;③在特征頻帶呵到口內(nèi)包含了暫態(tài)過程的主諧振分量即暫態(tài)信號的主要能量，利用這個范圍內(nèi)的信息構(gòu)造選線判據(jù)可以保證保護的可靠性和靈敏性。第5章小電流單相接地故障仿真算例及分析5.1仿真模型的建立建立一35KV配電線路仿真模型，線路參數(shù)如下:變壓器220KV/35KV，桿塔采用上字型，下端導(dǎo)線距地面15m，中間導(dǎo)線距下端導(dǎo)線1.5m，避雷線距下端導(dǎo)線3.58m，傳輸導(dǎo)線采用LOJ-120，避雷線采用1/2"HighStrengtSteel，五條出線的長度分別為20km、30km、41km、44km，50km全部采用相同的負(fù)載。如圖4-7所示。由于用分布參數(shù)表示的等值電路計算很不方便。計算表明，當(dāng)架空線路長度在300km以內(nèi)時，可用集中參數(shù)表示的等值電路來近似代替分布參數(shù)等值電路。在本次仿真中，設(shè)置的架空線都不是很長，故采用型等效電路。線路的電容大小與相間距離、導(dǎo)線截面、桿塔結(jié)構(gòu)尺寸等因素有關(guān)。三相輸電線對稱排列，或雖排列不對稱但經(jīng)完全換位后，單導(dǎo)線線路每相單位長度的等值電容為0.024C106(F/km) 0 Dlgjpr式中，r為導(dǎo)線的計算半徑（m);D為三相導(dǎo)線的幾何均距（m)。jp而當(dāng)三相導(dǎo)線對稱排列時，DDDD,故D=D;當(dāng)三相導(dǎo)線水平排列ab bc ca jp時，則D3DD2D1.26D。jpLOJ-120導(dǎo)線的單位電阻為0.27km1，計算直徑為15.2mm。電網(wǎng)常用過補償方式的消弧線圈補償度為:p(II)/I L C C式中,p為補償度;I為消弧線圈的電感電流,A;I為電網(wǎng)電容電流之和,A。 L C對于穩(wěn)態(tài)基波分量而言,配電網(wǎng)單相金屬性接地電流I等于配電網(wǎng)電容電流之和;d中性點電壓U等于相電壓。根據(jù)金屬性短路仿真測量數(shù)據(jù)和式(1)可得消弧線圈n的電感L為:p(II)/II(1p)I 1 L C C L C U X U/(1P)IXnLLn dLI 12f 2fL按照圖4-7計算，當(dāng)完全補償時，中性點接地感抗為7.59956552H,阻抗為379.9782765.2單相接地故障分算例故障線路3，補償方式：過補償8%，故障點14km，過渡電阻10000，合閘角0.得到仿真波形圖5-1所示圖5-1過補償8%電流、電壓波形故障線路3，補償方式：過補償10%，故障點3km，過渡電阻0.1，合閘角10.得到仿真波形圖5-2所示 圖5-2過補償10%電流、電壓波形這些圖形你要具體標(biāo)注出來，那副圖是哪條線路的電壓？還是電流？另外右下角這幅圖，明顯幅值是超出范圍的，你應(yīng)該讓整個波形都顯示出來才好下面的幾幅圖都是同樣的問題故障線路3，補償方式：過補償4%，故障點25km，過渡電阻500，合閘角20.得到仿真波形圖5-3所示圖5-3過補償4%電流、電壓波形故障線路3，補償方式：過補償15%，故障點7km，過渡電阻3000，合閘角30.得到仿真波形圖5-4所示圖5-4過補償15%電流、電壓波形故障線路3，補償方式：欠補償6%，故障點34km，過渡電阻200，合閘角90.得到仿真波形圖5-5所示圖5-5欠補償6%電流、電壓波形故障線路3，補償方式：欠補償18%，故障點2km，過渡電阻10，合閘角45.得到仿真波形圖5-6所示 圖5-6欠補償18%電流、電壓波形故障線路3，補償方式：欠補償10%，故障點16km，過渡電阻10000，合閘角60.得到仿真波形圖5-7所示故障線路3，補償方式：不接地，故障點9km，過渡電阻800，合閘角70.得到仿真波形圖5-8所示 圖5-8中性點不接地電流、電壓波形故障線路母線，補償方式：過8%，故障點0，過渡電阻500，合閘角0.得到仿真波形圖5-9所示5.3算例分析5.3.1短路時刻對零序特征量的影響短路發(fā)生的時刻t是隨機的,以線路3為研究,保持故障距離l、電弧電阻Rd d d和補償度的大小不變即l=8km,R=100Ω,,p=10%,分別在A電壓正半波和負(fù)半d d波的任一時刻、過零點和峰值時刻發(fā)生單相接地故障。零序電壓和各線路零序電流見圖5-10。（后面幾個圖形很好，只是這不是你自己仿真得到的，你到時候要把原理講清楚才好）

