配电网中性点接地方式的研究

本科毕业设计(论文)

配电网中性点接地方式研究

燕山大学

2013年6月

本科毕业设计(论文)

配电网中性点接地方式研究

学院(系)：电气工程学院

专业：电力系统及其自动化

学生姓名：

学号：

指导教师：董海艳

答辩日期：2013年6月23日

燕山大学毕业设计(论文)任务书

摘要

电力系统中性点接地是一个涉及到供电可靠性和连续性、配电网和线路结构、继电保护方式、过电压保护和绝缘配合、设备和人身安全、通信干扰、系统稳定等多方面因素的综合性技术问题。

本文介绍了配电网中性点不接地、直接接地、经低电阻接地、经消弧线圈接地四种不同的方式，并对中性点不接地、经低电阻接地、经消弧线圈接地三种方式发生单相接地故障时进行了暂态、稳态分析。

利用MATLAB仿真平台中的电力系统工具箱(PSB)搭建了10kV电力系统仿真模型，并对相关设备参数进行了计算选择。通过对四种接地方式的仿真，获得四种方式在单相接地故障时的电压、电流波形图和相关数据。同时，对单一接地方式在不同接地条件下的波形、数据进行了对比分析，对不同接地方式在相同接地条件下的波形、数据进行了对比分析。

关键词配电网；中性点接地；MATLAB仿真；单相故障

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Abstract

Power system neutral grounding is one related to the reliability and continuity of supply, distribution and line structures, protection methods, over-voltage protection and insulation coordination, equipment and personal safety, communications interference, system stability and other factors comprehensive technical problems.

This article describes four different grounding ways containing the distribution network ungrounded, directly to ground through a low resistance grounding and arc suppression coil grounding.And a transient, steady-state analysis of ungrounded, by the low resistance grounding and arc suppression coil grounding is given when ground fault occurs.

Using MATLAB Simulation Platform Power System Toolbox (PSB) to build a 10kV power system simulation model, and related equipment parameters were calculated choice. Through the four grounding simulation, obtaining the voltage and current waveforms and related data of four grounding ways when single-phase ground fault occurs. A single mode with different ground conditions, the waveform and the data is compared Different grounding modes with the same ground condition,waveform diagram and the data is compared.

Keywords Distribution network；neutral ground；MATLAB simulation；

single-phase fault

摘要 (Ⅰ)

Abstract (Ⅱ)

第1章绪论 (1)

1.1课题背景和意义 (1)

1.210K V配电网中性点接地方式的发展和现状 (2)

1.2.1 国外中性点接地方式的发展和现状 (2)

1.2.2 国内中性点接地方式的发展和现状 (3)

1.3课题的发展趋势及存在问题 (4)

1.4本文的主要内容 (5)

第2章配电网不同中性点接地方式理论分析 (6)

2.1中性点接地方式概况 (6)

2.2单相接地故障分析方法 (7)

2.3中性点不接地系统 (7)

2.3.1 单相接地故障稳态分析 (8)

2.3.2 单相接地故障暂态分析 (9)

2.4中性点经小电阻接地系统 (12)

2. 4.1 单相接地故障稳态分析 (12)

2. 4.2 单相接地故障暂态分析 (13)

2.5中性点经消弧线圈接地系统 (14)

2. 5.1 单相接地故障稳态分析 (14)

2. 5.2 单相接地故障暂态分析 (16)

2.6中性点直接接地系统 (17)

2.7本章小结 (18)

第3章基于MATLAB的配电网仿真和计算 (20)

3.1MATLAB软件和PSB模块介绍 (20)

3.210K V配电网模型的搭建 (20)

3.2.1 10kV配电网仿真模型 (20)

3.2.2 10kV配电网仿真模型参数设置 (20)

3.3中性点不接地系统仿真模型 (22)

3.3.1 模型参数 (22)

3.3.2 仿真分析 (23)

3.4中性点经小电阻接地系统仿真模型 (25)

3.4.1 模型参数 (25)

3.4.2 仿真分析 (25)

3.5中性点经消弧线圈接地系统仿真模型 (27)

3.5.1 模型参数 (27)

3.5.2 仿真分析 (29)

3.6中性点直接接地系统仿真模型 (34)

3.6.1 模型参数 (34)

3.6.2 仿真分析 (34)

3.7不同接地方式的对比分析 (36)

3.8本章小结 (37)

第4章配电网不同中性点接地方式的应用 (38)

4.1中性点不接地方式 (38)

4.1.1 中性点不接地系统特点 (38)

4.1.2 中性点不接地系统适用范围 (38)

