动态电力系统分析
课程报告
基于Simulink的电力系统短路故障分析
院 系： 专 业：
能源与动力工程学院 电力系统及其自动化
学 号： 115108000887 姓 名： 于杏 日 期：
2016.01.13
目录
1. 绪论............................................................................................................................................ 2
1.1电力系统故障分析的基本知识 ......................................................................................... 2
1.1.1电力系统故障分类 .................................................................................................. 2 1.1.2短路故障概述 ........................................................................ 错误！未定义书签。 1.1.2不同类型短路故障概率 ........................................................ 错误！未定义书签。
2. 仿真模型 .................................................................................................................................... 3
2.1 仿真意义 ............................................................................................................................ 3 2.2 建立仿真模型 .................................................................................................................... 4
2.2.1 模型参数 ................................................................................................................. 5
3．仿真结果与结论 ......................................................................................................................... 5
3.1故障点电流波形图 ............................................................................................................. 6 3.2故障点电压波形图 ............................................................................................................. 7 3.3电源端电流波形图 ............................................................................................................. 8 3.4电源端电压波形图 ............................................................................................................. 9 3.5故障点A相电流序分量波形图 ...................................................................................... 10 3.6故障点A相电压序分量波形图 ...................................................................................... 12 4 总结......................................................................................................................................... 122
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1. 绪论
1.1电力系统故障分析的基本知识
1.1.1电力系统故障分类
电力系统的故障总的来说可以分为两大类：横向故障和纵向故障。
纵向故障主要是指各种类型的断线故障，包括单相断线、两相断线和三相断线。横向故障是指各种类型的短路，包括三相短路、两相短路、单相接地短路及两相接地短路。三相短路时，由于被短路的三相阻抗相等，因此，三相电流和电压仍是对称的，又称为对称短路。其余几种种类型的短路，因系统的三相对称结构遭到破坏，网络中的三相电压、电流不再对称，故称为不对称短路。 1.1.2短路故障概述
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）发生系统通路的情况。
电力系统在运行中，相与相之间或相与地（或中性线）之间发生非正常连接（即短路）时流过的电流。其值可远远大于额定电流，并取决于短路点距电源的电气距离。
供电网络中发生短路时,很大的短路电流会使电器设备过热或受电动力作用而遭到损坏,同时使网络内的电压大大降低,因而破坏了网络内用电设备的正常工作.为了消除或减轻短路的后果,就需要计算短路电流,以正确地选择电器设备、设计继电保护和选用限制短路电流的元件。 1.1.3 不同类型短路故障概率
运行经验表明，电力系统各种短路故障中，单相短路占大多数，高达总短路故障数的65%，而三相短路只占5～10%。三相短路故障发生的几率虽然最小，但故障产生的后果最为严重，有时为了最后论断电力系统在短路情况下工作的可能性，其起着决定性的作用。此外，研究三相短路之所以重要，还由于我们在分析计算不对称短路时，往往把不对称短路看成某种假定的三相短路来处理。
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2. 仿真模型
2.1 仿真意义
电力系统仿真主要是对短路类型中的三相短路、两相短路和单相接地短路的电流、电压波形进行分析。本报告主要对三相短路故障进行仿真分析。
利用Matlab/Simulink软件中的电力系统元件库，建立了恒定电压源电路模型，使用理想三相电压源作为电路的供给电源，它对恒定电压源电路发生的短路类型进行描述。分别研究不同情况下电气量的变化特点，作为故障选线的判据。它对电力系统设备的设计和选用有一定的参考价值。同时电压电流波形可以直观的了解，便于建立系统的观念。
2.2 建立仿真模型
恒定电压源电路模型如图2-1所示，输电线路Linel的长度为100km，输电线路Line2的长度为100km；使用理想三相电压源作为电路的供给电源;使用分布参数输电线路作为输电线路，使用三相电路短路故障发生器进行不同类型的短路。电压源为Y接类型，输电线路Line2端为中性点接地。
图2-1 恒定电压源电路短路模型
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2.2.1 模型参数
（1）理想三相电压源
在理想三相电压源元件参数对话框中进行如下设置： Phase-to-phase rms voltage：25e3 Phase angle of phase A：0 FrequenCy：60
Internal ConneCtion：Y型，中性点不接地 SourCe resistanCe：0.311 SourCe induCtanCe：6.64e-3 （2）分布参数输电线路元件
Line1、Line2参数设置相同，参数设置如图2.2所示。 （3）三相电路故障发生器
三相电路故障发生器的参数设置如2.3所示。
