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1、 宿迁学院 课 程 设 计 说 明 书设计题目：小电流接地系统单相故障matlab仿真系（部）： 机电工程系 专 业： 自 动 化 班 级： 2 姓 名： 徐 勇 军 学 号： 20100710234 20 12 年 12 月 12 日目录第一章 matlab简介3第二章 小电流接地系统单相故障matlab仿真4 21 小电流接地系统单相故障特点简介4 22 小电流接地系统的仿真模型构建5 23 仿真结果及分析11第三章 心得与体会16参考文献16 一 Matlab简介 Matlab是由英文单词matri和laboratory的前3个字母组成。目前matlab已成为国际认可的最优秀的科技应用软
2、件之一。在大学里，他是用于初等和高等数学、自然科学和工程学的标准数学工具；在工业界，他是一个高效的研究、开发和分析的工具。随着科技的发展，许多优秀的工程师不断的对matlab进行了完善，使其从一个简单的矩阵分析软件逐渐发展成为一个具有极高通用性，并带有众多实用工具的运算操作平台。Simulink是matlab提供的实现动态系统建模和仿真的一个软件包，是基于框图的仿真平台。Simulink挂接在matlab环境上，以matlab的强大计算功能为基础，利用直观的模块框图进行仿真和计算。Simulink提供了各种仿真工具，尤其是它不断扩展的、内容丰富的模块库，为系统的仿真提供了极大的方便。在simu
3、link平台上拖拽和连接典型模块就可以绘制仿真对象的模块框图，并对模型进行仿真。在simulink平台上，仿真模型的可读性很强，这就避免了在matlab窗口使用matlab命令和函数仿真时，需要熟悉大量的M函数的麻烦，对广大工程技术人员来说，这无疑就是一个福音。随着matlab的不断升级，simulink的版本也在不断的升级，从1993年的matlab4.0/simulink1.0版到2001年的matlab6.1/simulink4.1版、2002年的matlab6.5/simulink5.0版，现在的最常用的版本就是matlab7.0/simulink6.0Simulink最初是为仿真控制
4、系统而建立的工具箱，在使用中容易编程、容易扩展，并且可以解决在使用matlab过程中遇到的非线性、变系数等问题。它能够进行系统和离散系统的仿真，也能够进行线性和非线性系统仿真，并且支持多种采样频率系统的仿真，使不同的系统能以不同的采样频率组合，这样就可以仿真较大、较复杂的系统。因此，不同的科学领域根据自己的仿真要求，以matlab为基础，开发了大量的专用仿真程序，并把这些程序以模块的形式放入simulink中，形成模块库。Simulink的模块库实际上就是用matlab基本语言编写的子程序集。现在simulink模块库有3级树状的子目录，在一级目录下包含了simulink最早开发的数学计算工具
5、箱、控制系统工具箱的内容，之后开发的信号处理工具箱、通信工系统工具箱等也并行列入模块库的一级子目录，逐级打开模块库浏览器的目录，就可以看到这些模块。Simulink是基于matlab的图形化仿真设计环境。确切的说，它是matlab提供的对动态系统进行建模、仿真和分析的一个软件包。它支持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时间系统、连续和离散混合系统，而且系统可以是多进程的。它使用图形化的系统模块对动态系统进行描述，并非在此基础上采用matlab计算引擎对动态系统在时域内进行求解。Matlab计算引擎主要对系统微分方程和差分方程求解。Simulin和matlab是高度集成在一起的，因此，它们之间