4.2中性点经小电阻接地方式 (39)

4.2.1 中性点经小电阻接地系统特点 (39)

4.2.2 中性点经小电阻接地系统适用范围 (39)

4.3中性点经消弧线圈接地方式 (40)

4.3.1 中性点经消弧线圈接地系统特点 (40)

4.3.2 中性点经消弧线圈接地系统适用范围 (40)

4.4中性点直接接地方式 (40)

4.4.1 中性点直接接地系统特点 (40)

4.4.2 中性点直接接地系统适用范围 (41)

4.5本章小结 (41)

结论 (42)

参考文献 (43)

致谢 (46)

附录 (47)

第1章绪论

1.1 课题背景和意义

配电网系统作为直接为用户生产生活提供电能支持的系统，其所具有的功能就是把变电站或者小型电厂提供的电力输送给没个用户，并且在必要的地方进行合适电压等级的转换。在配电网运行中，如何提高系统的可靠性和经济性受到国内外的重视。如美国将优化电力系统整体特性和灵活性作为了近期三个研究目标之一。根据美国能源部(DOE)输配电办公室及美国电力研究院(EPRI)公布的电力产业未来工作设想，将配电网智能型自动化配电的实现作为第一建设目标，以此来提高供电可靠性和经济性。在国内，政府部门也将投入巨额资金对城市电网和农村电网为主的配电网进行大规模改造，包括了扩大电网容量、更新电网设备、将强电网结构、应用最新控制技术等，其目的就是为了提高配电网系统可靠性和经济性。

配电网一般包括高压配电网、中压配电网和低压配电网。目前在实际应用中，高压配电网运行较多，主要包括110kV和35kV电压等级，个别负荷较重的工业区或商业密集区也有采用220kV电压等级的。中压配电网主要是指10kV电压等级，个别区域或部门也有采用20kV电压等级的。低压配电网则是指380V或220V的用户电压。在三种配电网类型中，中压配电网电网量大面广，担负着直接为广大用户供电的任务，而且其中性点接地的方式历来就是一个复杂的系统工程问题。从技术角度来说，中压配电网中性点接地方式涉及到电网的安全运行、供电可靠性、过电压和绝缘的配合、继电保护、接地设计等多个因素，同时对通信和电子设备的干扰、人身安全等方面有重要影响。对配电网选择合适的中性点接地方式是最重要和最灵活的提高中压配电网可靠性和经济性的方法之一，因此研究中性点接地方式的特性对配电网的运行也显得尤为重要。

目前配电网中性点接地方式主要有四种：中性点不接地、中性点直接接地、中性点经电阻接地和中性点经消弧线圈接地。为了适应中压配电网的发展，其中性点接地方式从不接地发展为现在的经小电阻接地和经消弧线圈接地方式。对于架空线路配电网，消弧线圈接地方式比较合适。而在电缆配电

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网中，这些中性点接地方式就各有利弊了。因此需要对以电缆线路铺设或电缆线路和架空线路的混合线路铺设的中压配电网进行分析研究，从而对现有的几种方式进行改进或者找到一种更有利于提高配电系统运行的接地方式。

电力系统接地方式涉及配电网的供电可靠性、安全运行、用户安全、通信干扰、建设资金投入等诸多问题。在专业技术方面涉及电力系统、过电压、绝缘配合、通信自动化、电磁干扰、继电保护、接地设计等诸多方面。因此配电网中性点接地是一个内容广泛，涉及领域众多的系统工程问题，收到国内外专家学者的重视，同时也是重要的研究课题。

近些年，世界各国工业飞速发展，电网所承受的负荷也随之增加，为应对所产生的的问题，配电网结构发生了很大的改变，原有的架空线为主的配电网系统正在被电缆取代，随着电网规模的不断扩大以及电缆的大量使用，系统中的电容电流大幅度的增加，特别是在后夜用户负荷减少，电缆对地及相间电容形成的夜间容性无功过剩及对地电容电流的增大对配电网产生的影响日益严重。特别是当单相接地故障发生时，过大的电容电流使电弧不能自熄，严重威胁到中压配电网的安全运行情况。同时，非故障相的对地电压的增大，导致线路故障的几率也随之增大。现在的社会对配电网的安全运行要求越来越高，有些地区部门甚至需要不间歇供电，为应对当前面临的问题，选择合适的中性点方式尤为重要。

