基于Matlab的小电流接地系统自动选线仿真研究

1基于Matlab的小电流接地系统自动选线仿真研究1.目的和意义因故障电流小，系统可带故障继续运行一定时间，不影响对负荷的连续供电等特点，国内外中低压配电网中性点广泛采用小电流接地方式（包括不接地、经消弧线圈接地和经高阻接地三种方式）。同时由于故障电流微弱、电弧不稳定等原因，小电流接地系统单相接地故障检测比较困难，一直缺乏可靠的故障线路选择方法，长期以来是电力系统继电保护工作的重要课题。随着配电网自动化技术的兴起和发展，使得采用自动装置快速、准确地判断接地故障线路变得越来越重要。2.小电流接地系统介绍小电流接地方式称为非有效接地方式：中性点不接地，或经一高值阻抗接地或谐振接地。我国规定，当5~4X/XI0时属于小电流接地系统，否则属于大电流接地系统。此类系统由于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，所以称为小电流接地系统。小电流接地系统目前主要有中性点不接地方式、中性点经消弧线圈接地、中性点经高阻接地三种方式。3.小电流接地系统单相接地故障分析鉴于篇幅的问题，这里不再详细赘述。4.小电流接地系统选线方法综述在这里对各种选线方案做简单介绍。4.1零序电流比幅法零序电流比幅法的选线依据是发生单相接地故障时，故障线路零序电流比非故障线路零序电流幅值大。这种选线方法判据简单，只需比较各条线路2的零序电流大小即可检测故障线路。输电线路参数如下：正序电阻0.01273km/，零序电阻0.3864km/；正序电感0.93373ekm/H，零序电感4.12643ekm/H；正序电容12.749ekm/F，零序电容7.7519ekm/F。由于配电网输电线路一般都比较短，模型中三条线路长度分别设置6km、8km、10km。线路故障发生在第三条线路的末端。三相电源容量为100MVA，频率为50Hz，A相初相角为0，电阻为0.00529、电感为0.000140H。三相变压器采用Y—Y不接地方式。负载：电压等级10kV，频率50Hz，三相有功功率1×610W，三相感性无功功率0.6×610var。在中性点不接地系统中，单相接地时各线路始端的零序电流有效值为：A27.0wCU3I3I0I0同理可得A35.03I0IIA62.0)CC(wU3I3II0I0III0接地点电流A06.1)CCC(wU3IIII0II0I0D3图4.1基于零序电流比幅法仿真模型图仿真参数设置：仿真开始时间(0.0s)，结束时间(0.4s)：微分方程解算器选择变步长(Variable—step)，ode23t(Mod.stiff/Trapezoidal)：最大步长、最小步长、初始步长都选择自动方式(auto)；相对容差为(13e)，绝对容差为自动方式(auto)。假设系统在t=0.05s时刻闭合，系统发生A相接地故障，仿真频率50Hz。仿真结果如图4.2所示：图4.2.1)A(I30I4图4.2.2)A(3I0II图4.2.1)A(3I0III根据仿真结果图形可以看出：仿真结果与理论计算值相比误差不大于3%。故障线路零序电流是非故障线路的零序电流之和，数值较大，相位与非故障线路的零序电流相反。4.2零序功率方向法零序功率方向法的选线依据是发生单相接地故障时，故障线路的零序电流由线路流向母线，而非故障线路的零序电流由母线流向线路，两者零序电流方向不同，亦即两者零序功率方向不同。5图4.3基于零序功率法仿真模型图仿真结果如图4.4所示：图4.4.1非故障线路16图4.4.2故障线路3同零序电流比幅法一样，零序功率也可以从数值和相位(方向)两方面区分线路。由于零序电流乘以零序电压，相当于对零序电流的数值做了放大，因此零序功率的数值区别就较明显了。4.3五次谐波分量法5次谐波法的选线依据是故障线路的5次谐波零序电流的幅值比其他非故障线路的5次谐波零序电流大且方向与非故障线路的5次谐波零序电流相反。图4.5基于五次谐波电流法仿真模型图仿真结果如图4.6所示：图4.6.1非故障线路17图4.6.2非故障线路2图4.6.3故障线路3五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，这是它区别于上面两种方法的最大特点，但对检测设备的快速性、灵敏性等要求较高。4.4小波分析法小波变换法选线依据是故障发生的瞬间，电流发生突变，故障线路的零序电流的幅值比非故障线路的幅值大且方向相反，故障相的零序电流的小波变换系数模极大值比非故障线路的大且符号相反。因此，利用零序暂态电流的特征，故障选线的前提就是要将零序电流中的暂态分量提取出来。零序暂态电流主要由暂态电容电流决定，而小电流接地系统在发生单相接地故障时，暂态电容电流主要集中在l000Hz左右，所以只要提取出零序电流中包含1000Hz的某一适合频段的信息就可以将暂态零序电流提取出来。由于小波包8变换具有分频特性，可以将信号分解在不同的频段上，因此可以对零序电流进行小波包分解就可以提取出暂态电流所集中频段的信息，据此可以选出故障线路。在本次仿真中，采用db10小波对信号进行多层分解，信号采样频率选取为l0kHz，根据香农采样定律，只能采样出最高频率为5000Hz的信号，对所采样的零序电流信号进行4层分解后,共分解为24共计16个频段，每一频段所对应的频段范围长度为5000/16=312.5Hz，节点[4,0]是小波包分解的第一个节点，对应的频带为[0,312.5]Hz，很显然节点[4,3]对应的频带为[937.5,1250]Hz,而小电流接地系统的暂态电容刚好集中在l000Hz附近，因此节点[4,3]含有暂态电容信息，且频带范围不是太宽，所包含的暂态电容电流信号外的干扰信号已经很少，已经适合故障选线的要求。图4.7小波包分解界面图4.7中右上角为待分析的线路LI的零序电流，左上角为进行4层分解后的小波包分解树，左下角是节点[4,3]所对应的小波包分解系数波形。4.5.1中性点不接地方式9图4.8.1非故障线路1图4.8.2非故障线路2图4.8.3故障线路3线路L1和L2的零序电流小波包分解节点[4,3]的第一个模极大值和线路L3的零序电流小波包分解节点[4,3]的第一个模极大值相反，且故障线路的第10一个模极大值比非故障线路大。根据选线原理，L3为故障线路，选线正确。同理，对于中性点经消弧线圈接地的小波包分解和中性点不接地类似，这里不再叙述。5.总结本文通过利用Matlab中的simulink建立了一个三回路的小电流接地系统仿真模型，对零序电流比幅法、零序功率方向法和五次谐波法、小波分析法四种基本选线方法进行了仿真。从仿真结果看，由于四种选线方法都是基于零序电流的稳态量(比幅法、零序功率法)和暂态量(五次谐波法、小波分析法)，因而受接地电阻的影响较大。当系统回路数较多，对地电容较大时，线路对地容抗较小，构成的零序电流回路阻抗偏小，零序电流偏大时，这几种方法选线的效果较好。