电力系统短路故障计算分析

课程设计

设计题目：110KV变电所的常规设计

（电力系统短路故障计算分析）

学生姓名：指导教师：张静

二级学院：机电工程学院专业：电气工程及其自动化班级：学号：

目录

引言........................................... 错误！未定义书签。摘要........................................... 错误！未定义书签。

1 电力系统模型.................................. 错误！未定义书签。

1.1 电力系统仿真模型 (1)

2 电力系统短路的介绍 (1)

2.1 短路产生的原因 (1)

2.2 短路的危害............................... 错误！未定义书签。

2.3 短路故障分析的内容和目的................. 错误！未定义书签。

3 电力系统仿真模型的建立与分析.................. 错误！未定义书签。

3.1 各元件参数设置........................... 错误！未定义书签。

4 电力系统短路故障计算分析...................... 错误！未定义书签。

4.1 三相短路分析 (4)

4.2 不对称短路故障分析 (5)

4.2.1 AB两相接地短路 (5)

4.2.2 BC两相接地短路 (5)

4.2.3 A相单相接地故障 (6)

结论 (7)

参考文献 (7)

心得体会........................................ 错误！未定义书签。

为了保证电力系统运行的功能和质量，在设计、分析和研究时必须保证系统的静态和动态特性。现代电力系统是一个超高压、大容量和跨区域的巨大的联合系统，电力系统事故具有突发性强、维持时间短、复杂程度高、破坏力大的特点，因而使得事后对故障原因分析、查找变得尤其困难。由于在实际系统上进行试验和研究比较困难，因此借助各种电力系统动态仿真软件电力系统的设计和研究已成为有效途径之一。

电力系统仿真软件有很多，当今比较流行的主要有EMTP(Electromagnetic Transients Program)仿真程序，美国电力公司(PTI)开发的PSS/E(Power System Simulator for Engineering)，MathWorks公司开发的Matlab中所包含的电力系统工具箱(Power System Toolbox)，以及中国电力科学研究院开发的仿真软件PSASP(Power System Analysis Software Package)。由于Matlab具有很良好的开发性、高效的数据仿真分析,特别是信号处理和直观的图形显示功能,且Matlab/Simulink环境下的PSB模型库及Simulink强大的二次开发功能和丰富的工具箱,能快速而准确地对电路及更复杂的电气系统进行仿真、计算。因此，它已成为电力科研工作者和工程技术人员应用它来进行电力系统有关问题的仿真分析和辅助设计的理想工具。

基于Matlab最重要的组件之一Simulink中的电力元件库（SimPowerSystems）构建电力系统仿真模型，在Matlab的平台下仿真电力系统为工程设计和维修提供依据重要的依据，同时也为电力研究带来大大的便利，利用Simulink中的画图工具搭建电力系统模型也是进行电力系统故障分析的常用方法，它让电力研究者从大量繁琐的理论分析及复杂的矩阵计算中解脱出来，让庞大的电力系统很直观的呈现在研究者的面前，从而将庞大的电力网搬进了办公室，为研究带来了巨大的便利。

简要介绍了电力系统模型和MATLAB/ SIMULINK中SimPowerSystems (电力系统元件库) 的主要功能. SimPowerSystems 是专门为电力系统设计的仿真分析软件,在对其基本元件进行介绍后,在仿真平台上,通过对一个简单的电力系统输电线路的短路故障进行设计、仿真、分析,得到了理想的仿真效果.

关键词：Matlab SimPowerSystems 短路电流计算仿真

Abstract: The article describes the basic characteristics of Matlab /Simulink and the basic method and process of applying Matlab in the simulation of power system. Matlab SimPowerSystems Block set is used to build a model of single-machine infinity-bus system and simulate various fault of power system. The results show that the simulation waveform is in line with theoretical analysis and Matlab is a valid tool for the simulation of power system fault. By the contrast and analysis of different short circuit faults, we can obtain a result that the three-phase short circuit fault is the worst situation in the faults of power system. So this situation should be avoided as far as possible in manufacture. Also, by the contrast and analysis of the fault resolution time, we know that clearing the short circuit fault on a minimal time is one way to guarantee the power system running regularly and reduce the loss.