1.2 10kV配电网中性点接地方式的发展和现状

1.2.1 国外中性点接地方式的发展和现状

原苏联对于中性点不接地的方式有过详细规定，具体如下：6kV电网单相接地电流小于30A；10kV电网单相接地电流小于20A；15～20kV电网单相接地电流小于15A；35kV电网单相接地电流小于10A。当单相接地电流超过上述规定时，则需要采用中性点经消弧线圈接地方式。而在实际中，为提高供电可靠性，前苏联和东欧配电网基本采用了经消弧线圈接地方式。

消弧线圈是由德国工程师彼得逊于1916年发明并使用在配电网中，同时他也提出了经消弧线圈接地的电力系统谐振接地方式。以此来解决因电网对地电容电流引起的单相接地弧光过电压的问题。消弧线圈自1916年投入

第1章绪论

使用以来积累了大量经验，如柏林市30kV电网中，共有电缆1400km，电容电流高达4kA，其也采用了经消弧线圈接地的运行方式。但消弧线圈并非解决了所有问题，后来由于220kV电网中事故较多，19世纪60年代就不再使用消弧线圈了。

在英国，其66kV的电网中性点采用了经电阻接地的方式。对于33kV 以下由架空线路组成的配电网则改成了经消弧线圈接地的方式；而电缆组成的配电网仍旧采用经电阻接地的方式。

法国城市配电网电压定为20kV，其中性点采用的是经电阻或电抗接地方式。自1962年开始采用20kV电压起，电缆共4886km，中性点采用经小电阻接地方式，单相接地电流1kA。

比利时布鲁塞尔的10kV系统的中性点采用的是小电阻接地方式，单相接地电流原为2kA，现在为了减少对通讯的影响，现该为1Ka[1].

美国在20年代中期至40年代中期，在其22～77kV电网中采用了快速切除故障的中性点直接接地方式，约占电网的71％。自1947年，经消弧线圈接地方式有所发展；约占5.4％，经电阻或小阻抗接地方式约各占6.5％；不接地系统约占10.6％。自1950年以来，日本20kV电缆和架空线路混合电网一直采用中性点不接地方式，而随着电缆的增加，为防止接地继电器的误动、拒动和中性点位移，现在开始采用经40Ω-90Ω低电阻接地方式。1969年改用40Ω+460Ω电阻器接地方式，0.7秒短接460Ω电阻确保迅速准确选线断开单相接地故障线路。1975年统计11-33kV配电网中性点不接地系统约占40%，经消弧线圈约占28%，经电阻接地约占30%，直接接地约占2%。其电阻接地电流限制在100-200A。东京电力公司所属配电网，其中性点接地方式为66kV配电网采用电阻、电抗和消弧线圈接地；22kV配电网采用电阻接地方式[2]。

1.2.2 国内中性点接地方式的发展和现状

建国初期至80年代，我国完全参照了前苏联的规定，对3～66kV配电网中性点主要采用不接地或经消弧线圈接地两种方式。80年代中期，我国10kV配电网中电缆线路逐渐增多，定容电流增大，而且运行方式经常发生变化，对消弧线圈调整存在困难，当单相接地的时间很长时，容易发展为两

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相短路。对此，从1987年起，广州采用了地电阻接地方式来满足10kV电缆较低的绝缘水平；随后深圳根据其10kV电网的实际情况，从95年开始实施10kV电网的低电阻接地的工程；天津电缆网线比较多，过去多以消弧线圈接地为主，现在对其35kV电网试行低电阻接地方式。上海在90年代对35kV配电网全面采用低电阻接地方式[3]。

中压电网的中性点接地方式在国内也有不同的观点，并已成为电网改造中的一个热点问题，根据我国多年的运行经验及科学技术的进步，解决了中压电网中性点经消弧线圈接地系统长期难以解决的技术难题。自动跟踪消弧线圈及接地选线装置的不断完善和推广应用，为中压电网中性点经消弧线圈接地提供了技术保障。为此，在我国采用中性点经消弧线圈接地方式是我国中压电网的发展方向。

世界各国大多在50年代前后，开始采用不接地或经消弧线圈接地，到六十年代以后，有的国家开始采用直接接地或经小电阻接地，有的扔采用经消弧线圈接地方式。

1.3 课题的发展趋势及存在问题

国内外对配电网中性点接地进行了大量的研究，也得出了比较一致的结论：中性点不接地系统的优点，中性点谐振接地系统具有比之更多的优点，；同样，中性点不接地系统所具有的缺点，中性点谐振接地系统也拥有，只是在最大幅值弧光过电压的出现概率上有所下降。在中性点直接接地系统中，中性点低值电阻器接地系统具有更多的优点，，而对于中性点经直接接地系统中的缺点，中性点低值电阻器接地系统也都具有，仅是在故障电流方面有所减小。中性点经中值电阻器和低值电阻器接地系统中的区别不大，经高值电阻器接地系统受限制性较大，所以国内外多采用经消弧线圈接地或低值电阻器接地。

