基于-MATLAB短路電流的計算和仿真

1、 41/45 摘 要短路故障也稱為橫向故障，是破壞電力系統(tǒng)正常安全穩(wěn)定運行的主要原因。一般分為四種常見的短路情況，分別是三相短路，兩相短路、單相接地短路及兩相接地短路。利用傳統(tǒng)的數(shù)學計算分析電力系統(tǒng)故障情況不但工作量大而且危險性高。課題中利用了MATLAB軟件對電力系統(tǒng)短路故障進行仿真模擬，這樣既可以不偏離實際情況又可以減少實驗的危險性。首先建立一個空白的模型，選擇Simulink元件庫中本身具有的電力系統(tǒng)模塊庫的模塊，分別建立無窮大功率電源供電系統(tǒng)系統(tǒng)和有限大功率電源供電系統(tǒng)，得出四種短路情況分別發(fā)生時的圖形，然后對兩種不同供電系統(tǒng)發(fā)生三相短路的進行數(shù)學計算得出周期電流的幅值大小和沖擊電流的

2、大小。通過相關的系統(tǒng)仿真與計算，結果表明利用MATLAB軟件對電力系統(tǒng)進行仿真，方便快捷，同時也具有很高的可靠性。 關鍵詞：短路故障；MATLAB；電力系統(tǒng)ABSTRACT Short circuit, also known as lateral fault, is the main reason for the destruction of normal power system safe and stable operation. Generally divided into four mon short-circuit conditions, which are three-phase

3、short, two-phase short circuit, single-phase ground short circuit and two ground fault. Calculation of power system failure not only a heavy workload and high-risk use of traditional mathematics. The use of MATLAB software subject to short circuit power system simulation, so that both can not deviat

4、e from the actual situation and can reduce the risk of the experiment. First create a blank model, select Simulink ponent library itself has a power system module library modules, namely the establishment of the infinite power supply system power supply systems and limited system, draw graphics were

5、 four short-circuit occurs, Then two different phase short-circuit of the power supply system mathematically calculated the amplitude of the current cycle and the impact of the current size. Related systems through simulation and calculation results show that the use of MATLAB software for power sys

6、tem simulation, convenient, but also has high reliability. Key words short-circuit fault; MATLAB; power system 目 錄TOC o 1-2 h u HYPERLINK l _Toc3583 1 緒論 PAGEREF _Toc3583 1 HYPERLINK l _Toc24570 1.1 研究的背景與意義 PAGEREF _Toc24570 1 HYPERLINK l _Toc7877 1.2 設計的主要工作 PAGEREF _Toc7877 1 HYPERLINK l _Toc3075

7、2 2 電力系統(tǒng)短路故障簡介 PAGEREF _Toc30752 3 HYPERLINK l _Toc20237 2.1 短路的基本概念 PAGEREF _Toc20237 3 HYPERLINK l _Toc29884 2.2 短路的危害 PAGEREF _Toc29884 4 HYPERLINK l _Toc18942 2.3 短路計算的目的 PAGEREF _Toc18942 5 HYPERLINK l _Toc26170 3 仿真軟件 PAGEREF _Toc26170 6 HYPERLINK l _Toc12460 3.1 MATLAB的簡介 PAGEREF _Toc12460 6

8、HYPERLINK l _Toc23123 3.2 Simulink在仿真中的應用 PAGEREF _Toc23123 7 HYPERLINK l _Toc20250 4 無窮大功率電源短路故障計算與仿真 PAGEREF _Toc20250 10 HYPERLINK l _Toc13691 4.1 三相短路 PAGEREF _Toc13691 10 HYPERLINK l _Toc9828 4.2 兩相接地短路 PAGEREF _Toc9828 19 HYPERLINK l _Toc20727 4.3 單相短路接地 PAGEREF _Toc20727 21 HYPERLINK l _Toc23

9、815 4.4 兩相短路 PAGEREF _Toc23815 23 HYPERLINK l _Toc28323 5 有限大功率電源短路故障計算與仿真 PAGEREF _Toc28323 26 HYPERLINK l _Toc6450 5.1 三相短路故障 PAGEREF _Toc6450 26 HYPERLINK l _Toc12986 5.2 兩相接地短路 PAGEREF _Toc12986 31 HYPERLINK l _Toc13063 5.3 單相短路接地 PAGEREF _Toc13063 32 HYPERLINK l _Toc5872 5.4 兩相短路 PAGEREF _Toc58

10、72 33 HYPERLINK l _Toc24566 6 結論 PAGEREF _Toc24566 35 HYPERLINK l _Toc8317 參考文獻 PAGEREF _Toc8317 36 HYPERLINK l _Toc30419 致 謝 PAGEREF _Toc30419 391 緒論 1.1 研究的背景與意義 隨著社會的不斷發(fā)展，電力已經滲入到了人們的學習、生活等各個方面，只有保證不間斷地供電才能使工廠正常生產、人們正常生活。這樣就要求供電系統(tǒng)必須要盡量避免出現(xiàn)故障，以免影響系統(tǒng)對用電負荷進行正常供電。在所有故障當中，發(fā)生頻率最高的就是短路故障。發(fā)生短路的時候系統(tǒng)中的電流要遠遠