1、电力系统模型

电力系统中输送和分配电能的部分称为电力网,它包括升降压变压器和各种电压等级的输电线路。动力系统、电力系统和电力网简单示意如图：

图1 动力系统、电力系统和电力网示意图

电力系统的运行经验表明，在各种类型的短路中，单相短路占大多数，两相短路较少，三相短路的机会最少。所以我们应对单相短路引起足够的重视，对单相短路的研究是有其重要意义的，所以本章重点就是研究单相短路故障在MATLAB中的运用和分析。

1.1 电力系统仿真模型

供电系统如图，发电机G1：50MV A、110kV，保持恒定，Y连接；线路L 为100km；变压器T为Yn/d接法，SN=10MV A，Uk%=10.5，k=110/11。

图1.1 电力系统接线图

2、电力系统短路的介绍

在三相电力系统中,可能发生的短路有:三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路。

2.1 短路产生的原因有很多，主要有以下几个方面：

1、元件损坏例如绝缘材料的自然老化，设计，安装维护不良所带来的设备缺陷发展成短路等，

2、气象条件恶化例如雷击造成的闪络放电或避雷器动作，架空线路由于大风或导线覆冰引起电杆倒塌

3、违规操作，例如运行人员带负荷拉刀闸，线路或设备检修后未拆除接地线就加上电压等；

4、其他，例如挖沟损伤电缆，鸟兽跨接在裸露的载流部分等。

2.2 短路的危害

随着短路类型、发生地点和持续时间的不同，短路的后果可能只破坏局部地区的正常供电，也可能威胁整个系统的安全运行。短路的危险后果一般有以下的几个方面：

1、短路故障使短路点附近的支路中出现比正常值大许多倍的电流，由于短路电流的电动力效应，导体间将产生很大的机械应力，可能使导体和它们的支架遭到破坏。

2、短路电流使设备发热增加，短路持续时间较长时，设备可能过热以致损坏。

3、短路时系统电压大幅度下降，对用户影响很大。系统中最主要的电力负荷是异步电动机，它的电磁转矩同端电压的平方成正比，电压下降时，电动机的电磁转矩显著减小，转速随之下降。当电压大幅度下降时，电动机甚至可能停转，造成产品报废，设备损坏等严重后果。

4、当短路发生地点离电源不远而持续时间又较长时，并列运行的发电厂可能失去同步，破坏系统稳定，造成大片地区停电。这是短路故障的最严重后果。

5、发生不对称短路时，不平衡电流能产生足够的磁通在邻近的电路内感应出很大的电动势，这对于架设在高压电力线路附近的通讯线路或铁道讯号系统等会产生严重的影响。

2.3 短路故障分析的内容和目的

短路故障分析的主要内容包括故障后电流的计算、短路容量的计算、故障后系统中各点电压的计算以及其他的一些分析和计算，如故障时线路电流与电压之间的相位关系等。短路电流计算与分析的主要目的在于应用这些计算结果进行继电保护设计和整定值计算，开关电器、串联电抗器、母线、绝缘子等电气设备的设计，制定限制短路电流的措施和稳定性分析等。

3、电力系统仿真模型的建立与分析

图2 电力系统短路故障仿真模型

3.1各元件参数设置 3.1.1 三相电压源元件参数 电压有效值 A 相相位（正序）

频率 连接方式

110KV 0

50 Y 3.1.2 三相电路短路故障发生器（有对地故障）

Ron Tran status Tran times 测量值 Rp Cp Rg 0.00001 [1 0]

[0.01 0.04]

none

1e6

inf

0.001

3.1.3 三相双绕组变压器（取额定容量为10000kV A ）

功率和频率 Wing1连接方式 Wing2连接方式

Wing1参数 Wing2参数

[10e6,50]

Yn

Delta(D11)

[110e3,0.036,0

.052]

[110e3,0.036,0.