6、可以进行灵活的交互操作。Simulink提供了友好的图形用户界面，模型由模块组成的框图来表示，用户通过简单的鼠标操作就能够完成建模。Simulink的模块库为用户提供了包括基本功能模块和扩展模块在内的多种功能模块，在matlab7.0/simulink6.0中，可直接在simulink环境中运作的工具箱和模块已覆盖航空、航天、通信、控制、信号处理、电力系统、机电系统等诸多领域，所涉及的内容专业性越来越强，使用也越来越方便。由于simulink是基于matlab环境上的高性能的系统仿真设计平台，启动simulink之前必须首先运行matlab，然后才能运行simulink并建立系统模型。 二 小
7、电流接地系统单相故障的matlab仿真实验 小电流接地系统单相故障电网中性点接地系统的分类方法有很多种，其中最常用的是按照接地短路时接地电流的大小分为大电流接地系统和小电流接地系统。电网中性点采用哪种接地方式主要取决于供电可靠性（是否允许带一相接地时继续运行）和限制过电压两个因素。我国规定110kv以上电压等级的系统采用中性点直接接地方式，35kv及以下的配电系统采用小电流接地 方式（中性点不接地或经消弧线圈接地）。在小电流接地系统中发生单相接地时，由于故障点的电流很小，而且三相之间的线电压任然保持对称，对负荷的供电没有影响，因此，在一般情况下都允许系统在继续运行12小时，而不必立即跳闸，这也
8、是采用小电流接地系统运行的主要优点。但是在单相接地以后，其他两相的对地电压要升高根号三倍，为了防止故障进一步扩大成两点或多点接地短路，就应及时发出信号，以便运行人员采取措施予以消除。 2.1 小电流接地系统单相故障特点简介 对于如图1-1所示的中性点不接地系统，单相接地故障发生后，由于中性点N不接地，所以没有形成短路电流通路，故障相都将流过正常负荷电流，线电压任然保持对称，因此可以短时不予以切除。这段时间可以用于查明故障原因并排除故障，或者进行倒负荷操作，因此该方式对于用户的供电可靠性高，但是接地相电压将降低，非接地相电压将升高至线电压，对电气设备绝缘造成威胁。单相接地故障发生后系统不能长期运
9、行。 事实上，对于中性点不接地系统，由于线路分布电容（电容数值不大，而容抗很大）的存在，接地故障点和导线对地电容还是能够形成电流通路的，从而有数值不大的电容性电流在导线和大地之间流通。一般情况下，这个容性电流在接地故障点将以电弧形式存在，电弧产生的高温会损毁设备，甚至引起附近建筑物燃烧起火，不稳定的电弧燃烧还会引起弧光过电压，造成非接地相绝缘击穿进而发展成为相间故障，导致断路器动作跳闸，中断对用户的供电。 中性点不接地系统发生单相接地时的故障特点如下 1）在发生单相接地时，全系统都将出现零序电压。 2）在非故障的元件上有零序电流，其数值等于本身的对地电容电流，电容电流的实际方向为由母线流向线路
10、。 3）在故障线路上，零序电流为全系统非故障元件对地电容电流之总和，数值一般较大，电容电流的实际方向为由线路流向母线。 对于如图1-2所示的中性点经消弧线圈接地系统，正常情况下，接于中性点N与大地之间的消弧线圈无电流流过，消弧线圈不起作用；当接地故障发生后，中性点出现零序电压，在这个电压的作用下，将有感性电流流过消弧线圈并注入发生接地故障的电力系统，从而抵消在接地点流过的电容性接地电流，消除或者减轻接地电弧电流的危害。需要说明的是，经消弧线圈补偿后，接地点将不再有容性电弧电流或者只有很小的电容性电流流过，但是接地相电压降低而非接地相电压依然很高，长期接地运行依然是不运行的。 2.2 小电流接地
11、系统的仿真模型构建 1.中性点不接地系统的仿真模型及计算 利用simulink建立一个10kv中性点不接地系统的仿真模型，如图1-3所示。 在仿真模型中，电源采用”Three-phase source”模型，输出电压为10.5kv，内部接线方式为Y形联结，其他参数与图1-4设置相同。在模型中共有4条10kv输电线路line1line4,均采用“Three-phase Pl Section Line”模型，线路的长度分别为130km、175km、1km、150km，其他参数相同。Line1参数设置如图1-5所示。需要说明的是，在实际的10kv配电系统中，单回架空线路的输送容量一般在0.22MV.
