9本科生毕业设计（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。
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。
ABSTRACTThe 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 (3)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3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，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3倍，即：.0A U = （2-1）....150A A jB B U E E e -=-= （2-2） ....150A A j C C U E E e =-= （2-3） 故障点的零序电压为 .....01()3A ABC U U U U E =++=- （2-4）在故障处非故障相中产生的电容电流为：..2B B I U jC ω= （2-5） ..3C B I U j C ω= （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.1B I 和.1C I ，故线路1始端的零序电流为:.......900111111133j A B C B C A I I I I I I E j C e ω=++=+=- （2-7）同理可得：在非故障线路2，线路的始端零序电流为：.......900222222233j A B C B C A I I I I I I E j C e ω=++=+=- （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.3B I 和.3C I ，全系统对地电容电流之和从接地点流回，其值为........9011223300()()()3j D B C B C B C I I I I I I I U C e ∑=+++++= （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。