11、大于正常的電流，在一些大型的電力系統(tǒng)中所產生的后果對整個供電系統(tǒng)和用電負荷的危害也是非常大的，所以進行短路計算對整個電力系統(tǒng)來說都是非常重要的。但是隨著電氣行業(yè)的不斷發(fā)展擴大，電力系統(tǒng)越來越復雜，許多大型的科研在顯示設備中得不到實現(xiàn)，一方面是現(xiàn)實生活的條件不能滿足實驗的要求；另一方面是即使采用了手工計算的方法，由于系統(tǒng)的復雜性會帶來很大的工作量，不能很方便的調整，也有可能產生的結果與實際有較大的差別。這就需要我們尋找一種能夠很大程度上模擬出電力系統(tǒng)運行狀況的數(shù)字仿真工具，MATLAB就能夠充分滿足這一要求，由于它自身所具有的特點使它獲得了對應的學科的應用，特別是能夠很好的應用在邊緣學科和交叉學

12、科，加強輔助分析應用學科計算機和復雜的電力系統(tǒng)。MATLAB的各種適用性，使其能夠很好的來分析與計算電力系統(tǒng)短路故障，解決我們在實際上生活中所遇到的問題。1.2 設計的主要工作 課題是有關于電力系統(tǒng)的分析的工程仿真項目，主要利用MATLAB對不同的電力系統(tǒng)幾種常見的短路情況進行分析。 （1）無限大功率電源短路故障首先建立一個由無窮大功率電源供電的簡單電力系統(tǒng)，設置短路故障點，利用MATLAB分別對發(fā)生四種不同的短路情況進行仿真，得出仿真圖形，對圖形進行分段解析，分別設置發(fā)生故障時間與正常工作時間，每種短路情況都得出故障時短路電流與短路電壓、正常工作時短路電流與短路電壓的四個不同的圖形。由于三相

13、故障在電力系統(tǒng)故障中的危害最大，我們除了利用MATLAB對三相短路故障進行仿真，也采用了數(shù)學分析方法對三相短路情況進行理論分析得出結果，再將兩次不同方法所得出的結果比較，得出相差的大小，以檢驗實驗是否正確。有限大功率電源短路故障 首先建立一個由有限大功率電源供電的簡單電力系統(tǒng)，設置短路故障點，利用MATLAB分別對發(fā)生四種不同的短路情況進行仿真，得出仿真圖形，對圖形進行分段解析，分別設置發(fā)生故障時間與正常工作時間，每種短路情況都得出故障時短路電流與短路電壓、正常工作時短路電流與短路電壓的四個不同的圖形。三相故障在電力系統(tǒng)故障中的危害最大，我們除了采用MATLAB對三相短路故障進行仿真，也利用了

14、數(shù)學分析方法對三相短路情況進行理論分析得出結果，再將兩次不同方法所得出的結果比較，得出相差的大小，以檢驗實驗是否正確。2 電力系統(tǒng)短路故障簡介2.1 短路的基本概念由于系統(tǒng)本身的復雜性導致發(fā)生故障的可能性較大，在所有故障當中，短路故障的發(fā)生概率比較高，所產生的危害也是比較大的。所謂短路就是指在電力系統(tǒng)不正常運行時候相與相之間或相與地之間（或中性線）之間的接通1。發(fā)生短路故障可能有許多方面的原因，主要有以下幾個方面：（1）元件性能退化，例如絕緣材料在自然條件下暴露導致元件的本身所具有性能遭到損壞。（2）操作人員沒有進行規(guī)X合理的操作，例如技術操作人員在進行操作前沒有檢查設備的狀況是否適合運行，線

15、路檢修時改變了線路的狀態(tài)，但檢修之后并沒有恢復線路正常運行所要求的狀態(tài)就接入電力系統(tǒng)之中工作；（3）自然環(huán)境，例如在大風、冰雹或雪災這樣的極端天氣下可能會引起架空線路倒塌；（4）其他的一些原因，例如由于某些地面下的道路工作使電纜受到了損壞，鳥獸的一些行為把裸露的導體連接起來。短路故障分為單相接地短路、兩相短路、兩相接地短路和三相短路2。其中當發(fā)生三相短路時電路仍為對稱電路，是一種對稱短路；其余三類稱為不對稱短路，其中單相接地短路發(fā)生的概率最高，可達65%左右3。表1 短路示意圖和代表符號短路種類示意圖短路代表符號三相短路f(3)兩相接地短路f(1,1)兩相短路f(2)單相接地短路f(1)架空線

16、路是電力系統(tǒng)里容易發(fā)生故障的部分，其中發(fā)生可能性最大的故障類型就是短路故障，近年來，我國統(tǒng)計的不同的電壓X圍內短路故障發(fā)生的相對次數(shù)如表2、表3。表2 不同X圍電壓發(fā)生短路故障的幾率線路X圍發(fā)生幾率在110KV線路上78.0% 容量為6000KW以上的發(fā)電機7.5%110KV變壓器6.5% 110KV母線8.0%表3 110KV線路上各種類型短路故障幾率 短路類型發(fā)生幾率三相短路5.0% 兩相短路4.0%兩相短路接地8.0% 單相短路83.0% 從表3中可以看出單相短路發(fā)生的情況占絕大多數(shù)，許多的實際經驗也證實了這一種現(xiàn)象。三相短路相對其他三種短路情況發(fā)生的概率相對小，但是帶來的危害卻是非常大

