基于MATLAB短路电流的计算与仿真

摘要短路故障也称为横向故障，是破坏电力系统正常安全稳定运行的主要原因。一般分为四种常见的短路情况，分别是三相短路，两相短路、单相接地短路及两相接地短路。利用传统的数学计算分析电力系统故障情况不但工作量大而且危险性高。课题中利用了MATLAB软件对电力系统短路故障进行仿真模拟，这样既可以不偏离实际情况又可以减少实验的危险性。首先建立一个空白的模型，选择Simulink元件库中本身具有的电力系统模块库的模块，分别建立无穷大功率电源供电系统系统和有限大功率电源供电系统，得出四种短路情况分别发生时的图形，然后对两种不同供电系统发生三相短路的进行数学计算得出周期电流的幅值大小和冲击电流的大小。通过相关的系统仿真与计算，结果表明利用MATLAB软件对电力系统进行仿真，方便快捷，同时也具有很高的可靠性。关键词：短路故障；MATLAB；电力系统ABSTRACTShortcircuit,alsoknownaslateralfault,isthemainreasonforthedestructionofnormalpowersystemsafeandstableoperation.Generallydividedintofourcommonshort-circuitconditions,whicharethree-phaseshort,two-phaseshortcircuit,single-phasegroundshortcircuitandtwogroundfault.Calculationofpowersystemfailurenotonlyaheavyworkloadandhigh-riskuseoftraditionalmathematics.TheuseofMATLABsoftwaresubjecttoshortcircuitpowersystemsimulation,sothatbothcannotdeviatefromtheactualsituationandcanreducetheriskoftheexperiment.Firstcreateablankmodel,selectSimulinkcomponentlibraryitselfhasapowersystemmodulelibrarymodules,namelytheestablishmentoftheinfinitepowersupplysystempowersupplysystemsandlimitedsystem,drawgraphicswerefourshort-circuitoccurs,Thentwodifferentphaseshort-circuitofthepowersupplysystemmathematicallycalculatedtheamplitudeofthecurrentcycleandtheimpactofthecurrentsize.RelatedsystemsthroughsimulationandcalculationresultsshowthattheuseofMATLABsoftwareforpowersystemsimulation,convenient,butalsohashighreliability.Keywordsshort-circuitfault;MATLAB;powersystem目录1绪论.............................................................11.1研究的背景与意义...........................................11.2设计的主要工作.............................................12电力系统短路故障简介.............................................32.1短路的基本概念.............................................32.2短路的危害.................................................42.3短路计算的目的.............................................53仿真软件.........................................................63.1MATLAB的简介...............................................63.2Simulink在仿真中的应用.....................................74无穷大功率电源短路故障计算与仿真................................104.1三相短路..................................................104.2两相接地短路..............................................194.3单相短路接地..............................................214.4两相短路..................................................235有限大功率电源短路故障计算与仿真................................265.1三相短路故障..............................................265.2两相接地短路..............................................315.3单相短路接地..............................................325.4两相短路..................................................336结论............................................................35参考文献...........................................................36致谢.............................................................3911绪论1.1研究的背景与意义随着社会的不断发展，电力已经渗入到了人们的学习、生活等各个方面，只有保证不间断地供电才能使工厂正常生产、人们正常生活。