基于MATLAB的三相短路仿真与分析

研究生课程论文（2014—2015学年第1学期）课程名称：电力系统运行与控制课程类型：专业课授课教师：学时：36学分：2.0论文得分批阅人签字批阅意见：论文题目基于MATLAB的三相短路仿真与分析姓名：学号：年级：专业：电气工程学院：电气学院注意事项：1、以上各项由研究生本人认真填写；2、研究生课程论文应符合一般学术规范，具有一定学术价值，严禁抄袭或应付；凡学校检查或抽查不合格者，一律取消该门课程成绩和学分，并按有关规定追究相关人员责任；3、论文得分由批阅人填写，并签字确认；批阅人应根据作业质量客观、公正的签写批阅意见（原则上不少于50字）；4、原则上要求所有课程论文均须用A4纸打印，加装本封面，左侧装订；5、课程论文由学生所在学院（系）统一保存，以备查用。目录绪论..................................................................................................................1第一章供电系统仿真模型建立...................................................................21.1无穷大功率电源供电系统三相短路的暂态过程............................21.2无穷大功率电源供电系统仿真模型构建........................................3第二章仿真结果及分析............................................................................122.1理论计算过程.................................................................................122.2仿真结果.........................................................................................122.3仿真结果比较.................................................................................14结束语...........................................................................................................15参考文献.......................................................................................................16I摘要短路问题是电力技术方面的基本问题之一。在发电厂、变电站以及整个电力系统的设计和运行工作中，都必须要事先进行短路计算和仿真，以此作为合理选择电气接线、选用有足够热稳定度和动稳定度的电气设备及载流导体、确定限制短路电流的措施、在电力系统中合理地配置各种继电保护并整定其参数等的重要依据。为此，掌握短路发生以后的物理过程以及对短路过程的仿真计算方法是非常必要的。该文借助MATLAB功能搭建了电力系统模型并仿真了其三相短路故障，通过该软件对故障发生后所得数据波形的分析，从而说明了MATLAB在电力系统研究方面是一个有力的辅助工具，掌握其使用方法对电力系统研究具有重要的实际意义。关键词：MATLAB；电力系统仿真；三相短路故障IIAbstractShortcircuitisoneofthebasicproblemsofpowertechnology.Inthedesignandoperationofpowerplants,substationsandtheentirepowersystem,mustbeshort-circuitcalculationsandsimulationsinadvance,asareasonablechoiceofelectricalwiring,thechoicehassufficientthermalstabilityanddynamicstabilityoftheelectricalequipmentandcarrierconductor,identifiedmeasurestolimitshort-circuitcurrentinthepowersystemprotectionandrationalallocationofvariousimportantbasisforsettingitsparametersandthelike.Forthisreason,afterashortcircuittomasterphysicalprocessesaswellasshort-circuittheprocesssimulationmethodisnecessary.Inthispaper,withtheaidofMATLABfunctiontobuildtheelectricpowersystemmodelandsimulationofthethreephaseshortcircuitfault,throughthesoftwareoffaulthappenedaftertheanalysisofthedatawaveform,thusillustratestheMATLABinthestudyofpowersystemisapowerfulauxiliarytool,tomastertheuseofelectricpowersystemsresearchhasimportantpracticalsignificance。