17、的，有時甚至會導致整個電力系統(tǒng)的癱瘓，分析計算出三相短路電流，能夠在很大程度上幫助技術人員更加合理的設計輸電線路的保護裝置，減少故障發(fā)生對我們生活帶來的危害，所以我們必須認真分析三相短路故障。在某些時候，當發(fā)生不對稱短路故障的時候，了解三相短路情況對分析處理不對稱短路情況的有很大的幫助。2.2 短路的危害(1)當短路故障發(fā)生的時候，線路中的電流變大，電壓下降4。比如，當發(fā)電機端發(fā)生了短路故障的時候，定子繞組流過的故障短路電流有可能達到其額定電流的10倍甚至15倍，過大的短路電流和電流產生的電動力效應可能會使導體和絕緣遭到破壞。 (2)電力系統(tǒng)故障短路會導致電網(wǎng)的電壓降低，一些用戶的供電和用電設

18、備也因此遭受到破壞。例如，異步電動機的電磁轉矩和電壓的平方成正比例關系，電壓減小可能使電動機失步。4 (3)不對稱短路所引起的不平衡電流，會產生不平衡磁通，在鄰近的平行通信線路內感應出電動勢，干擾通信系統(tǒng)，威脅人身安全和影響設備正常運行5。 (4)一旦發(fā)生短路故障可能會對電力系統(tǒng)的正常安全運行構成威脅，導致整個系統(tǒng)的崩潰。因為短路會導致電力系統(tǒng)功率分布不再是原本電路設計中的數(shù)據(jù)了，發(fā)電機的輸出功率與輸入功率也與原來的數(shù)據(jù)不一樣了，并列運行的發(fā)電機失步，整個系統(tǒng)崩潰，用電負荷地區(qū)不能及時得到供電。 在設計和運行電力系統(tǒng)的時候，要采取合適的方法來減少短路故障發(fā)生的概率。比如，我們可以加強對電氣設備

19、的保養(yǎng)延緩設備的老化速度，最大程度確保設備安全運行，嚴格把關好設備質量，嚴肅處理違規(guī)操作，提高操作人員的專業(yè)性，減少人為失誤的發(fā)生，確保人身安全。2.3 短路計算的目的 (1)選擇滿足電力系統(tǒng)要求的電氣設備，如在選擇互感器、斷路器的一些電氣設備的時候，選擇的依據(jù)就是短路電流。例如，設備電動力穩(wěn)定性的校驗是以沖擊電流為依據(jù)的；設備的其他性能指標也是以短路電流的周期分量為依據(jù)的。 (2)對系統(tǒng)的多種短路情況進行分析是進行正確地配置繼電保護與自動裝置、整定參數(shù)的前提。 (3)確定電氣主接線方案的時候，了解短路故障發(fā)生時電力系統(tǒng)電流大小的變化，對采取合理的輸電線路保護裝置和對電力設備進行造價評估有很大

20、的幫助，從而挑選出最合適的主接線方案。3 仿真軟件3.1 MATLAB的簡介MATLAB即MATrix LABoratory(矩陣實驗室），是美國的The MathWork公司1984年推出的一種有關于科學與工程的計算機語言6。MATLAB在三十多年的發(fā)展和競爭中由許多的數(shù)學家和軟件專家對其進行研發(fā)，它的運行環(huán)境也在不斷的發(fā)展變化，從早期的在DOS環(huán)境下發(fā)展到現(xiàn)在包括可以在Windows、UNIX及Mac OSX等很多個平臺上運行。MATLAB在教學、科研和工業(yè)等各個方面也是非常受歡迎的。在大學學習中，MATLAB給高等教育中數(shù)學、自然等一些學科的學習和研究帶來了很大的方便；在工業(yè)應用中，也是

21、一個高效的開發(fā)和分析的工具。在MATLAB發(fā)展過程中，已經從一個簡單的“矩陣實驗室”演變成為了國際上最受歡迎的軟件之一。它具有極高的通用性，適用X圍越來越廣泛7。與其它的計算機語言比較，MATLAB的一些特點：（1）相對比較簡單，易于掌握。MATLAB雖然是一門編程語言，可是和其它的編程語言比較起來，它不需要定義變量和數(shù)組，這樣使用起來會更加的便捷。MATLAB的本身適用性極強而且十分的人性化，用戶只要具有一般的計算機語言基礎，就能很好運用它。（2） 代碼簡短而且高效。MATLAB程序設計的語言集成度比較高，而且語句相對簡短，某些程序用其它語言編寫可能需要數(shù)百的語句，MATLAB可以簡化程序所

22、需編寫的語句，利用十幾條可能更少的語句就可以解決問題了。程序可靠性較高，易于維護，MATLAB的這一特點也使得解決問題的效率和水平在很大程度上得以提高。（3）功能齊全，可擴展性極強。MATLAB軟件由兩個重要的部分組成，分別是基本部分和專業(yè)擴展部分?；静糠种邪藬?shù)值積分和各種變換、數(shù)據(jù)的計算、代數(shù)和超越方程的求解以及矩陣的運算等，能夠滿足一般科學計算的需求。專業(yè)擴展部分又稱為工具箱（Toolbox），用來解決專業(yè)性很強的一些問題6。MATLAB極強的拓展性使它能夠很好的解決許多不同方面的問題。它所包含的大量的實用輔助工具箱具也滿足了不同專業(yè)研究方向以及工程應用的需求。（4）強有力的圖形表達