图2.2 分布参数输电线路参数 图2.3三相电路故障发生器参数
（4）仿真参数设置
仿真参数设置如图2.4所示。
图2.4 仿真参数设置
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3．仿真结果与结论
3.1故障点电流波形图
在万用表元件M1中，我们选择故障点A相电流作为测量电气量，仿真得到其故波形图如图3.1所示。可以看到，在稳态时电流为0A，这是因为三相电路短路故障发生器此状态处于断开状态；在0.01s时，三相电路短路故障发生器闭合，继而电路发生三相短路，如图所示其相电流开始发生变化，由于闭合时有初始输入量和初始状态量，因而波形下移；在0.04s时，三相电路短路故障发生器打开，故障得到排除，所以有障点相电流迅速下降为0。
图3.1 故障点A相电流波形图
然后，选择万用表元件M1中的障点B相电流，将其作为下一个测量电气量。再次仿真，得到故障点B相电流波形，如图3.2所示。观察图形可以看出，在稳态时，故障点B相电流为0A，同样也是因为三相电路短路故障发生器处于断开状态。类似的，在0.01s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生三相短路，故障点B相电流发生变化，由于闭合时有初始输入量和初始状态量，因而故障点B相电流波形上移；在0.04s时，三相电路短路故障发生器打开，相当于排除故障。此时故障点B相电流迅速上升为0A。
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图3.2故障点B相电流波形图
再选择故障点C相电流作为万用表元件M1中的测量电气量。仿真得到其相电流波形图如图3.3所示。类似图形分析，在稳态时，故障点C相电流由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，因而电流为0A；在0.01s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生三相短路，故障点C相电流发生变化，由于闭合时有初始输入量和初始状态量，因而故障点C相电流波形上移；在0.04s时，三相电路短路故障发生器打开，相当于排除故障。此时故障点C相电流迅速下降为0A。
图3.3 故障点C相电流波形图
下面测三相电流，在万用表元件M1中同时选择故障点A相电流、故障点B相电流和故障点C相电流作为测量电气量。激活仿真按钮，得到故障点三相电流波形图如图3.4。
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图3.4 故障点三相电流波形图
3.2故障点电压波形图
继续在万用表元件M1中选择故障点A相电压、故障点B相电压和故障点C相电压作为测量量。仿真得到故障点三相电压波形图如图3.5所示；在稳态时，故障点三相电压由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，因而三相电压实际上是加载在输电线Line2上的电压；在0.0ls时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生三相短路，故障点三相电压由于发生三相接地短路，因而电压均为0；在0.04s时，三相电路短路故障发生器打开，相当于排除故障。
图3.5 故障点三相电压波形
3.3电源端电流波形图
在电源端输出的电流信号，使用矢量选择器选择A相电流作为测量电气量。激活仿真按钮，则A相电流波形图如图3.6所示。在稳态时，A相电流由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，因而A相电流呈正弦变化；在0.0ls时，三相电路
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短路故障发生器闭合，此时电路发生三相短路，A相电流发生变化，波形整体上移； 在0.04s时，三相电路短路故障发生器打开，相当于排除故障。此时A相电流波动恢复正弦变化。
图3.6 A相电流波形
在电源端输出的电流信号，使用矢量选择器选择B相电流作为测量电气量。仿真得到其波形图如图3.7所示。在稳态时，B相电流由于三相障发生器处于断开状态，因而B相电流呈正弦变化；在0.01s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生三相短路，A相电流发生变化，波形整体上移；在0.04s时，三相电路短路故障发生器打开，相当于排除故障，此时B相电流波动恢复正弦变化。
图3.7 B相电流波形
在电源端输出的电流信号，使用矢量选择器选择C相电流作为测量电气量。激活仿真按钮，得到波形图如图3.8所示。在稳态时，C相电流呈正弦变化，这是因为三相电路短路故障发生器处于断开状态；在0.0ls时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生三相短路，C相电流发生变化，波形整体下移；在0.04s时，三相电路短路故障发生器打开，排除故障得以排除，此时C相电流波动恢复正弦变化。
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图3.8 C相电流波形
在电源端输出的电流信号，使用矢量选择器选择三相电流作为测量电气量。激活仿真按钮，则三相电流波形图如图3.9所示，在三相短路期间，三相电流的波形比较变化，A相电流和B相电流呈整体下降趋势，C相电流星整体上升趋势。三相电流的幅值增大。
图3.9 三相电流波形图
3.4电源端电压波形图
在电源端输出的电压信号，使用矢量选择器选择三相电压作为测量电气量。激活仿真按钮，得到三相电压波形图如图3.10所示。在三相短路过程中，电源端的三相电压只有一些波动，但是没有发生显著变化。
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图3.10 三相电压波形图
3.5故障点A相电流序分量波形图
在万用表元件M2中选择故障点A相电流、故障点B相电流和故障点C相电 流；使用矢量选择器选择故障点A相电流正序分量作为测量电气量。仿真得到故障点A相电流正序分量波形图如图3.11所示。
由图形可以得出以下结论：在稳恋时，故障点A相电流正序分量由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，因而幅值为0A，相角为0；
在0.01s时。三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生三相短路，故障点A相电流正序分量发生变化，幅值迅速上升，相角下降，至大约-90时稳定；
在0.04s时，三相电路短路故障发生器打开，相当于排除故障。此时故障点A相电流正序分量的幅值下降，至0.06s时幅值为0A；
故障点A相电流正序分量的相角继续下降，至0.06s时降为大约-180，然后波动稳定到0。
图3.11 故障点A相电流正序分量波形图
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在万用表元件M2中选择故障点A相电流、故障点B相电流和故障点C相电流，使用矢量选择器选择故障点A相电流负序分量作为测量电气量。仿真得到故障点A相电流负序分量波形如图3.12所示。
图3.12 故障点A相电流负序分量波形图
在万用表元件M2中选择故障点A相电流、故障点B相电流和故障点C相电流；使用矢量选择器选择故障点A相电流零序分量作为测量电气量。仿真得到故障点A相电流零序分量波形如图3.13所示。
图3.13 故障点A相电流零序分量波形图
在万用表元件M2中选择故障点A相电流、故障点B相电流和故障点C相电流作为测量电气量，仿真得到故障点A相电流正序、负序和零序分量波形图如图3.14所示。
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图3.14 故障点A相电流正负零序分量波形图
4 总结
在这门课程，张老师给我们布置的课堂巩固练习，PPT展示以及相关仿真的作业，丰富的教学内容，多样的教学形式，使我不仅学习了电力系统暂态中的理论知识，还学会了Simulink软件基本使用。对于跨专业的我来说，实在收获颇多。在本次的仿真学习过程中，遇到了这样那样的问题，比如软件的使用，参数的设置，不过最终还是同学及老师的帮助下完成了。对电力系统三相短路也有了进一步的了解，丰富了电力系统的专业知识，相信这必定对我以后的学习和科研有莫大的帮助。再次对张老师的悉心教学表示诚挚的感谢！
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