12、A，输送距离的适宜范围为620km.本文的仿真模型将输电线路的长度人为加长，这样可以使仿真时的故障特征更为明显，而且不用很多输电线的出线路数，不影响仿真结果的正确性，线路负荷load1、load2、load3均采用“three-phase series rlc load”模型。其有功负荷分别为1MW、0.2MW、2MW，其他参数相同，load1参数设置如图1-6所示。每一线路的始端都设三相电压电流测量模块“three-phase v-I measurement”将测量到的电压、电流信号转变成simulink信号，相当于电压、电流互感器的作用，其参数设置如图1-7所示。 图2-3 10kv中性点
13、不接地系统仿真模型图1-4 three-phase source的设置 图1-5 line1的参数设置 图1-6 load1的设置 图1-7 三相电压电流测量模块的参数设置在仿真模型中，选择在第三条出线的1km处发生A相金属性单相接地，故障模块的参数设置如图1-8所示。 图1-8 故障模块的参数设置系统的零序电压3uo及每条线路始端的零序电流3i0采用如图1-9所示方式得到。故障点的接地电流Id则可以用如图1-10所示的万用表测量方式得到。图1-9系统的零序电压3uo及每条线路 图1-10 故障点的接地电流获取方式始端零序电流3io的获取方法 根据以上设置的参数，可以通过计算得到系统在第3条出
14、线的1km处发生A相金属性单相接地时各线路始端的零序电流有效值为同理可得接地点的电流为 Id=20.18A2. 中性点经消弧线圈接地系统的仿真模型及计算 在如图1-3的基础上，建立中性点经消弧线圈的接地系统的仿真模型如图1-11所示，即在电源的中性点接入一个电感线圈，其他参数不变。在各级电压网络中，当全系统的电容电流超过一定数值（对于36kv电网超过30A、10kv电网超过20A、2266V电网超过10A）时就应装设消弧线圈。 图1-11 中性点经消弧线圈接地系统的仿真模型如果要使接地点的电流近似为0（即完全补偿），应满足 wL=1/3wC式中，L为消弧线圈的电感，C为系统三相对地电容。 根据
15、图1-11中的电路参数，可求得 C=3.534x10-6F因此为实现完全补偿因有 L=0.9566H 由于完全补偿存在串联谐振过电压问题，因此实际工程常采用过补偿方式，当取过补偿度为10%时，经消弧线圈的电感L=0.8697. 通过以上计算，模型中消弧线圈的参数设置如图1-12所示，线圈所串联电阻为阻尼电阻。 图1-12 消弧线圈的参数设置 2.3 仿真结果及分析 在仿真开始前，选择离散算法，仿真的结束时间取0.2s，利用powergui模块设置采样时间为1x10-5s,系统在0.04s时发生A相金属性单相接地。 1. 中性点不接地系统的仿真结果及分析设置好参数，运行如图1-1所示的10kv中
16、性点不接地系统仿真模型，得到系统的零序电压3uo及每条线路始端的零序电流3Io，故障点的接地电流Id波形如图1-13所示。 3uo(kv) 3Io1(A) 3Io2(A) 3Io3(A) 图1-13 中性点不接地系统零序电压3uo、零序电流3io,故障点的接地电流id波形图 仿真得到的各线路始端零序电流，接地电流Id的有效值为与理论计算值相比，仿真结果略大，但误差不大于3%。从图1-13中可以看出，在中性点不接地方式下，非故障线路的零序电流超前零序电压90（即电容电流的实际方向为由母线流向线路）；故障线路的零序电流为全系统故障元件对电容电流之和，零序电流滞后零序电压90（电容电流的实际方向为由