23、能力。MATLAB本身具有非常多的圖形表達函數(shù)，這樣我們通過對圖像的觀察很直接的得到我們所需要的實驗數(shù)據(jù)和實驗結果，并且能用曲線繪制出難以表達出來的一些隱函數(shù)，二維和三維圖像還有一些工程性較強的特殊圖像也都可以利用MATLAB繪制出來。（5）強大的系統(tǒng)仿真功能。MATLAB最重要的軟件包Simulink，它本身具有的利用框圖實現(xiàn)對復雜的系統(tǒng)的建模與仿真功能，能夠非常容易地構建出動態(tài)系統(tǒng)仿真模型，進行準確的仿真分析。MATLAB是一種新興的、應用前景廣泛的計算機高級編程語言8。不僅廣泛應用于控制界，在信號分析與處理、系統(tǒng)仿真、通信與電子工程、虛擬制造、雷達工程、語音處理、生物工程、財政金融、圖像

24、信號處理以及計算機技術等領域中也是非常流行的。3.2 Simulink在仿真中的應用Simulink是由The Math Work公司為MATLAB提供的結構圖編程與系統(tǒng)仿真專用安裝包，對動態(tài)系統(tǒng)進行一系列的建模、仿真和分析。它支持連續(xù)時間系統(tǒng)、線性和非線性系統(tǒng)、連續(xù)和離散混合系統(tǒng)、離散時間系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可以是多進程的。它利用自身模塊庫中的模塊對系統(tǒng)進行描述，在這個基礎上利用MATLAB計算得出動態(tài)系統(tǒng)在時域內的變化并得出結論。Simulink和MATLAB是高度集成在一起的，他們之間可以進行靈活的交互操作。Simulink也是一種方便學習掌握、功能齊全、具有廣泛的適應性、仿真精度極高、貼近實

25、際的工具，無需書寫大量的程序，掌握了簡單的計算機語言，就可以實現(xiàn)復雜電力系統(tǒng)的仿真。當利用Simulink進行系統(tǒng)的建模與仿真來解決實際的工程問題時，其步驟一般如下：描繪出系統(tǒng)的草圖。把需要進行仿真的系統(tǒng)根據(jù)其功能特性劃分成為子系統(tǒng)，利用小的模塊來把每一個子系統(tǒng)搭建好，充分體現(xiàn)了利用Simulink進行系統(tǒng)建模時結構流程清晰，使用方便靈活。在仿真的過程中我們優(yōu)先選擇Simulink Library庫中本身具有的模塊，這樣可以使程序編寫簡化，減少工作量9。圖1 Simulink Library Browser模塊(2)右擊MATLAB主界面菜單欄中的“New”，選擇“Simulink Model

26、”,新建一個空白模型，如圖2所示10。圖2 Simulink空白模型（3）根據(jù)草圖在Simulink元件庫中分別找到對應的子模塊庫，找到需要的仿真模塊，按住鼠標拖到新建的空白窗口，擺放好模塊的位置并將其連接好,如圖3所示。圖3 模塊連接雙擊選中的模塊，根據(jù)所建立的草圖系統(tǒng)分別設置好各個模塊的參數(shù)。（5）保存建立的模型，將文件的后綴名改為.mdl，如圖4所示。圖4 保存模型運行仿真，觀察仿真所得出的結果。如果仿真過程中出現(xiàn)錯誤，導致錯誤的原因會出現(xiàn)在查找錯誤指示框中，按照指示的內容對其進行修改；如果出現(xiàn)仿真結果與理論計算的結果相差很大，我們第一步是檢查仿真模塊連接是否出現(xiàn)錯誤、所選擇的仿真模塊是

27、否合適，第二步檢查模塊參數(shù)以及仿真相關參數(shù)的設置是否正確11。（7）調試仿真模型。在以上步驟中不能檢查出為什么出現(xiàn)錯誤的原因，就可以采取調試的手段，查看系統(tǒng)的各個仿真步驟的運行情況，找出出現(xiàn)錯誤的地方，進行修改后再次對其進行仿真，直到出現(xiàn)與預想一致的結果，然后保存模型。4 無窮大功率電源短路故障計算與仿真4.1 三相短路假設無窮大的功率電源供電系統(tǒng)如圖5所示，0.02s時刻變壓器電壓分母線發(fā)生三相短路故障，仿真短路電流周期分量幅值與沖擊電流大小。線路的參數(shù)為L=200km,X1=0.4/km,R1=0.17/km;變壓器額定容量SN=20MVA,短路電壓US%=10.5,短路損耗PS=135k

28、W,空載損耗P0=22kW，空載電流I%=0.8，變比K=110/11，高低壓繞組為Y形聯(lián)接；并設供電點電壓為220KV。圖5 無窮大功率電源供電系統(tǒng)圖6 電力系統(tǒng)三相短路系統(tǒng)仿真模型表4 仿真電路中各模塊名稱和提取途徑模塊名提取途徑無窮大功率電源10000MVA，110KA SourceSimpowerSystems/Eletrical Sources三相并聯(lián)RLC復合模塊5MWSimpowerSystems/Elements串聯(lián)RLC支路Three-phaseParallel RLC BranchSimpowerSystems/Elements雙繞組變壓器模塊Three-phaseTran

