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基于 MATLAB 短路电流的计算及仿真
摘 要
短路故障也称为横向故障,是破坏电力系统正常平安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展仿真模拟,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展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,结果说明利用 MATLAB 软件
对电力系统进展仿真,方便快捷,同时也具有很高的可靠性。
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1 绪论
1.1 研究的背景与意义
随着社会的不断开展,电力已经渗入到了人们的学习、生活等各个方面,只
有保证不连续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
必须要尽量防止出现故障,以免影响系统对用电负荷进展正常供电。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,所以进展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开展扩大,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异。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穿插学科,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工程,主要利用 MATLAB 对不同的
电力系统几种常见的短路情况进展分析。
〔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展仿真,得出仿真图形,对图形进
展分段解析,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
障进展仿真,也采用了数学分析方法对三相短路情况进展理论分析得出结果,再
将两次不同方法所得出的结果比拟,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
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用 MATLAB 分别对发生四种不同的短路情况进展仿真,得出仿真图形,对图形进
展分段解析,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
展仿真,也利用了数学分析方法对三相短路情况进展理论分析得出结果,再将两
次不同方法所得出的结果比拟,得出相差的大小,以检验实验是否正确。
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2 电力系统短路故障简介
2.1 短路的根本概念
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
故障的发生概率比拟高,所产生的危害也是比拟大的。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
人员没有进展规 X 合理的操作,例如技术操作人员在进展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局部,其中发生可能性最大的故障类
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型就是短路故障,近年来,我国统计的不同的电压 X 围内短路故障发生的相对次
数如表 2、表 3。
表 2 不同 X 围电压发生短路故障的几率
线路 X 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 3 110KV 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,许多的实际经历也证实
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]
。比方,当发电
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