第一章绪论
1.1课题研究的目的及意义
改革开放后，伴随着中国经济的高速增长，对各类电力设施数量的需求越来越多，现有的配电线路数量已经跟不上经济发展需求的节奏，因此，为了跟上社会主义现代化的脚步，我国开始全面更新改造城网和农网。然而作为影响中性点不接地电网系统的主要事故原因，以间歇性弧光过电压为主的线路接地问题并未引起足够的重视。因此，有必要对间歇性弧光接地过电压产生原因进行研究，并制定出相应的预防措施。
配电网发生单相接地故障时，故障点电弧的不稳定燃烧易导致系统发生间歇电弧接地过电压对设备绝缘造成损伤。本课题要求学生在深入学习弧光接地过电压物理过程及数学分析的基础上，借助ATP-EMTP仿真软件，在高频电流熄弧和工频电流熄弧两种不同情况下研究间歇电弧接地过电压发展的物理过程。通过本课题的设计，提高学生对电力系统过电压发生发展的物理过程本质的认识，并提高电力系统电磁暂态过程的计算机仿真应用能力。
1.2课题研究现状
1.2.1关于弧光接地过电压的概念
电力系统常见的内部过电压一般分为操作过电压、谐振过电压和弧光接地过电压。操作过电压是由开关操作引起；谐振过电压是由系统电感和电容组成的谐振回路引起；弧光接地过电压是由间歇性接地电弧引起。这些过电压，与系统运行电压有直接关系，一般以额定相电压的倍数来表示，通常是在系统操作或事故时产生的。弧光接地过电压又称间歇性弧光接地过电压，是本课题研究的重点。我国现有电力网的中性点接地方式有:中性点直接接地、中性点经消弧线圈接地和中性点不接地(即中性点绝缘)三种，单相弧光接地引起的过电压主要发生在中性点不接地的电力网中，在线路较短时，接地电流不大，许多临时性的弧光接地故障，一般能够迅速熄弧。但是，随着线路的增长和工作电压的升高，单相接地电流也随之增大，许多弧光接地故障变得不能自动熄灭；另一方面，由于接地电流不大，所以往往不能产生稳定性的电弧，于是就形成了
熄弧与电弧重燃相互交替的不稳定状态。这种间歇性电弧现象引起了电力网运行状态的瞬息改变，导致电磁能的强烈振荡，并在非故障相以致故障相中产生严重的暂态过程过电压，这就是弧光接地过电压。
1.2.2弧光接地过电压对电气设备绝缘的危害
当中性点非直接接地系统发生单相金属性接地时，非故障相电压幅值可达万倍相电压，系统中的电气设备可以在这个电压下安全运行。当发生间歇性弧光接地时，由于不稳定的间歇性电弧多次不断的熄灭和重燃，在故障相和非故障相的电感电容回路上会引起高频振荡过电压，非故障相的过电压幅值一般可达 3.巧~3.5倍相电压。这种过电压是由于系统对地电容上电荷多次不断的积累和重新再分配形成的，是断续的瞬间发生的且幅值较高的过电压，对电力系统的设备危害极大。而如果接地电流在高频过零点熄弧或在电压接近最大值时发生击穿，这一过程电压将会更高，曾经记录到超过8倍的过电压。正是间歇性弧光接地引起的过电压，才是电气设备绝缘的主要威胁之一，其表现在以下几个方面:
(1)随着我国电网的发展，具有固体绝缘的电缆线路逐渐取代架空线路。由于固体绝缘击穿的积累效应，当系统发.生单相对弧光接地时，在 3.5倍过电压的持续作用下，造成电气绝缘的积累性损伤，在非故障相的绝缘薄弱环节造成对地击穿，进而发展成为相间短路事故。
(2)弧光接地过电压还会使电压互感器饱和而容易激发铁磁谐振，导致过电压或电压互感器爆炸事故。
(3)弧光接地和铁磁谐振过电压的能量由电源提供，持续时间较长，当过电压超过避雷器所能承受的400AZms能量时，就会造成避雷器的爆炸事故。
由以上分析可见，`系统发生弧光接地时，由于电容电流与电容电压存在900的相角差，所以电容电流在较大时不能自熄灭电弧，相应的就会产生间隙弧光接地一一稳定弧光接地—金属性弧光接地的一个发展过程。对地弧光给供用电设备造成的危害简单说，就是产生的过电压，对供用电设备绝缘造成破坏或累积性损伤，导致供用电设备故障，逐步会发展成弧光短路，而较强的弧光热能使固体绝缘迅速下降，最终造成电缆短路停电或电压波动等事故。因此，供用电设备发生弧光接地故障时，必须将其电弧消灭，如不采取有效的措施进行限制，其危害是非常严重的，直接危及企业的安全供电和连续生产。
1.2.3目前国内外限制弧光接地过电压措施的研究现状