29、sformer(Two windings)SimpowerSystems/Elements三相故障模塊Three-phase FaultSimpowerSystems/Elements三相電壓電流測量模塊Three-phaseV-I MeasurementSimpowerSystems/Measurements示波器模塊ScopeSimulink/sinks電力圖形用戶分析界面PowerguiSimpowerSystems圖7 電源模塊控制表5 三相電源模塊參數(shù)參數(shù)名稱解析模塊參數(shù)名稱參數(shù)表示意義Phase-to-phase rms voltage線電壓有效值Phase angle of ph

30、ase A(A相初相角)用度數(shù)表示出A相的相角。三相電壓的相序為正序。B相與C相的電壓相角的度數(shù)分別落后A 相相角120和240續(xù)表5模塊參數(shù)名稱參數(shù)表示意義Fequency頻率Internal connection(內部連接方式)三相電源內部的連接方式，改變電源連接，電源模塊圖標隨之發(fā)生改變。Specify impedance using short-circuit level(通過短路電流容量指定阻抗)選定這一項可以通過短路電流容量與X/R的比值來指定阻抗值Source resistance(電源電阻)通過短路電流容量指定阻抗選項不被選中的時候，該參數(shù)才起作用Source inductan

31、ce(電源電感)通過短路電流容量指定阻抗選項不被選中的時候，該參數(shù)才起作用變壓器T采用的模型是“Three-phase transformer(Two Windings)”模型。變壓器的電阻： (1)變壓器的電抗： (2)變壓器的漏感： (3) 變壓器的勵磁電阻： (4)變壓器的勵磁電抗： (5)變壓器的勵磁電感： (6)變壓器模塊端子ABC、abc分別是變壓器的3個繞組端子。其連接方式表6所示。表6 變壓器模塊繞組連接方式參數(shù)解析設置參數(shù)參數(shù)表示意義Y型聯(lián)接3個電氣連接端口（A、B、C、N或a、b、c、n),繞組中線可見Yg型聯(lián)接3個電氣連接端口（A、B、C、N或a、b、c、n),模塊內部繞

32、組可見（D1）型聯(lián)接3個電氣連接端口（A、B、C、N或a、b、c、n),繞組滯后Y30（D11）型聯(lián)接3個電氣連接端口（A、B、C、N或a、b、c、n),繞組超前Y30圖8 變壓器繞組的連接方式變壓器模塊的參數(shù)采用有名值表示，如圖9所示。圖9 三相變壓器參數(shù)設置表7 變壓器模塊參數(shù)設置名稱解析設置參數(shù)名稱參數(shù)表示意義Units(單位）變壓器參數(shù)的單位可選擇有名值(SI)或標幺值（PU)Nominal power and frequency(額定功率和額定頻率)變壓器的額定功率（VA)和額定頻率（Hz)Winding1(ABC)connection(一次繞組連接方式）一次繞組連接方式的選擇Win

33、ding parameters(一次繞組的參數(shù)）一次繞組線電壓的有效值（V）、電阻和漏抗Winding2(ABC)connection(二次繞組連接方式）二次繞組連接方式的選擇Winding parameters(二次繞組的參數(shù)）二次繞組線電壓有效值（V）、電阻和漏抗Magnetization reactance Rm(勵磁鐵芯電阻）反映變壓器鐵芯損耗的勵磁電阻 續(xù)表7設置參數(shù)名稱參數(shù)表示意義Magnetization reactance Lm(勵磁鐵芯電感）變壓器的勵磁電感輸電線路L采用的模型是“Three-Phase Parallel RLC Branch1”,根據(jù)所給數(shù)據(jù)求得所得參數(shù)，如

34、圖10。輸電線路的電阻： (7)輸電線路的電抗： (8)輸電線路的電感： (9)圖 10 輸電線路L的參數(shù)設置表8 三相串聯(lián)負荷模塊參數(shù)名稱解析設置參數(shù)名稱參數(shù)表示意義Configuration(三相負荷的連接方式）三相負荷的連接方式包括中性點接地Y型連接，中性點不接地Y型連接，中性點通過其他設備的連接和三角形連接Nominal phase-to-phase voltage Vn(額定電壓）負荷的額定線電壓Nominal frequency fn (額定功率）負荷的額定功率續(xù)表8設置參數(shù)名稱參數(shù)表示意義Active pwer P(有功功率）負荷的有功功率Inductive reactive p

35、ower QL(感性無功功率）三相負荷的感性無功功率Capacitive reactive power Qc(容性無功功率）三相負荷的容性無功功率Measurements(測量）利用萬用表可以測量出負荷兩端的電壓和通過負荷的電流三相并聯(lián)負荷模塊參數(shù)設置如圖11所示。圖11 三相并聯(lián)負荷模塊的參數(shù)設置三相電壓電流測量模塊“Three-Phase V-I Measurement”把在變壓器低壓側測量所得的電壓和電流信號轉出Simulink信號，相當電壓互感器和電流互感器的作用，參數(shù)設置如圖12所示。圖12 三相電壓電流測量模塊在仿真時，故障點故障類型的參數(shù)設置利用三相電路故障模塊“Three-Ph