Keywords:MATLAB;powersystemsimulation;boltedthree-phasefault1绪论短路是电力系统的严重故障。所谓短路，是指一切不正常的相与相之间或相与地（对于中性点接地的系统）发生通路的情况。引起短路的原因有很多，主要有如下几个方面：（1）元件损坏，例如设备绝缘材料老化，设计、制造、安装、维护不良等造成的设备缺陷发展成为短路；（2）气象条件影响，例如雷击过后造成的闪烁放电，由于风灾引起架空线断线和导线覆冰引起电线杆倒塌等；（3）人为破坏，例如工作人员带负荷拉闸，检修线路或设备时未排除接地线合闸供电，运行人员的误操作，偷电线和美国的科索沃战争、伊拉克战争时使用的碳纤维弹。（4）其他原因，挖沟损伤电缆，鸟兽风筝跨接在载流裸导体上等。在三相系统中，可能发生的短路有：三相短路、两相短路、两相短路接地和单相接地短路。三相短路也称为对称短路，系统各相与正常运行时一样仍处于对称状态。其他类型的短路都不是对称短路。电力系统的运行经验表明，在各类类型的短路中，单相短路占大多数，两相短路较少，三相短路的机会最少。三相短路虽然很少发生，但情况较严重，应给以足够的重视。况且，从短路计算方法来看，一切不对称短路的计算，在采用对称分量法后，都归结为对称短路的计算。因此，对三相短路的研究是有其重要意义的。MATLAB因为绘图功能强大和计算能力强，配以友好的动态仿真环境，主要用于数值计算及可视化图形处理，其优越的开发性、数据仿真分析高效的优点越来越成为从事电力网络系统学习和研究的重要仿真工具。作为一款优秀的综合性应用软件，利用其提供的Simulink集成环境，可以方便地对电力系统进行模型的搭建和仿真。Simulink提供了充足的子模块库，我们可以根据相应模型搭建的需要，从各个子模块库中选用合适的模块。Simulink中提供了各种基本模块，它们根据其主要应用领域和实现功能进行了分类化管理，给用户查找使用提供了便利。模块库的数量取决于用户安装，在电力系统仿真中，标准Simulink模块库和电力系统模块库是必不可少的。本文将通过三相短路实例具体讲解其模块结构及应用。2第一章供电系统仿真模型建立1.1无穷大功率电源供电系统三相短路的暂态过程如图1-1所示为以无穷大功率电源供电的三相对称系统，短路发生前系统处于稳定运行状态。假设a相电流为（用下标[0]表示短路前（-0）的量）uaubucR'LLRRRLL'R'R'L'L'ibicia图1-1无穷大功率电源供电的三相电路突然短路]0[]0[sintIima式中，''arctan'U]0[2'22]0[RRLLLLRRImm，。假设st0时刻，f点发生三相短路故障。此时电路被分成两个独立回路。由无限大电源供电的三相电路，其阻抗由原来的''LLjRR突然减小为LjR。由于短路后的电路仍然是三相对称的，依据对称关系可以得到a、b、c、相短路全电流的表达式aaaTtmmmcTtmmmbTtmmmaeIItIieIItIieIItIi-]0[]0[-]0[]0[-]0[]0[]120sin120sin[120sin]120-sin120-sin[120sin]sinsin[sin。。。。。。3式中，22LRUImm为短路电流的稳态分量的幅值。短路电流最大可能的瞬时值称为短路电流冲击值，以表示。冲击电流主要用于检验电气设备和载流导体在短路电流下的受力是否超过容许值，即所谓的动稳定度。由此可得冲击电流的计算式为mimmTTmmimIkIeeIIiaa01.001.01式中，称为冲击系数，即冲击电流值对于短路电流周期性分量幅值的倍数；为时间常数。短路电流的最大有效值是以最大瞬时值发生的时刻（即发生短路经历约半个周期）为中心的短路电流有效值。在发生最大冲击电流的情况下，有2222121212/immimmmimkIkIIi短路电流的最大有效值主要用于检验开关电器等设备切断短路电流的能力。1.2无穷大功率电源供电系统仿真模型构建假设无穷大功率电源供电系统如图1-2所示，在0.02s时刻变压器低压母线发生三相短路故障，仿真其短路电流周期分量幅值和冲击电流的大小。TLSf图1-2无穷大功率电源供电系统线路参数为mLk50，kmx4.01，kmr17.01；变压器的额定容量AMVSN20，短路电压5.10%su，短路损耗kWPs135，空载损耗4W220kP，空载电流8.0%0I，变比11110Tk，高低压绕组均为Y形联结；并设供电点电压为KV110。其对应的Simulink仿真模型如图1-3所示。图1-3无穷大功率电源供电系统的Simulink仿真图在图1-3中，电源采用“Three-phasesource”模型，其参数设置如图1-4所示。5图1-4电源模块的参数设置变压器T采用“Three-phasetransformer（TwoWindings）”模型。根据给定的数据，计算折算到110KV侧的参数如下：变压器的电阻为08.4102000011013510322322NNsTSUPR变压器的电抗为53.6310200001001105.1010100%3232NNsTSUUX则变压器的漏感：6HHfXLTT202.05014.3253.632变压器的励磁电阻为532302105.5102211010PURNm变压器的励磁电抗为7562510200008.011010010%10032302NNmSIUX变压器的励磁电感为HHfXLmm8.2405014.32756252如果变压器模块的参数采用标幺值，则在Simulink