基于MATLAB仿真的电力系统故障分析

基于MATLAB仿真的电力系统故障分析

电力系统故障分析主要是研究电力系统中由于故障所引起的电磁暂态过程，搞清楚暂态发生的原因、发展过程及后果，从而为防止电力系统故障、减少故障损失提供必要的理论知识。简单故障和复合故障是电力系统可能发生的故障类别。简单故障指的是电力系统正常运行时某一处发生短路或断相故障，而复合故障则是指两个或两个以上简单故障的组合。所谓短路，是指电力系统正常运行情况以外的相与相之间或相与地之间的连接。在正常运行时，除中性点外，相与相或相与地之间是绝缘的。单相短路故障在电力系统的运行中占绝大多数。三相短路时三相回路依旧是对称的，故称为对称短路；其他几种回路均使三相回路不对称，故称为不对称短路。产生短路的主要原因是电气设备载流部分的相间绝缘或相对地绝缘被破坏。短路对电力系统的正常运行和电气设备有很大的危害。短路引起电网中电压降低；系统发生短路相当于改变了电网的结构，必然引起系统中功率分布的变化；不对称接地短路所引起的不平衡电流产生的不平衡磁通，会在邻近的平行的通信线路内感应出相当大的感应电动势，造成对通信系统的干扰，甚至危及设备和人身的安全。

目 录

1 绪论...................................................................... 2 1.1 电力系统短路故障的危害................................................ 2 1.2 基于Matlab仿真系统故障的前景 ......................................... 2 2 无穷大功率电源供电系统三相短路仿真........................................ 2 2.1无穷大功率电源供电系统三相短路的暂态过程 .............................. 3 2.2无穷大功率电源供电系统仿真模型构建 .................................... 4 2.3 Matlab仿真模型及结果分析 ............................................ 10 3 基于Matlab仿真的同步发电机突然短路的暂态过程分析 ........................ 12 3.1同步发电机突然三相短路暂态过程分析 ................................... 13 3.2 同步发电机突然三相短路暂态过程的数值计算与Matlab仿真................ 14 3.2.1同步发电机突然三相短路暂态过程的数值计算 ......................... 14 3.2.2同步发电机突然三相短路暂态过程的Matlab仿真 ...................... 16 4 基于Matlab仿真的小电流接地系统单相故障分析 .............................. 20 4.1 小电流接地系统单相故障特点简介....................................... 20 4.2 小电流接地系统仿真模型构建........................................... 22 4.2.1中性点不接地系统的仿真模型及计算 ................................. 22 4.2.2中性点经消弧线圈接地系统的仿真模型及计算 ......................... 25 4.3小电流接地系统单相故障仿真结果及分析 ................................. 25 4.3.1中性点不接地系统的仿真结果及分析 ................................. 27

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4.3.2中性点经消弧线圈接地系统的仿真结果及分析 ......................... 29 5 结论与展望............................................................... 30

1 绪论

1.1 电力系统短路故障的危害

电力关乎国家的能源和经济。随着现代社会生产力水平的不断提高，电能用户对于供电可靠性、安全性、持续性的要求越来越高，优质、可靠、稳定的电力供应已成为电力用户的普遍需求。电力网络的延伸、运行条件越来越复杂、电网用电设备种类和数量的大量增加、自然灾害和误操作等因素使得电网故障频繁发生。电力系统的大事故会对国家经济产生巨大影响，对国家安全产生巨大威胁。但是，由于各种偶然因素所造成的影响，电力系统的各种事故在客观上是不可避免的。全网的大规模停电就有可能因为局部的故障未能得到及时有效的应对。 1.2 基于Matlab仿真系统故障的前景

计算机仿真技术已成为电力系统研究、规划、设计和运行等各个方面的重要方法和手段,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。

本文介绍了无穷大供电系统三相短路故障，同步发电机突然短路以及小电流接地系统单相短路等三种短路情况，分析了三种情况的短路过程，构建三种短路模型，通过Matlab及Simulink对各种短路模型进行仿真。

2 无穷大功率电源供电系统三相短路仿真

短路问题是电力系统运行方面的基本问题之一。进行短路电流计算和仿真，能为发电厂、变电站以及整个电力系统的设计和运行做好准备，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。

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图2-1 无穷大功率电源供电的三相电路突然短路

本节介绍如图所示的简单电路发生三相短路的暂态过程，然后介绍利用Simulink进行仿真的方法。此电路中假设电源电压幅值和频率均为恒定值，这种电源称为无穷大功率电源。

电源功率为无限大时，外电路发生短路引起的功率改变对于电源来说是微不足道的，因而电源的电压和频率保持恒定。无限大功率电源可以看做是由无限多个有限功率电源并联而成，因而其内阻抗为零，电源电压保持恒定。

实际上，真正的无穷大功率电源只是一个相对的概念，它在实际中是不存在的，无穷大功率电源往往是以供电电源的内阻抗与短路回路总阻抗的相对大小来判断的。当供电电源的内阻抗小于短路回路总阻抗的10%时，则可认为供电电源为无穷大功率电源。在这种情况下，外电路发生短路对电源影响很小，电源电压幅值和频率可近似的认为保持恒定。

2.1无穷大功率电源供电系统三相短路的暂态过程

如图2-1所示为一无穷大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

i?Iam|0|sin(?t????)|0| (2-1)

假设t=0s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。由无穷大电源供电的三相电路，其阻抗有原来的(R?R?)?j?(L?L?)突然减小为(R+j?L).由于短路后的电路仍然是三厢对称的，依据对称关系可以得到a、b、c相短路全电流的表达式

ia=Imsin(?t+?-?）+[Im|0|sin(?-?|0|)-Imsin(?-?)]eTa

?tib=Imsin(?t+?-120-?)+[Im|0|sin(?-120-?|0|)-Imsin(?-120-?)]eTa

000?t

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i?Icmsin(?t???120??)?[Im|0|sin(??120??)?Imsin(??120??)]eTa |0|000?t短路电流可能的最大瞬时值称为短路电流冲击值，以iim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

0.01iim=Im+ImeTa=KimIm (2-2)

式中，Kim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；Ta为时间常数。

2.2无穷大功率电源供电系统仿真模型构建

图2-2 无穷大功率电源供电系统

假设无穷大功率电源供电系统如图2-2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。线路参数为L=50km，x1=0.4?/km,r1=0.17?/km;变压器的额定容量SN=20MV.A,短路电压Us%=10.5，短路损耗 ?Ps=135kw，空载损耗?P0=22KW空载电流I0%=0.8，变比kT=110/11，高低压绕组均为Y形联接；并设供电点电压为110kv。其对应的Simulink仿真模型如图2-3所示。

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