多年以来人们一直为寻求适合本国国情的能有效抑制弧光接地过电压的措施，以便提高中性点非直接接地系统的供电可靠性，做了大量的探索和研究，但效果并不理想。虽有很多措施方法及相应设备技术问世，但解决问题的实效性、可靠性以及提高电网安全运行和经济运行水平等方面难以达到令人满意的效果，尤其对于小电流接地选线装置存在的灵敏性差、选线准确性低等问题，都是限制措施研究与改进中的难点所在。
国外中等电压等级的电力系统多为中性点直接接地或经小电阻接地，弧光接地过电压问题并不突出，一般不需要采取特殊的措施。由于我国电气设备设计规范中规定:“35KV电网如果单相接地电容电流大于10A，3KV—0KV电网如果接地电容电流大于30A，都需要采用中性点经消弧线圈接地方式，以消除弧光接地过电压”。因此，我国6—66KV中等电压等级的电力系统多为中性点非直接接地，弧光接地过电压的幅值较高。由于建国初期多为架空线路，且气体绝缘是可恢复的，弧光接地过电压危害不大，因此并未特殊采取措施。随着城网改造的进行，架空线路逐步被电缆线路取代之后，近几年来弧光接地过电压问题越来越突出，以至于电缆放炮等绝缘事故成为影响企业内部电网和供电电网安全运行的主要因素。
从运行经验来看，中性点经消弧线圈接地方式，对于目前以电缆线路为主的供电网络无法起到应有的保护作用，不仅不能抑制弧光接地过电压，有时反而会加大过电压的幅值，另外还会使小电流选线装置的选线灵敏度降低，甚至使选线工作根本无法进行，常常出现错选现象。中性点经小电阻接地方式，从根本上解决了消弧线圈正常运行中带来的问题，缓解了弧光接地时的过电压，但扩大了单相接地时的故障电流，加剧了故障点的烧伤，牺牲了对用户供电的可靠性，尤其对辐射型的企业内部电网是不合适的阳。
1.2.4中性点接地方式的选择
电力系统中性点接地方式是一个涉及到供电的可靠性、过电压与绝缘配合、继电保护、通信干扰、系统稳定诸多方面的综合技术问题，这个问题在不同的国家和地区，不同的发展水平可以有不同的选择。
配电网中性点采用传统的小电流接地方式：
(1)传统的小电流接地方式
主要是指中性点不接地或经手动调整的消弧线圈接地两种方式。当系统不大，线路主要是架空线路，网络结构相对比较简单，运行方式变化范围不很大，采用传统的小电流接地方式有明显的优点。首先是供电可靠性高，由于接地故障电流很小，其电弧可以瞬间自行熄灭。对单相永久性接地故障，允许一定时间内带故障运行，避免了过多的跳闸现象。其次是人身及设备的安全性较好，由于单相接地时故障点电流很小，跨步电压和接触电压都较低，使人身伤亡和弱电设备的损坏率都显著降低。第三是通信干扰小。配电网采用小电流接地方式应认真地按《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》(DL/T62O一1997)标准的要求执行，对架空线路电容电流在10A以下可以采用不接地方式，而大于10A时，应采用消弧线圈接地方式。采用消弧线圈时应按要求调整好，使中性点位移电压不超过相电压的15%，残余电流不宜超过10A，消弧线圈宜保持过补偿运行。这样基本上可以使配电网安全可靠运行。
(2)配电网中性点经低电阻接地
在配电网中选用中性点经低电阻接地，可以降低单相接地时非故障相的过电压，抑制弧光接地过电压，消除谐振过电压和大部分内部过电压，避免使单相接地发展为相间故障，接地保护方式比较简单，对电缆为主的系统可以选择较低的绝缘水平，以利节约投资，但是对以架空线为主的配电网因单相接地而引起的跳闸次数则会大大增加。对以电缆为主的配电网，其电容电流达到150A 以上，故障电流水平为400~100A，经综合比较后可以采用这种接地方式。采用低电阻方式时，对中性点接地电阻的动热稳定应给以充分的重视，以保证运行的安全可靠。
(3)配电网采用自动跟踪补偿的消弧线圈装置
