10kV配电网单相故障电流计算及跨步电压的分析

摘要10kV配电网主要有中性点不接地、中性点经消弧线圈接地、中性点经小电阻接地等运行方式。不同的配电网中性点接地方式各有其特点和优势。本文详细分析计算了三种主要接地方式下配电网在发生单相短路故障时的零序电压、短路电流和暂态特性;并利用有限元分析软件，详细分析了小电阻接地运行方式下，单相短路故障时的大地电场分布，计算了短路点附近的跨步电压。为配电网接地方式的合理选择及继电保护提供了理论依据。本文研究内容主要包括以下几个方面:介绍了10kV配电网的不同接地方式发展概况，详细分析了配电网中接地变压器的结构与工作原理，总结并对比了不同接地方式的优缺点。针对三种主要接地方式的配电网络，首先分析出了其发生单相短路故障时的稳态等效电路，在此基础上推导出其短路接地电流计算公式，并给出了其电容电流分布图。其次详细推导出其暂态等效电路，同样详细计算了其暂态短路接地电流。最后建立了配电网发生单相接地短路的MATLAB仿真模型，得出了与理论分析结果相符的仿真波形与数据。阐述了接地电阻、跨步电压和接触电压的概念，详细推导了它们的理论计算公式。开创性地运用有限元分析软件ANSYS来定量仿真发生单相对地短路后的跨步电压，仿真结果与理论计算结果基本吻合。设计了10kV配电网小电阻接地运行方式下发生单相对地和单相对电线横担的两种常见短路的实验方案，给出了详细实验操作步骤及需要注意的事项，通过实验验证了论文中有关短路时接地电流及跨步电压的计算分析结果。关键词:10kV配电网;中性点接地方式;短路接地电流;跨步电压;有限元分析AbstractNeutralgroundingwithoutimpedance,neutralgroundingthroughsuppressioncoilandneutralgroundingthroughlowresistorarethemostcommonneutralgroundinginthel0kVdistributionnetwork.Therearedifferentcharacteristicsandapplicationadvantageswithdifferentneutralgrounding.Whenthesinglephaseshort-circuitfaultoccurinthel0kVdistributionnetwork,zerosequencevoltage,short-circuitcurrentarecalculatedindetailandtransientcharacteristicsareanalyzedforthethreemainneutralgroundinginthispaper.Then,ElectricfielddistributionandstepvoltagearealsocalculatedwithFiniteelementanalysissoftwareforgroundingthroughlowresistor.Thestudyofthispaperishelpfultothechoiceofneutralgroundingandpowersystemrelayprotectionforthel0kVdistributionnetwork.Thestudyofthispaperfocusesonthefollowingaspects:Thedevelopmentandapplicationtrendsofneutralgroundinginl0kVdistributenetworkareintroducedinthisthesis,thenthestructureandworkprincipleofgroundingtransformerisanalyzedindetail.Theadvantagesanddisadvantagesofthreemainneutralgroundingaresummarizedandcomparedwitheachother.Forthethreemainneutralgroundingdistributenetwork,Firstly,thesteady-stateequivalentcircuitisproposedthroughcarefulanalysiswhenthesinglephaseshort-circuitfaultoccurandtheshortcircuitcurrentformulaisderivedindetailonthebasisofthesteady-stateequivalentcircuit.Thedistributionfigureofcapacitivecurrentisgiven.Secondly,thetransient-stateequivalentcircuitispresentedthroughcarefulanalysisandthetransientshort-circuitcurrentissolvedbasedonthetransient-stateequivalentcircuit.Finally,asinglephaseshort-circuitfaultmodelisestablishedintheMATLABsoftware,thesimulationresultsanddataareconsistentwiththetheoreticalanalysisresults.Theconceptofgroundingresistance,stepvoltageandtouchvoltageareexpounded,andthetheoreticalformulaisalsodeduced.Thestepvoltagewhenthesinglephaseshort-circuitfaultoccuriscalculatedquantitativelywiththefiniteelementanalysissoftwareANSYS.Thesimulationresultsareconsistentwiththetheoreticalcalculationresults.Twocommonshort-circuitexperimentalprogramaredesignedandtheexperimentalproceduresandsomenotesaregivenindetail.Itisdemonstratedthatthetheoreticalanalysisabouttheshort-circuitcurrentandthestepvoltageinthepaperiscorrect.KeyWords:l0kVdistributionnetwork;neutralgrounding;short-circuitgroundcurrent;stepvoltage;finiteelementanalysis第1章绪论1．1课题研究背景及意义电力是人类文明生活的原动力，是最重要的二次能源和工商业界主要的动力及照明来源，其需求与经济发展之间有着密不可分的关系。充足、安全和稳定的电力供应是国家经济持续发展的基础。电力供应大致要依次经历生产、变换、输送、分配和使用五个过程[1]。10kV配电网是电力输送中一个非常重要的环节，由用电设备及输电线路按一定的接线方式所组成，它主要从枢纽变电站取得电能，对电能进行交换、输送、分配与保护等，并将电能安全、可靠、经济地送到下一级用电设备，因此它对整个电网的安全和经济运行起着重要的作用[2]。长期以来，我国的配电网是以架空线路为主的放射型结构电网,特别是10kV(6kV),35kV配电网中一般都采用中性点不接地的运行方式。电网中主变压器配电电压侧一般为三角形接法,没有可供接地的中性点。当中性点不接地系统发生单相接地故障时,线电压仍然保持对称,对用户继续工作影响不大,并且电容电流比较小(小于10A)时,一些瞬时性接地故障能够自行消失,这对提高供电可靠性,减少停电事故是非常有效的。由于该运行方式简单、投资少,所以在我国电网初期阶段一直采用这种运行方式,并起到了很好的作用,积累了一些成功运行经验[3]。随着电力系统的发展及“城乡电网改造”，我国的配电网络迅速扩大和发展，一方面城市配电网采用环网供电、多电源供电方式，另一方面由于城市电网规模不断地扩建和延伸，受城区规划、环保和场地等条件制约，城市配电网逐渐采用以电缆线为主、架空线为辅的电网结构模式，这样一来，10kV系统单相对地电容电流就大幅度地增加了。不接地系统在发生单相接地时，故障相的接地电流是非故障相对地电容电流之和。当电流超过10A，此时接地电弧不能可靠熄灭，将严重威胁电网设备的绝缘，危及电网的安全运行[4]。10kV配电网有多种接地方式，它是根据每个地区的具体情况，本着安全可靠和经济实用的原则及因地制宜的方针选择采用的。根据现行电网运行资料统计，配电网的事故约占电网事故的90%，其中相当一部分又是单相接地短路故障。发生单相接地短路故障后，会造成三相系统不平衡，非故障相电压升高，电网电容电流发生变化，短路点可能出现较大的短路电流，同时导入地下的短路电流可能会在短路点附近的地面产生较大的跨步电压，危及行人的生命安全[5-6]。然而国内外开展的中性点接地方式及其安全研究中，大多只提到短路电流会导致地面产生较大的跨步电压却很少有对短路电流作仔细分析与研究，更没有对短路时产生的跨步电压作定性分析与研究。因此，针对不同的接地方式的10kV配电网在发生单相短路时的短路电流以及由此引起的跨步电压作分析与研究，将具有重要的理论与工程价值。1.2本文的主要研究内容在我国电网电压等级逐步统一后，10kV配电网成为我国输配电网络中一个重要的环节，它的可靠运行，直接影响着供给用户的电能质量。10kV配电网的中性点接地方式历来是电力系统的一个研究热点，不同的接地方式，会有着相对更适合于不同线路结构与容量配电网的优点。在发生单相接地短路故障时,会表现出不同的特性。其中以系统供电可靠性、系统过电压水平、在接地电流作用下地面电势升高而引起的人身安全性作为最重要的考评依据。本文的研究内容主要包括以下几个方面：第1章绪论首先概述了本文的研究背景及意义。第2章针对中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点经电阻接地三种主要接地方式的配电网，首先分析出了其单相接地稳态等效电路，在此基础上详细推导出其稳态短路接地电流计算公式。最后建立了10kV配电网发生单相接地短路故障时的MATLAB仿真模型，得出了与理论分析结果相符的仿真波形与数据。第3章阐述了跨步电压的概念，根据电场理论，详细推导了它们的理论计算公式，同时指出其计算局限性。开创性地运用有限元分析软件ANSYS来定量仿真分析配电网发生单相接地短路后的跨步电压，仿真结果与理论计算结果基本吻合。第4章设计了10kV配电网小电阻接地运行方式下发生单相对地和单相对电线杆横担两种常见短路的实验方案。给出了详细实验操作步骤及需要注意的事项。得出了与理论分析及仿真相符的实验数据，即通过实验验证了论文中10kV配电网单相短路时接地电流及跨步电压的计算及仿真结果。第2章不同接地方式的配电网短路电流计算与分析电力系统中性点接地是一个涉及供电可靠性、绝缘水平、继电保护、通讯干扰、电磁兼容及接地装置等多方面的综合性技术问题，其对电网运行的安全可靠性和经济性有着重大影响。目前，我国10kV配电网中性点接地方式分为以下三类：中性点不接地、经消弧线圈接地和经电阻接地，其中消弧线圈接地和小电阻接地这两种方式又应用最广泛。不同的接地方式都有着各自的优缺点，需要根据不同地区的电网线路特点与容量大小选用不同的接地方式。由于在配电网运行过程中发生的故障多为短路故障，且单相接地故障居多，因此本章将详细分析和推导这三种不同中性点接地方式在发生单相接地故障时的运行特性，以便更好地了解并采用不同的接地方式应用于不同性质的