36、ase Fault”。表9 三相故障模塊參數(shù)名稱解析模塊參數(shù)名稱參數(shù)表示的意義Phase A Fault、Phase B Fault和Phase C Fault選擇故障相Fault resistances設置短路點的電阻，不能設置為零Ground resistances故障類型為短路接地故障的時候必須選擇這一項，設置接地故障時大地電阻External control of fault timing添加外部控制信號，控制該模塊故障的啟動與關閉Transition status故障開關的狀態(tài)，“1”用來表示閉合，“0”用來表示斷開Transition times故障開關的動作時間，與故障開關的狀態(tài)

37、相對應Ground Fault選定該項時該故障為短路接地故障Snubbers resistance并聯(lián)緩沖電路中的過渡電阻，一般設置為1e6snubber Capacitance并聯(lián)緩沖電路中的過渡電容，一般設置為infMeasurements是用來選擇測量量三相故障模塊的參數(shù)設置如圖13所示。圖13 三相電路故障模塊設置根據(jù)以上結論可以計算出發(fā)生三相短路故障時，變壓器低壓母線短路電流周期分量幅值和沖擊電流的值13。短路電流周期分量幅值為 (10) (11)可得短路沖擊電流為 (12)通過窗口菜單中的“SimulinkConfiguration Parameters”命令打開仿真參數(shù)對話框，選

38、擇可變步長ode23t算法，仿真開始時間設置為0，結束時間設置為0.2s,其余的參數(shù)采用默認設置14。三相故障模塊設置故障發(fā)生在0.02s時刻，然后運行仿真，可得仿真故障短路電流圖形，如圖14所示，得仿真故障短路電壓圖形，如圖15所示。圖14 變壓器低壓側三相短路電流波形圖圖15 變壓器低壓側三相短路電壓波形圖由圖14不難發(fā)現(xiàn)，在0.02s前系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，在發(fā)生故障時A、B、C三相電流發(fā)生劇烈變化，A相幅度變化最大，后來與B、C恢復同步。由圖15不難發(fā)現(xiàn)，在0.02s時刻A、B、C三相發(fā)生接地短路故障，A、B、C三相的電壓快速減小。由圖形得到短路電流周期分量的幅值為5.4KA，沖擊電流為8

39、.55KA，與理論計算有點差別，這是因為電源模塊的內阻設置不同造成的15。4.2 兩相接地短路把三相短路故障模塊“Three-PhaseFault”中的故障選項對應的A、B項選中，轉換時間的設置仍不發(fā)生改變，選中“Ground Fault”項，如圖16所示，其他參數(shù)設置仍不發(fā)生改變。運行仿真，雙擊Scope,可以得到變壓器低壓側三相短路電流波形圖，如圖17所示；雙擊Scope2，變壓器低壓側三相短路電壓波形圖，如圖18所示。圖16 三相故障模塊參數(shù)設置（兩相接地短路）圖17 變壓器低壓側兩相接地短路電流波形圖圖18 變壓器低壓側兩相接地短路電壓波形圖由圖17不難發(fā)現(xiàn)，在0.02s前系統(tǒng)處于穩(wěn)定

40、狀態(tài)，在發(fā)生故障時A、B兩項電流發(fā)生劇烈變化，C項電流基本保持不變，在故障切除之后，A、B兩項電流快速衰減為零，C項電流保持不變。由圖18不難發(fā)現(xiàn)，在0.02s時刻A、B兩相發(fā)生接地短路故障，A、B兩相的電壓快速變?yōu)?，C相電壓立即出現(xiàn)幅度較大的抖動。在故障切除后A、B兩相電壓升高，C相電壓降低，系統(tǒng)恢復發(fā)生故障前的狀態(tài)，系統(tǒng)恢復穩(wěn)態(tài)。4.3 單相接地短路把三相短路故障模塊“Three-PhaseFault”中的故障選項對應的A項選中，轉換時間的設置仍不發(fā)生改變，選中“Ground Fault”項，如圖19所示，其他參數(shù)設置不發(fā)生改變16。運行仿真，雙擊Scope,可以得到變壓器低壓側三相短路

41、電流波形圖，如圖20所示；雙擊Scope2，變壓器低壓側三相短路電壓波形圖，如圖21所示。圖19 三相故障模塊參數(shù)設置（單相接地短路）圖20 變壓器低壓側單相接地短路電流波形圖圖21 變壓器低壓側單相接地短路電壓波形圖由圖20不難發(fā)現(xiàn)，在0.02s前系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，在發(fā)生故障時A相電流發(fā)生劇烈變化，B、C兩相電流發(fā)生相對較小的浮動，在故障切除之后，系統(tǒng)電流保持恢復穩(wěn)定。由圖21不難發(fā)現(xiàn)，在0.02s時刻A相發(fā)生單相接地短路故障，A相的電壓快速變?yōu)?，B、C相出現(xiàn)幅度很大的抖動。在故障切除后,A相電壓升高，B、C兩相電壓降低，系統(tǒng)恢復故障前的狀態(tài)，保持穩(wěn)態(tài)17。4.4 兩相短路把三相短路故障模