对于运行方式经常变化，特别是电容电流变化的范围比较大，用手动的消弧线圈已很难适应要求，此外，由于系统的扩大，原有的消弧线圈容量已不够，可能处于欠补偿状态下运行的配电网，采用自动跟踪补偿的消弧线圈，可以将电容电流补偿到残流很小，使瞬时性接地故障自动消除而不影响供电。如果配有自动选线装置，对于永久性故障能正确选出故障线路并告警或跳闸，则可不影响其他非故障线路的正常运行，则是比较合理和很有发展前景的中性点接地方式。随着城市配电网的迅速发展，电缆大量增多，电容电流达到很大值(>300A)，用户使用的敏感元件(电脑、电子控制、电力电子)日益增多；配电网与电信网共处的电磁兼容问题日益突出。可以预见低电阻接地方式要限制单相
短路电流同时又要满足过电压的要求将很困难。相反自动快速跟踪补偿的消弧装置，配合可靠的自动选线装置则有较大的发展优势。但通过企业用户供电系统运行情况来看，自动跟踪补偿的消弧线圈存在着一些问题，没有起到消弧及正确选线的作用，还需进一步研究和探讨。
为满足今后电力系统快速发展的需要，必须根据电力负荷、电网结构、电缆回数、过电压保护、跳闸方式，以及继电保护构成和电力系统稳定性等因素，对6~66Vk电网中性点接地方式进行合理选择，在保证供电系统安全可靠稳定运行的前提下，不断摸索和探讨运行经验，最终确定中性点接地方式的优化。各地区应该根据当地配电网的发展水平、电网结构特点，从长远的发展观点，因地制宜地确定配电网中性点接地方式。
1.3课题的理论依据与现有基础
1.3.1理论依据
(1)根据电力运行规程:对于中性点非直接接地的中压系统，可以带单相接地故障运行两小时。而规程中对于单相接地故障未说明是金属性接地还是弧光接地:
对于金属性接地，由于故障相电压为零，非故障相电压升高到线电压，系统中的设备如变压器、线路及电机等的绝缘水平均是按照线电压水平考虑的，因此，不会对系统中的运行设备的绝缘造成损害；对于单相弧光接地，在间歇性弧光接地阶段，健全相电压为 3.15-5倍相电压，对于稳定的弧光接地，健全相电压为 2.5倍相电压，大量的运行经验及实验室的试验结果表明，在发生单相弧光接地时，系统只能运行几秒钟最多几分钟，就会使故障扩大。
(2)为了消除弧光接地过电压，可采取消除弧光接地的方法来从根本上消除弧光接地过电压，当发生弧光接地的相由弧光接地变成金属性接地时，接地相电压变为零，自然消除了弧光接地，消除了弧光接地，也就消除了弧光接地过电压。
第二章软件应用及介绍
2.1EMTP/ATP软件
EMTP（Electromagnetic Transients Program）是加拿大H.W.Dommel教授首创的电磁暂态分析软件，它具有分析功能多、元件模型全和运算结果精确等优点。可以用来求解电力系统单相或多相的稳态解与各种类型的暂态解，包含有多个集中元件、分布参数、线性与非线性元件、依赖于频率变化的线路、各类型开关、电力电子元件、变压器及电机、多种类型电源、控制电路的任意组合而成的不同网络结构。并且根据电网建立起来有很多零元素的导纳矩阵，程序使用了稀疏矩阵技术，不但简化了计算，而且大幅度减少了存储单元及计算时间，对于电网的稳态和暂态都可做仿真分析。
它的典型应用是预测电力系统在某个扰动（如开关投切或故障）之后感兴趣的变量随时间变化的规律，将EMTP的稳态分析和暂态分析相结合，可以作为电力系统谐波分析的有力工具。
ATP（The Alternative Transients Program）是EMTP的免费独立版本，是目前世界上电磁暂态分析程序最广泛使用的一个版本，它可以模拟复杂网络和任意结构的控制系统，数学模型广泛，除用于暂态计算，还有许多其它重要的特性。ATP程序正式诞生于1984年，由Drs.W.Scott Meyer和Tsu-huei Liu，所组成的世界各地的用户组不断地发展。
ATP还配备有比TACS更灵活、功能更强的通用描述语言MODELS及图形输入程序ATPDraw。
ATP程序（The Alternative Transients Program）是目前世界上电磁暂态分析程序（EMTP(The Electromagnetic Transients Program))最广泛使用的一个版本，ATP-EMTP程序可在大多数类型的计算机上运行。
通俗地说ATP程序可以模拟和分析接地、雷击线路故障、短路故障、断路器跳闸过电压、闭合过电压、开断小的感性电流、变压器冲击电流、暂态恢复电压、线路甩负荷过电压、输电线路工况运行分析、暂态故障选线、高压直流输电系统过电压分析。