052]

变压器的一次侧的基准值为

变压器的二次侧的基准值为

Ω=Ω==?21.110

1122

222N

N

base

S U R H H f S U L N N base

85.350

21011022

211=??=?=?ππΩ=Ω==?12110

11022211N N base

S U R

H H f S U L N N

base

0385.050

2101122222=??=?=?ππ 变压器的电抗为

712.8101011072102

32

232

=??==N N K T S U P R

变压器的漏感为

()404

.0502101001105.1021100%22

2

=????=?==πππf S U U f X L N N K T T

因此，一次绕组漏感和电抗的标幺值为

052.085.3404

.05.05.011=?=?=?*base T L L L 036.0121712

.85.05.011=?=?=

?*base T R R R

同理，036.02=*R ，052.02=*L 。 3.1.4 仿真参数 Start time

Stop time Type

Relative tolerance 其它 0 0.1

Variable-step,ode23t(stiff/NDF)

1e-3

auto

4、电力系统短路故障计算分析

4.1 三相短路分析

在三相电路短路故障发生器参数中将三相故障全选中，选择故障相接地选项。进行电路仿真，用示波器观察故障点电流波形并保存波形图，并记录三相电流的最大幅值，填入表中。

A 相

B 相

C 相 512

554.1

-577.6

4.2 不对称短路故障分析

4.2.1 AB两相接地短路

在三相电路短路故障发生器参数中将AB相故障全选中，并选择故障相接地选项。进行电路仿真，画出三相电流的波形。

A相B相C相

-269.5 -239.6 509.2

4.2.2 BC相短接故障

在三相电路短路故障发生器参数中将BC相故障全选中，不要选择故障相接

地选项。进行电路仿真，画出三相电流的波形。

A相B相C相

673.2 -355.5 -317.2

4.2.3 A相单相接地故障

在三相电路短路故障发生器参数中将A相故障选中，并选择故障相接地选项。进行电路仿真，并用示波器分别观察各序电流。

A相B相C相

36 35.9 36.1

结论

在Simulink中建立了电力系统的基本模型并进行了简单短路故障仿真分析。结果表明，Matlab的仿真功能，为电气工作者提供了一种简便、直观、有效的仿真研究方法。

通过A相接地短路，两相短路接地，三相短路故障的仿真结果分析，可知，三相短路是电力系统最为严重的短路故障，可能引起电压崩溃，造成大范围的停电，给生产带来不可预计的损失。因此，在实际生产中应该尽量避免此类短路故障的发生。

上学期我进行了《电力系统分析》、《MATLAB在电气工程中的应用》等专业课程的学习，对运用MATLAB对电力系统故障分析部分的内容有了一定的了解。通过此次课程设计，让我对单相短路故障的分析方面的知识掌握，又进一步得到巩固其次，也学到了很多课内学不到的东西。

最后，通过此次课程设计，也锻炼了我们主动去发现问题、分析问题和解决问题的能力，使我收获颇多。

参考文献

[1] 何仰赞.电力系统分析[M] 武汉：华中科技大学出版社 2002

[2] 熊信银.电力系统工程基础[M] 武汉：华中科技大学出版社 2003

[3] 李庚银. 电力系统仿真软件综述[J]. 电气电子教学学报，2005

[4] 任岷，王树锦. MATLAB在电力系统仿真研究中的应用[J]. 计算机仿真，2005

心得体会

经过几天的电力系统仿真，让我更进一步了解Matlab软件，相比较更能熟练的绘图与操作，通过运用MATLAB软件进行的仿真，了解在输电线路上发生各种故障时的系统变化情况。有针对性的改善输电线路所装设的保护装置，使其能够在线路出现故障时迅速做出反应，保证线路安全运行，同时运行人员也可以根据保护装置动作情况很快地判断出故障点所处位置，为线路检修争取宝贵时间并减少因故障而带来的巨大损失。安置在输电线路上的保护装置，当被保护的元件发生故障时，能自动、迅速、有选择的将故障从电力系统中切除，以保证其余部分恢复正常运行，并使故障元件免于继续受伤害。当被保护元件发生异常运行状态时，经一定延时动作于信号，以使值班人员采取措施。

上述问题通过运用MATLAB软件进行的仿真，可以非常清楚，明白的显示出来，让我们能快速发现问题，排除问题，解决故障，所有说我用Matlab软件是非常有体会的，它提高了我们的动手能力也提高了我们分析，解决问题的能力，最后要谢谢我们的指导老师。