42、塊“Three-PhaseFault”中的故障選項對應的A、B項選中，轉換時間的設置仍不發(fā)生改變，選中“Ground Fault”項，如圖22所示。運行仿真，雙擊Scope,可以得到變壓器低壓側三相短路電流波形圖，如圖23所示；雙擊Scope2，變壓器低壓側三相短路電壓波形圖，如圖24所示。圖22 三相故障模塊參數(shù)設置（兩相短路）圖23 變壓器低壓側兩相短路電流波形圖圖24 變壓器低壓側兩相短路電壓波形圖由圖23不難發(fā)現(xiàn)，在0.02s前系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，在發(fā)生故障時A、B兩相電流發(fā)生劇烈變化，C項電流基本保持不變，在故障切除之后，A、B兩相電流快速衰減為零，C相電流保持不變。由圖24不難發(fā)現(xiàn)，

43、在0.02s時刻A、B兩相發(fā)生短路故障，A、B兩相的電壓快速變?yōu)?，C相電壓立即出現(xiàn)幅度較大的抖動。在故障切除后A、B兩相電壓升高，C相電壓降低，系統(tǒng)恢復發(fā)生故障前的狀態(tài)，系統(tǒng)恢復穩(wěn)態(tài)。5 有限大功率電源短路故障計算與仿真5.1 三相短路故障供電系統(tǒng)如圖25，發(fā)電機G：100MVA，0.02s時刻變壓器電壓分母線發(fā)生三相短路故障，仿真短路電流周期分量幅值與沖擊電流大小。線路的參數(shù)L=100km,X1=0.8/km;變壓器額定容量SN=20MVA,短路電壓UK%=0.5,變比K=110/11，高低壓繞組為Y形聯(lián)接；并設供電點電壓為220KV。圖25 有限大功率電源供電系統(tǒng)電力系統(tǒng)三相短路系統(tǒng)仿真

44、電路模塊名稱和提取途徑如表4所示，仿真模型如圖6所示。電源模塊控制參數(shù)設置如圖26所示。圖26 電源模塊控制三相串聯(lián)負荷模塊的參數(shù)設置如圖27所示。圖27 三相并聯(lián)負荷模塊的參數(shù)設置變壓器模塊參數(shù)設置如圖28所示。圖28 三相變壓器參數(shù)設置三相電壓電流測量模塊參數(shù)設置如圖29所示。圖29 三相電壓電流測量模塊三相故障模塊的參數(shù)設置如圖30所示。圖30 三相電路故障模塊設置通過窗口菜單中的“SimulinkConfiguration Parameters”命令打開仿真參數(shù)對話框，選擇可變步長ode23t算法，仿真開始時間設置為0，結束時間設置為0.2s,其余的參數(shù)采用默認設置18。三相故障模塊設

45、置故障發(fā)生在0.02s時刻，故障結束時刻設置為0.1s,然后運行仿真，可得仿真故障短路電流圖形，如圖31所示，得仿真故障短路電壓圖形，如圖32所示。圖31 變壓器低壓側三相短路電流波形圖圖32 變壓器低壓側三相短路電壓波形圖由圖31不難發(fā)現(xiàn)，在0.02s前系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，在發(fā)生故障時A、B、C三相電流發(fā)生劇烈變化，在故障切除之后，三相電流恢復穩(wěn)態(tài)。由圖32不難發(fā)現(xiàn)，在0.02s時刻A、B、C三相發(fā)生接地短路故障，A、B、C三相的電壓迅速發(fā)生變化。由圖形可得到短路電流周期分量的幅值為0.20KA，沖擊電流為0.29KA。電力系統(tǒng)中許多電氣設備的阻抗參數(shù)如變壓器、發(fā)電機等都是自身額定值作為基準值

46、得標么值或者百分值給出，當在進行電力系統(tǒng)計算的時候，基準值必須是一致的，要把原來的以自身額定值為基準的阻抗標么值換算到統(tǒng)一的基準值下19。標么值是元件各種參數(shù)在不相同的電壓等級的基礎上直接進行計算，這種方法簡單方便，還可以利用計算結果直接進行分析20。在工程設計計算中一般取Sd=100MVA,Ud=Uc,Uc表示短路點計算電壓。 (13) (14) (15) (16) (17) (18) 由此可得三相短路電流周期分量的有效值： (19) 求得Ik(3)*后，可以求得：I”(3)=I(3)=IK(3) (20) (IK(3)短路點的短路電流周期分量的有效值）。1000KVA以及它以下變壓器低壓電

47、路或在二次側發(fā)生三相短路時：ish(3)=1.84I”(3),Ish(3)=1.09I”(3) (21) 高壓電路三相短路的時候：ish(3）=2.55I”(3),Ish(3)=1.5I”(3) (22) ish(3）=2.55*0.12=0.31KA,Ish(3)=1.5*0.11=0.18KA經過仿真與計算，發(fā)現(xiàn)兩種方法值存在很小的誤差。5.2 兩相接地短路選中三相短路故障模塊“Three-PhaseFault”中的故障選項對應的A、B項，轉換時間的設置仍不發(fā)生改變，選中“Ground Fault”項，運行仿真，雙擊Scope,可以得到變壓器低壓側三相短路電流波形圖，如圖33所示；雙擊Sc