ATP-EMTP是目前应用得最为广泛的电磁暂态计算的标准程序。从概念讲，EMTP可应用于任何电路的电磁暂态现象计算。但是另一方面，因为它的庞大
功能，在只有固定格式的文本输入方式时，它的应用相当困难。许多电力技术人员虽然知道ATP-EMTP的潜在应用价值，但苦于入门艰难，迟迟不敢尝试ATP-EMTP的应用。
ATPDraw就是为了解决这个问题而开发的，它是建立计算模型用的人机对话图形接口。ATPDraw准备了电力系统各种元件的图符，点击这些图符，可打开相应的图框，输入有关参数。连接这些图符，可构成所需要的电路。各个元件的图框都带有帮助功能，提示各参数的定义。ATPDraw还具有设定时间步长、计算时间、输出要求及各种特殊要求（如频率扫描）的功能。ATPDraw生成文本输入文件，执行ATP时实际上还是通过文本输入文件。有了这个工具，使ATP-EMTP的利用大大方便了。但是，ATPDraw功能烦多，对初学者来说其利用仍有一定困难。本手册是为了便于初学者掌握ATPDraw的使用方法而编制的，它在介绍ATPDraw基本操作和功能的基础上通过实例让初学者熟悉ATPDraw 的应用。关于ATPDraw的详细介绍请查阅ATPDraw Users Manual。
2.2ATPDraw的基本操作
2.2.1起动
双击ATP/atpdraw目录下的atpdraw.exe可打开如下图所示的窗口。
图1 ATP/atpdraw的起动窗口
点击图1的上角标的白色纸的图标的按钮，可打开如下图所示的新建文件窗口。
图2ATP/atpdraw的新建文件窗口
2.2.2设定
选择图2菜单栏中的ATP→Settings，建立各种设定用的对话框。图3是设定计算条件用的对话框。
delta T：时间步长[s]。
Tmax：计算终止时间[s]。
Xopt：0或空白时，电感元件的单位为mH；
填入频率时，电感元件的单位为ohm。
Copt：0或空白时，电容元件的单位为μF；
填入频率时，电容元件的单位为μmho。
。
图3 计算条件
选择Frequency scan：频率扫描。
选择Hamonic[HFS]：谐波计算。
选择Power Frequency：指定系统频率。
图4是设定输出条件用的对话框。
Print freq：指定文本输出频率。
Plot freq：指定图形输出频率。
选择Plotted output：有图形输出。
选择Network connectivity：输出节点连接表。
图4输出条件
2.2.3选择元件和输入参数
将光标移至图2的空白部分，并点击右键，将出现图5所示的菜单。从菜单中选择目标元件后，将在空白部分的中心出现该元件对应的图标，如图6所示。双击图标，将出现输入该元件参数用的对话框，如图7所示。然后按照Help的提示输入各参数。在所有参数输入完毕后，点击OK，结束该元件的模。
图5元件菜单
图6 元件图标
图7元件参数
2.2.4 辅助操作
连接操作是光标置于一个元件的端子，按下左键，将引线拖至另一个元件的端子，释放左键后再点击左键，结束连接的操作。移动操作是将光标移至目标图标，点击左键，确定选择对象（在该图标外围形成方框，以下同），按下左键，将该图标拖至希望的位置，然后释放左键，结束移动的操作。复制操作是将光标移至目标图标，点击左键，确定选择对象。复制目标图标。复制图标
和原图标是重叠在一起的，按下左键，将复制图标拖至希望的位置，释放左键，结束复制的操作。
2.2.5 ATP的执行
选择图2菜单栏中的ATP→run ATP，可生成文本输入文件（.ATP文件），并执行ATP。如选择图2菜单栏中的ATP→Mark File As，则只生成文本输入文件（.ATP文件），而不执行ATP。
2.2.6 计算结果的输出
选择图2菜单栏中的ATP→PlotXY，可输出用波形表示的计算结果（.pl4文件），选择图2菜单栏中的ATP→Edit LIS-file，可生成文本表示的计算结果（.lis文件），文本输出文件重复文本输入文件的内容，并用表格形式输出暂态计算结果，给出警告信息和错误信息，还可输出电路的节点连接表、稳态计算结果（复数表示）和暂态过程的极值。