基于MATLAB的中性点不接地系统同一点两相接地短路故障仿真分析

基于MATLAB的中性点不接地系统同一点两相接地短路故障仿真分析

简志超

（广东电网有限责任公司东莞供电局广东东莞523000）

摘要：以中性点不接地系统同一点两相接地短路故障作为研究内容，阐述其故障理论原理和电压相量分布。选取局部电网作为本体，在MATLAB/SimPowerSystem平台上搭建220kV电源端到10kV馈线发生一点两相接地短路故障的仿真模型，通过仿真得到从系统到短路故障点的电压波形及电压分布数值。仿真结果与故障的理论原理相符，说明仿真模型正确；而且，通过改变仿真模型中故障元件的故障类型，还能对中性点不接地系统同一点做单相接地、相间短路、三相接地短路故障分析，凸显了该模型在分析中性点不接地系统同一点短路故障时的灵活性、实用性、高效性。

关键词：两相接地；短路故障；不接地系统；MATLAB；Simulink

Simulationanalysisoftwo-phasegroundfaultinUngroundedSystembasedonMATLAB

JIANZhichao

(DongguanPowerSupplyBureauofGuangdongPowerGridCo.,Ltd.,Dongguan,Guangdong523000)

Abstract：Basedontheresearchofthetwo-phasegroundfaultinungroundedsystem,thefaulttheoryandvoltagevectordistributionaredescribed.Selectthelocalpowergridasontology,220kVpowerisbuiltontheMATLAB/SimPowerSystemplatformtothe10kVfeederatwo-phasegroundfaultsimulationmodel,obtainedbysimulationfromthesystemtothenumericalvoltagewaveformandvoltagedistributionofshortcircuitfaultpoint.Thesimulationresultsareconsistentwiththetheoryoffault;Throughthechangeoffaulttypefaultcomponentsinthesimulationmodel,butalsoontheneutralgroundsystemanalysis,phasefaultandthree-phasegroundfaultphasetothesamepoint,highlightingthemodelinanalysisofneutralpointwithashortcircuitfaultflexibility,practicalityandefficiencyofthesystem.

Keywords：Two-phaseground;Shortcircuitfault;Ungroundedsystem;MATLAB;Simulink

0前言

MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。

Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。

1中性点不接地系统同一接地故障理论原理

在中性点不接地系统中最常见的故障为单相接地故障，虽然这种故障不影响对用户的供电，但如不及时处理，由于非故障相的电压升高为线电压后，会造成系统中对地绝缘薄弱的地方闪络，进而发展成为两相接地故障[1]。中性点不接地系统两相接地短路和单纯的相间短路有一定区别，针对这种故障类型，利用相量图和MATLAB进行详细分析，总结在这种故障情况下系统各点电压、电流关系。

如图1所示系统，母线Q电压等级为220kV，母线P电压等级为110kV，母线M电压等级为10kV，其中变压器T2低压侧为中性点不接地系统。为简化分析，假定电网负荷为0，线路、变压器阻抗只考虑电抗分量，即阻抗角为90°。

1.1故障点电压、电流相量图分析

如图1所示，假设K点发生B、C两相金属性接地故障。由于变压器T2低压侧为中性点不接地系统，因此在发生B、C两相接地短路时并没有电流流入大地，也就是说，电流的计算方法和相量表示仍和B、C相间短路故障相同，但不同的是故障点处B、C相对地电压将变成零，而A相对地电压将升高至额定电压的1.5倍[1]。故障点K电流、电压可以由图2所示相量图表示。

图1局部电网示意图

Fig.1Partialnet

图2故障点电流电压相量图

Fig.2Currentandvoltagevectorfaultpoint

1.2系统各处电压分布情况

实际上，我们最为关心的是系统各处母线上感受到的电压情况，下面我们看一下K点发生BC两相金属性接地故障时，系统各处电压的分布，如图3。我们可以看出：在中性点不接地系统中，中性点对地的电压位移等于0.5,如图3中M母线、K点所示；在中性点接地系统中，中性点对地电压位移又恢复正常，表现出的形式与B、C相间故障完全相同[1]。