48、ope2，變壓器低壓側三相短路電壓波形圖，如圖34所示。圖33 變壓器低壓側兩相接地短路電流波形圖圖34 變壓器低壓側兩相接地短路電壓波形圖由圖33不難發(fā)現(xiàn)，在0.02s前系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，在發(fā)生故障時A、B兩相電流發(fā)生劇烈變化，C相電流基本保持不變，在故障切除之后，A、B兩相電流快速衰減為零，C相電流保持不變。 由圖34不難發(fā)現(xiàn)，在0.02s時刻A、B兩相發(fā)生接地短路故障，A、B兩相的電壓快速變?yōu)?，C相電壓立即出現(xiàn)幅度較大的抖動。在故障切除后A、B兩相電壓升高，C相電壓降低，系統(tǒng)恢復發(fā)生故障前的狀態(tài)，系統(tǒng)恢復穩(wěn)態(tài)。5.3 單相短路接地選中三相短路故障模塊“Three-PhaseFault”

49、中的故障選項對應的A項，轉換時間的設置仍不發(fā)生改變，選中“Ground Fault”項。運行仿真，雙擊Scope,可以得到變壓器低壓側三相短路電流波形圖，如圖35所示；雙擊Scope2，變壓器低壓側三相短路電壓波形圖，如圖36所示。圖35 變壓器低壓側單相接地短路電流波形圖圖36 變壓器低壓側單相接地短路電壓波形圖由圖35不難發(fā)現(xiàn)，在0.02s前系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，在發(fā)生故障時A相電流發(fā)生劇烈變化，B、C兩相電流發(fā)生相對較小的浮動，在故障切除之后，系統(tǒng)電流保持恢復穩(wěn)定。 由圖36不難發(fā)現(xiàn)，在0.02s時刻A相發(fā)生單相接地短路故障，A相的電壓快速變?yōu)?，B、C相出現(xiàn)幅度很大的抖動。在故障切除后,A

50、相電壓升高，B、C兩相電壓降低，系統(tǒng)恢復故障前的狀態(tài)，保持穩(wěn)態(tài)。5.4 兩相短路把三相短路故障模塊“Three-PhaseFault”中的故障選項對應的A、B相選中，轉換時間的設置仍不發(fā)生改變，選中“Ground Fault”項。運行仿真，雙擊Scope,可以得到變壓器低壓側三相短路電流波形圖，如圖37所示；雙擊Scope2，變壓器低壓側三相短路電壓波形圖，如圖38所示。圖37 變壓器低壓側兩相短路電流波形圖圖38 變壓器低壓側兩相短路電壓波形圖由圖37不難發(fā)現(xiàn)，在0.02s前系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，在發(fā)生故障時A、B兩相電流發(fā)生劇烈變化，C相電流基本保持不變，在故障切除之后，A、B兩相電流快速衰減

51、為零，C相電流保持不變。由圖38不難發(fā)現(xiàn)，在0.02s時刻A、B兩相發(fā)生接地短路故障，A、B兩相的電壓快速變?yōu)?，C相電壓立即出現(xiàn)幅度較大的抖動。在故障切除后A、B兩相電壓升高，C相電壓降低，系統(tǒng)恢復發(fā)生故障前的狀態(tài)，系統(tǒng)恢復穩(wěn)態(tài)21。6 結論 本次設計利用了MATLAB對電力系統(tǒng)的四種常見的短路故障進行了仿真得出不同短路情況發(fā)生時候的圖像，并且還利用了數(shù)學計算分析了無窮大功率電源和有限大功率電源發(fā)生三相短路時的沖擊電流和周期電流，證實了MATLAB可以很好的仿真出電力系統(tǒng)短路故障電路。MATLAB是一個非常實用且容易學習的軟件，利用MATLAB能夠對復雜的電力系統(tǒng)進行建模、仿真，了解在電力系

52、統(tǒng)發(fā)生短路故障的時候線路中電流的變化情況，也通過這次設計更深一層的探究了電力系統(tǒng)短路故障。通過仿真計算，了解了發(fā)生短路情況時電流的變化，能夠讓技術人員更加合理的設計輸電線路的保護裝置，能夠減少大面積停電等事故的發(fā)生，即使在故障發(fā)生的情況下，也能夠迅速判斷出故障發(fā)生的位置，加快線路的恢復。在這次設計開始的時候遇到了許多困難，但是在不斷的克服困難與學習當中，自己的許多方面的能力得以提升，提高了自己獨立思考、動手的能力，也鞏固了自己在大學期間所學的許多相關科目，在重新學習舊的知識的時候也學到了新的東西，不過自己在電力系統(tǒng)這一方面的知識還是遠遠不夠的，需要在往后的日子里不斷的學習新的電氣知識來使自己能

53、夠更好的、全面的掌握電氣工程這一門學科，做一名優(yōu)秀的電氣人。參考文獻 1 孟祥萍，高嬿.電力系統(tǒng)分析M.某：高等教育，2010 Mengxiang Ping, high 嬿 power system analysis M. Wuhan: Higher Education Press, 2010 2 魏穎慧.短路電流計算的研究J.城市建設理論研究，2012 Wei Yinghui study the short-circuit current calculation J. Theory of Urban Construction, 2012 3 X勤君.電力系統(tǒng)繼電保護常見難點解析J.科學時代，

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