17、线路流向母线）；故障线路的零序电流和非故障的零序电流相位差为180。 故障后的零序分量还可以采用如图1-14所示的“三相序分量模块”方法得到，如图1-15所示为故障线路零序电流的幅值和相位图（注意图中的零序电流为Io而不是3Io)。 图1-15 采用“三相分量模块”获得零序分量 图1-16 故障线路零序电流的幅值和相位 由图中可得故障线路零序电流的幅值为Io=6.52A,则3Io的有效值为 3Io=3x6.52/根号2A=13.83A与从图1-13中得到的 仅相差0.2% 2. 中性点经消弧线圈接地系统的仿真结果及分析设置好参数，运行如图1-11所示的10kv中性点经消弧线圈接地系统仿真模型，
18、得到系统的零序电压3uo及每条线路始端的零序电流3Io、消弧线圈电流Il、故障点的接地电流Id波形如图1-17所示。从图1-17中可知，当单相接地的暂态过程结束后，故障点的接地电流Id的有效值在2.9A 左右，远小于中性点不接地系统的接地电流，因此补偿的效果十分明显。对于非故障线路来说，其零序电流任是本身的电容电流，零序电流超前零序电压90，电容电流的实际方向为由母线流向线路，这与中性点不接地系统是相同的。但是对于故障线路来说，其零序电流将大于本身的电容电流，并且电容电流的实际方向也是由母线流向线路。因此，在这种情况下无法用电流方向的差别来判断故障线路，也很难用零序电流的大小来找出故障线路。
19、3uo(kv) 3Io1(A) 3Io2(A) 3Io3(A) 消弧线圈 Il 和 故障点 Id 波形图 三 总结和体会在这次的小电流接地系统的matlab仿真实验中我学会了很多。不仅仅单单是自己独立完成了作业，主要是在这次仿真实验中，我学会了能够独自查阅资料，独自定课题，独自完成，在过程中有疲惫，有迷惑，错了很多次，怎么都出不了图像，仿真没有结果，然后又仔细的阅读文章，阅读书上的讲解，细心的对照每一个环节。每一个可能会出错的地方，知道是往往每一个细节就可以导致结果出不来。一一的对照参数的设置，元件的选择是否有错，然后然后，在找着找着的过程中逐渐发现设计的乐趣，发现编写教材的艰难。每一个看似简
20、单的成功其实都不简单，往往都有设计者的艰辛与汗水，我们在享受别人的成果时要珍惜，要珍惜前辈们的来自不易。耐心，细腻，坚毅往往是成功不可或缺的所以在以后的生活中要刻意的锻炼自己。在小电流接地系统matlab的仿真实验中，虽然与本班同学相比我的篇幅较长，历时一个礼拜，时间较久但在过程并无厌倦或是疲惫，反而是兴奋有点喜悦，或者是成就感带来的吧，每一个完成新的科研项目的人，他们是不是都很激动？有点向往那样的生活。有挑战有难度在自己的能力范围内，那样不会太感吃力而颓废，又能获得成就的喜悦。或许如老师所说，学了matlab人生就会完美了，那样的境界现在还没有，在一点点的独立学习中会逐渐的明白老师的良苦用心
21、而会懂得每一个成功来自不易，他们是有多艰辛的创造一项新的科学领域，我们作为学习者要珍惜。好好努力与奋斗，珍惜每一个当下，活出属于自己的精彩，不浪费时间，学点有用的知识，增加自己的竞争力，说大了是为社会尽点力量为我们的祖国做点贡献，说小了，就是为以后的生活加点砝码，加点资本，能够养活自己。虽然在小电流接地系统仿真的实验中，所设计的课题及内容有借签的成分，依然认识到自己的不足，所谓人知足常乐不过是讲那些没有斗志的人的，讲心态的，现在不应该美满的我们。处在当今的充满竞争力的大学，摸着自己的心对自己说满足吗？这点知识够吗？能够一劳永逸？所以还要学习。 参考资料 Matlab程序设计及应用（第二版）-刘卫国 Matlab/simulink电力系统建模与仿真-于群 曹娜