图3系统各处电压分布相量图

Fig.3Currentandvoltagevectorfaultpoint

2搭建仿真模型

2.1仿真参数

整个仿真模型当中，变压器参数计算是比较复杂的环节，如图1中110kV变压器T2为例，选取型号为SZ10-50000/110TH变压器，计算变压器的标幺值。其变压器参数如下表。可以计算变压器的短路参数和励磁参数。

表1SZ10-50000/110TH变压器铭牌

Tab.1TransformernameplateofSZ10-50000/110TH

2.1.1变压器T2短路参数计算：

变压器容量，负载损耗，变高侧额定电压，额定电压分接时短路阻抗。

计算短路电阻

计算短路电抗

计算短路电感

2.1.2变压器T2励磁参数计算：

变压器容量，空载损耗，空载电流，变高侧额定电压。

计算励磁电阻

计算励磁电抗

计算励磁电感

2.1.3变压器T2标幺值（pu）计算：

电阻基准值

短路电阻标幺值

励磁电阻标幺值

电感基准值

短路电感标幺值

励磁电感标幺值

在MATLAB/SimPowerSystem中找到双边变压器（Three-PhaseTransformer）元器件，如图4所示，双击该元器件，在Configuration菜单中选中原边和副边线圈接线方式均为Y接，中性点不接地；在Parameters菜单中输入上述计算参数如表2变压器T2所示。

变压器T1参数计算方式与变压器T2计算方法相同，其余参数具体设置如表2所示。

图4双边变压器元件

Fig.4Three-PhaseTransformer

图5110kV变压器T2参数设置

Fig.5110kVTransformerBlockParameters

2.2仿真模型搭建

根据图1搭建局部电网仿真图如图6所示，在每一级母线中还包含子系统Subsystem，如图7所示，主要用于把母线的电压波形进行有效值和相角的分离，使得能直接从数字示波器上显示数值。算法设置为ode23tb，步长设置为可变步长，仿真时间为0.08秒。

表2主要参数设置表

Tab.2Mainparametersettingsheet

图6局部电网仿真模型图

Fig.6SimulationmodelofPartialnet

图7傅里叶分析Subsystem子系统图

Fig.7SubsystemofFourier

表3仿真结果数据表

Tab.3Simulationresultdatasheet

3仿真分析

3.1仿真数据分析

仿真得到的各点电压数据如表3所示，将表3数据导入Excel表格分析工具，作出的相量图如图8所示，M点与K点位不接地系统，中性点的对地电压位移为0.5，其余N、P、Q均为中性点直接接地系统，中性点对地电压位移又恢复正常，表现出的形式与B、C相间故障完全相同，仿真分析与上述1.2点分析相符，说明仿真模型正确。

图8仿真结果相量图

Fig.8vectorofsimulationresult

3.2仿真波形分析

由于故障元器件中设置了故障开始时间为[1/50]，即仿真从0.02s后进入故障状态。

从K点仿真的波形图图9分析得到，K点在0.02s开始B、C相电压变为0，A相电压增大为原来的1.5倍，与故障点处B、C相对地电压将变成零，A相对地电压将升高至额定电压的1.5倍的理论分析相符；0.02s后B、C短路电流增大至2000A，而A相电流始终为0，与B、C两相接地短路故障类型的现象相符，说明仿真正确。

图9K点电压、电流波形图

Fig.9KPointVoltageandcurrentwaveform

图10M点电压、电流波形图

Fig.10MPointVoltageandcurrentwaveform

从M点仿真波形图图10分析得到，M点作为中性点不接地系统，在0.02s后，A相电压增大为额定电压1.5倍，B、C相电压均被拉低，而且相位相反；由于A点不是故障点，A点电流始终为0，B、C相电流也突然增大至2000A，而且反相。