圖5-11零序電壓/電流隨時間變化的波形圖在短路后的第1個工頻周期內(nèi)(0~0.02s),故障線路和非故障線路的零序電流顯著不同,隨著短路時間的增加,在第2~3個周波以后,故障線路和非故障線路的零序電流極性、大小的區(qū)別不明顯歸納第1個工頻周波(0~0.02s)的零序電壓和零序電流的暫態(tài)特性如下:①零序電壓的極性與發(fā)生短路時刻故障相電壓的極性有關(guān)。短路時刻,零序電壓與故障相電壓的相位差為180°。②各條非故障線路的零序電流的變化頻率基本相同,而故障線路比非故障線路變化緩慢,經(jīng)過一段過渡時間后故障線路與非故障線路的零序電流的變化頻率相同。③在首半波,故障線路的零序電流比非故障線路有一個較大的沖擊電流,沖擊電流的極性隨短路時刻變化,與零序電壓極性相反。5.3.2電弧電阻對零序特征量的影響電弧電阻的大小隨短路情況而變化,具有不確定性,且通常接地電弧電阻值較高。以線路3為研究對象,固定短路時刻t=0.1534s、故障距離l=33km,分別令d d電弧電阻R=10、1000、10000、50000進行A相接地短路仿真,零序電壓和各d線路零序電流見圖5-12。圖5-12零序電壓/電流隨電弧電阻變化的波形圖電弧電阻對母線處零序電壓、各線路零序電流的影響較大,隨著電弧電阻的增加,零序電流和零序電壓有以下特點:①母線處零序電壓、各線路零序電流的大小逐漸減小;②隨電弧電阻的增加,故障線路首半波零序電流的沖擊值逐漸減少甚至消失;③當(dāng)電弧電阻較大時,零序電流暫態(tài)值比穩(wěn)態(tài)值更小。2.3故障距離對故障特征量的影響保持短路時刻和電弧電阻不變t=0.1434s,R=1000Ω,分別在距離線路3出 d d口l=2、4、6、8km處發(fā)生A相接地故障,零序電壓和故障線路零序電流、故障d相電流隨故障距離的變化波形幾乎是重合的,見圖5-13(a)、(b)、(c);故障線路故障相電壓的波形隨故障距離的不同,波形變化比前3個故障特征量稍微明顯些,見圖5-13(d)。圖5-13不同故障距離的故障特征量波形圖小電流接地系統(tǒng)單相接地電流的大小主要取決于網(wǎng)絡(luò)的電容分布,受接地故障距離影響較小,仿真結(jié)果也表明故障特征量隨故障距離變化不明顯。2.4補償度對故障特征的影響固定短路時刻t=0.1434s,接地電弧電阻為R=100,改變消弧線圈的補償d d度p,分別取10%、5%和0,以線路3為研究對象,故障距離l=4km發(fā)生單相接地d故障,零序電壓、故障線路故障相電壓和電流、各線路零序電流隨消弧線圈的補償度的變化規(guī)律如圖5-14(a)、(b)、(c)。小電流接地系統(tǒng)采用過補償方式,一般消弧線圈補償度在5%~10%變化時,相同短路條件下零序電壓和各條線路的零序電流、故障相電壓和故障相電流幾乎無變化;消弧線圈補償度為零即小電流接地系統(tǒng)的單相接地電流無消弧線圈補償時,僅故障線路的故障相電壓、零序電流的大小和相位與消弧線圈補償度為5%~10%時明顯不同。5.4結(jié)論1)各條非故障線路的零序電流的變化頻率基本相同,故障線路比非故障線路變化緩慢,經(jīng)過1~2周期后故障線路與非故障線路的零序電流的變化頻率相同。這說明故障線路零序電流暫態(tài)分量中含一個較大的非周期分量。2)故障后1/4周波內(nèi),故障線路零序電流在其模極大值處與零序電壓的極性相反,且故障線路零序電流的包絡(luò)線面積比非故障線路零序電流的包絡(luò)線面積大。