目前，在我国的中压配电网中主要有中性点不接地，中性点经消弧线圈接地，中性点经低值电阻接地以及自动跟踪补偿消弧线圈装置接地等方式。这些方式都各自独特的优点，尤其以经小电阻接地和消弧线圈接地两种方式发展尤为迅速。

第1章绪论

不同的接地方式有着其特点，但也存在着各自的问题。在不直接接地系统中，当单相接地电流过高时，弧光电压不能自行熄灭，给配电网造成严重损害。中性点经小电阻接地系统，接地点的电流较大时，当零序保护动作不及时或拒动时，将使接地点及附近的绝缘受到更大的危害，导致相间故障发生。当发生单相接地故障时，无论是永久性的还是非永久性的，均作用与跳闸，使线路的跳闸次数大大增加，严重影响了用户的正常供电，使其供电的可靠性下降。在中性点经消弧线圈接地系统中，当系统发生接地时，由于接地点残流很小，且根据规程要求消弧线圈必须处于过补偿状态，接地线路和非接地线路流过的零序电流方向相同，故零序过流、零序方向保护无法检测出已接地的故障线路。因目前运行在中压电网的消弧线圈大多为手动调匝的结构，必须在退出运行才能调整，也没有在线实时检测电网单相接地电容电流的设备，故在运行中不能根据电网电容电流的变化及时进行调节，所以不能很好的起到补偿作用，仍出现弧光不能自灭及过电压问题。中性点经消弧线圈接地方式存在的两大缺点，也是两大技术难题。

1.4 本文的主要内容

本次毕业设计所研究的课题是配电网中性点接地方式研究，其主要内容是：

(1)理论分析不同的中性点接地方式下单相接地时暂态、稳态等值电路。

(2)分别建立10kV系统中性点不接地、直接接地、经低电阻接地、经消弧线圈接地的MATLAB仿真模型。

(3)对四种中性点接地方式下发生单相接地故障时电压、电流波形进行分析。通过对配电网中性点接地方式的研究，以此来了解不同接地方式所具有的优缺点，以及每种方式的供电可靠性。

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第2章配电网不同中性点接地方式理论分析2.1 中性点接地方式概况

配电网中性点接地方式是指电力系统中的发电机和变压器的中性点与大地的电气连接方式。中性点接地方式可以分为大电流接地系统和小电流接地系统，前者包括中性点直接接地，后者包括中性点不接地、中性点经电阻接地和中性点经消弧线圈接地。在大电流接地系统中，当发生单相接地故障时，由于接地过渡电阻很小且存在短路回路，致使接地电流很大，此时保护装置将动作切除故障。而在小电流接地系统中，当发生单相接地故障时，由于中性点非有效接地，故障点处的电流不会很大，电容电流很小，故允许短时间内带故障运行。

由于不同中性点接地方式有其各自的特点，对于接地方式的选取也需要按照相关因素选择。其中影响中性点接地的因素主要如下：

(1)供电可靠性

供电可靠性作为电力系统的首要要求在中性点接地方式选择上也是最先考虑的。根据我国电网的实际情况来看，我国城市电网设备一般比较陈旧，技术更新不快多数用户供电为单电源单回路方式，一旦发生事故，会给国民经济带来严重损失，同时也影响人民生活。

(2)人身安全

当配电网尤其是高压配电网发生单相接地故障时，故障点以及中性点接地装置附近都会产生接地电流和跨步电压，跨步电压越大，危险越大。而跨步电压的大小取决于故障点处电流大小，因此选择合适的中性点接地方式尤为重要。

(3)绝缘水平

绝缘性能会影响到设备的可靠性、安全性以及经济性，而设备的绝缘水平又与中性点接地方式密切相关。

(4)继电保护

在中性点接地方式中，小电流接地系统的继电保护问题是很大的技术难题。当发生永久性接地故障时，由于接地保护很难正确的选择故障线路，需

第2章配电网不同中性点接地方式理论分析

人工进行拉闸检修，这样就造成相关地区用户停电问题。若自动重合闸不成功，停电时间将会延长，对于重要用户是觉得不允许的。

(5)通信干扰

通信干扰的产生与中性点接地方式密切相关，若零序阻抗较低，则以电感耦合为主；若零序阻抗较高，则以电容耦合为主。

中性点接地方式牵涉到配电网系统的各个方面，故对其的研究也具有十分实际的意义。

当配电网正常运行时，不同中性点接地方式及其差异在仿真系统中基本没有反映。但是，当系统发生单相接地故障时，因中性点接地方式的不同，单相接地故障点处的电流的大小和非故障相工频电压的变化是不相同的。所以对不同中性点接地方式的研究也主要分析存在于二者之间的互换特性，以此展示出不同接地方式的内在联系以及各种接地方式的特点和使用范围。2.2 单相接地故障分析方法