这样就要求供电系统必须要尽量避免出现故障，以免影响系统对用电负荷进行正常供电。在所有故障当中，发生频率最高的就是短路故障。发生短路的时候系统中的电流要远远大于正常的电流，在一些大型的电力系统中所产生的后果对整个供电系统和用电负荷的危害也是非常大的，所以进行短路计算对整个电力系统来说都是非常重要的。但是随着电气行业的不断发展扩大，电力系统越来越复杂，许多大型的科研在显示设备中得不到实现，一方面是现实生活的条件不能满足实验的要求；另一方面是即使采用了手工计算的方法，由于系统的复杂性会带来很大的工作量，不能很方便的调整，也有可能产生的结果与实际有较大的差别。这就需要我们寻找一种能够很大程度上模拟出电力系统运行状况的数字仿真工具，MATLAB就能够充分满足这一要求，由于它自身所具有的特点使它获得了对应的学科的应用，特别是能够很好的应用在边缘学科和交叉学科，加强辅助分析应用学科计算机和复杂的电力系统。MATLAB的各种适用性，使其能够很好的来分析与计算电力系统短路故障，解决我们在实际上生活中所遇到的问题。1.2设计的主要工作课题是有关于电力系统的分析的工程仿真项目，主要利用MATLAB对不同的电力系统几种常见的短路情况进行分析。（1）无限大功率电源短路故障首先建立一个由无穷大功率电源供电的简单电力系统，设置短路故障点，利用MATLAB分别对发生四种不同的短路情况进行仿真，得出仿真图形，对图形进行分段解析，分别设置发生故障时间与正常工作时间，每种短路情况都得出故障时短路电流与短路电压、正常工作时短路电流与短路电压的四个不同的图形。由于三相故障在电力系统故障中的危害最大，我们除了利用MATLAB对三相短路故障进行仿真，也采用了数学分析方法对三相短路情况进行理论分析得出结果，再将两次不同方法所得出的结果比较，得出相差的大小，以检验实验是否正确。（2）有限大功率电源短路故障首先建立一个由有限大功率电源供电的简单电力系统，设置短路故障点，利2用MATLAB分别对发生四种不同的短路情况进行仿真，得出仿真图形，对图形进行分段解析，分别设置发生故障时间与正常工作时间，每种短路情况都得出故障时短路电流与短路电压、正常工作时短路电流与短路电压的四个不同的图形。三相故障在电力系统故障中的危害最大，我们除了采用MATLAB对三相短路故障进行仿真，也利用了数学分析方法对三相短路情况进行理论分析得出结果，再将两次不同方法所得出的结果比较，得出相差的大小，以检验实验是否正确。32电力系统短路故障简介2.1短路的基本概念由于系统本身的复杂性导致发生故障的可能性较大，在所有故障当中，短路故障的发生概率比较高，所产生的危害也是比较大的。所谓短路就是指在电力系统不正常运行时候相与相之间或相与地之间（或中性线）之间的接通[1]。发生短路故障可能有许多方面的原因，主要有以下几个方面：（1）元件性能退化，例如绝缘材料在自然条件下暴露导致元件的本身所具有性能遭到损坏。（2）操作人员没有进行规范合理的操作，例如技术操作人员在进行操作前没有检查设备的状况是否适合运行，线路检修时改变了线路的状态，但检修之后并没有恢复线路正常运行所要求的状态就接入电力系统之中工作；（3）自然环境，例如在大风、冰雹或雪灾这样的极端天气下可能会引起架空线路倒塌；（4）其他的一些原因，例如由于某些地面下的道路工作使电缆受到了损坏，鸟兽的一些行为把裸露的导体连接起来。短路故障分为单相接地短路、两相短路、两相接地短路和三相短路[2]。其中当发生三相短路时电路仍为对称电路，是一种对称短路；其余三类称为不对称短路，其中单相接地短路发生的概率最高，可达65%左右[3]。表1短路示意图和代表符号短路种类示意图短路代表符号三相短路f(3)两相接地短路f(1,1)两相短路f(2)单相接地短路f(1)架空线路是电力系统里容易发生故障的部分，其中发生可能性最大的故障类4型就是短路故障，近年来，我国统计的不同的电压范围内短路故障发生的相对次数如表2、表3。表2不同范围电压发生短路故障的几率线路范围发生几率在110KV线路上78.0%容量为6000KW以上的发电机7.5%110KV变压器6.5%110KV母线8.0%表3110KV线路上各种类型短路故障几率短路类型发生几率三相短路5.0%两相短路4.0%两相短路接地8.0%单相短路83.0%从表3中可以看出单相短路发生的情况占绝大多数，许多的实际经验也证实了这一种现象。三相短路相对其他三种短路情况发生的概率相对小，但是带来的危害却是非常大的，有时甚至会导致整个电力系统的瘫痪，分析计算出三相短路电流，能够在很大程度上帮助技术人员更加合理的设计输电线路的保护装置，减少故障发生对我们生活带来的危害，所以我们必须认真分析三相短路故障。在某些时候，当发生不对称短路故障的时候，了解三相短路情况对分析处理不对称短路情况的有很大的帮助。2.2短路的危害(1)当短路故障发生的时候，线路中的电流变大，电压下降[4]。比如，当发5电机端发生了短路故障的时候，定子绕组流过的故障短路电流有可能达到其额定电流的10倍甚至15倍，过大的短路电流和电流产生的电动力效应可能会使导体和绝缘遭到破坏。(2)电力系统故障短路会导致电网的电