从N、P、Q点仿真波形图图11、图12、图13得到，这三点均为中性点接地系统，在0.02s之后，A相电压波形始终没有发生改变，B、C相电压波形发生了突变，具体原因为相位发生了改变，而且越远离故障点，突变越不明显，在系统侧Q点，相位突变为0；而电流A相电流始终为0，B、C相电流突然增大而且反相。

图11N点电压、电流波形图

Fig.11NPointVoltageandcurrentwaveform

图12P点电压、电流波形图

Fig.12PPointVoltageandcurrentwaveform

图13Q点电压、电流波形图

Fig.13QPointVoltageandcurrentwaveform

4结语

通过对中性点不接地系统同一点两相接地短路故障进行MATLAB仿真，利用仿真得到的数据、波形对发生故障时的系统各点电压、电流关系进行梳理，得出仿真结果与故障的理论原理相符，说明搭建的仿真模型正确。而且，通过改变仿真模型中故障元件的故障类型，还能对中性点不接地系统同一点做单相接地、相间短路、三相接地短路故障分析，凸显了该模型在分析中性点不接地系统同一点短路故障时的灵活性、实用性、高效性。

参考文献

[1]张波,王越.中性点不接地系统同一点两相接地短路故障分析[J].继电器,2007,35(15):59-61.

ZHANGBo,WANGYue.Analyisoftwo-phasegroundingfaultofisolatedneutralsystem[J].2007,35(15):59-61.

[2]刘春晓,张俊峰,陈亦平,张建新,徐敏,王官宏.异步联网方式下云南电网超低频振荡的机理分析与仿真[J].南方电网技术,2016,10(7)：29-34.

LIUChunxiao,ZHANGJunfeng,CHENYiping,ZHANGJianxin,XUMin,WANGGuanhong.MechanismAnalysisandSimulationonUltraLowFrequencyOscillationofYunnanPowerGridinAsynchronousInterconnectionMode[J].SOUTHERNPOWERSYSTEMTECHNOLOGY,2016,10(7)：29-34.

[3]高伟,何瑞文.基于MATLAB和PSASP的电力系统仿真研究[J].广东电力,2005,18(1):9-11.

GAOWei,HERuiwen.AstudyofpowersimulationbasedonMATLABandPSASP[J].GUANGDONGELECTRICPOWER,2005,18(1):9-11.

[4]李蕾,程汉湘,澎湃,陈杏灿,杨健.基于MATLAB的磁阀式可控电抗器仿真建模[J].广东电力,2016,29(2):45-47.

LEILei,CHENGHanxiang,PENGPai,CHENXingcan,YANGJian.SimulatingModelingofMagneticallyControlledReactorBasedonMATLAB[J].GUANGDONGELECTRICPOWER,2016,29(2):45-47.

[5]田铭兴,杨雪凇,顾生杰.基于MATLAB磁饱和式可控电抗器的仿真参数及过渡时间分析[J].电力自动化设备,2013,33(6):47-51.

TIANMingxing,YANGXuesong,GUShengjjie.TheAnalysisofTransitionTimeandParametersBasedonMATLABSimulationModelofMagneticSaturationTypeControlledReactor[J].ElectricPowerAutomationEquipment,2013,33(6):47-51.

[6]李颖.Simulink动态系统建模与仿真[M].西安：西安电子科技大学出版社,2009.

[7]陈桂明,等.应用MATLAB建模与仿真[M].北京:科学出版社,2001.

[8]王江,付文利，等.基于MATLAB/Simulink系统仿真权威指南[M].北京:机械工程出版社,2013.

[9]于群,曹娜.MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真[M].北京:机械工程出版社,2011.

[10]王晶,翁国庆,张有兵.电力系统的MATLAB/SIMULINK仿真与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2015.

[11]何仰赞，温增银.电力系统分析(第三版)[M].武汉:华中科技大学出版社，2002.

作者简介：

简志超（1989），男，广东东莞。工程师，工学学士，主要从事变电站继保自动化专业方向。