在配电网正常运行时，不同的中性点接地方式不会反映出很明显的运行差异。但是，当配电网发生单相接地故障时，因接地方式的不同，故障相电流和非故障相电压会产生明显变化。一般在研究中性点单相接地故障时，会以这两者的数值来研究不同接地方式的基本运行特性。同时，通过分析两者之间的互换特性，可以得出不同接地方式的内在联系，以及各种方式的特点和适用范围。

具体分析故障相电流和非故障相电压的具体方法如下：

(1)画出由三大基本元件构成的电力系统化简等值接线图；

(2)根据复合序网图求出各相电压、电流，即可得到故障相的电流和非故障相电压升高等问题的解，从而对接地方式作出比较和评价。

2.3 中性点不接地系统

中性点不接地方式是指配电网系统中系统中性点与大地没有任何形式的连接，而在系统的三相与大地之间分布着电容，正常时，各相对地电压是对称的，中性点对地电压为零。发生单相接地故障时，流过故障点的电流主要为电容电流，故障相对地电压为零，非故障相对地电压升高为线电压，电

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网出现零序电压。中性点接地系统的实现很简单，不需要再中性点处附加其他装置。作为非有效接地的一种，可视为经容性阻抗接地系统。

2.3.1 单相接地故障稳态分析

配电网中性点不接地系统如图2-1所示，d I ?

为故障点电流。假设A 相出现发生单相接地故障，不计系统及线路阻抗，零序等值电路如图2-2所示，

0U ?

为故障点零序电压，0I ?

为零序电流，0C ∑为单相等值电容总和。

A B C

图2-1 中性点不接地系统三相线路示意图

图2-2 中性点不接地系统的单相接地故障等值电路

第2章配电网不同中性点接地方式理论分析

在中性点不接地系统中，故障电流为系统中等值电容电流，故障电流通常只有几十安培，由于其值远小于正常的负荷电流，一般不会对线路和设备造成破坏。但是，该类故障电流不宜持续时间过长，需要及时自动切除故障线路。在中性点不接地系统中，任何一点的零序阻抗都为无穷大。线路或者其他元件的串联阻抗要比通过线路对地导纳表示的并联阻抗小得多，因此可以忽略不计。这时，故障点处接地电流由各相对地的电容电流构成。

因此可得各相电容电流：

0I j C U ω?

∑= (2-1)

故故障点处电流：

00033d I I j C U ω?

∑== (2-2)

03d d I I C U φω??

∑== (2-3)

式中，.

0U 与A 相电源电压方向相反，.

U φ为相电压有效值。

非故障相电压数值上等于线电压：

B U =

C U

φ (2-4)

2.3.2 单相接地故障暂态分析

根据戴维南定理，将图2-1简化为图2-3。图中O 表示中性点，线路阻抗忽略不计。故单相接地电流计算可得：

图2-3 中性点不接地系统单相故障等值电路

00031133X

d d d j C U I U j C R R j C φωωω?

?==++ (2-5)

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0001

()313d d U I U j C j C R φωω?

?=-=+ (2-6)

式中，d I ?

—单相接地电流，A ；

ω—电源角频率，rad/s ；

0C —相对地电容，F ； U φ?

—故障前的相电压，V ；

d R —故障点的过度电阻，Ω；

中性点不接地系统单相故障稳态、暂态等值电路图如图2-4所示，e 为故障前瞬间电压。

当发生金属性接地时d R =0，有：

03d I J C U φω?

=0U ?=—U φ?

(2-7)

在不接地系统中单相接地的暂态过程使非故障相产生高频振荡电压，从而使回路中电流急剧升高，其值远大于金属性接地时的问题电流。由图2-4知：

()sin m e E t ω?=+ (2-8)

R e

(1)稳态简化等值电路 (2)暂态简化等值电路图2-4中性点不接地系统单相故障简化等值电路

'''

11sin()2cos()sin()sin()sin sin m C C C bt bt m m E u u u t Z C E E e t e t Z C Z C

ωφ?ωφ?ωαφ?ωωαω--=+=

+---++-- (2-9)