基于matlab实现电力系统短路故障的仿真分析

[摘 要]短路是电力系统中最常发生的一种故障，电网正常运行的破坏大多数是由短路故障引起的，危害很大。短路过程是一种暂态过程，在发生短路故障的情况下，电力系统从一种状态剧烈变化到另外一种状态，产生复杂的暂态现象。由于暂态过程比较短暂，为了便于观察分析短路过程中电流、电压波形的情况，该文运用matlab对电力系统短路故障进行仿真，并对其暂态过程进行分析。

[关键词]短路故障；MATLAB仿真；暂态过程分析

中图分类号：TP391.9；TM713 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）07-0345-02

1. 前言

众所周知，短路故障是电力系统中最常见的一种故障。造成短路故障的原因有很多，其中电气设备载流部分绝缘的损坏是形成短路的主要原因。由于过电压、机械力拉伤以及时间长而老化都是导致绝缘层加速老化的原因，但也不乏人为和自然的因素。另一方面，在短路故障发生后，短路电流瞬时增大到正常运行电流的几十倍甚至更高，瞬间增大的电流将会给电力系统带来严重的后果，危及整个电力系统的稳定运行。更严重的将会引起系统的崩溃，造成大面积的停电，影响整个社会经济的发展。

鉴于短路故障的易发性及其危害的严重性，为了保证电力系统的安全运行，在设计和选择电气设备的时候都要对电气设备的最大短路电流进行热稳定和动稳定校验，同时在线路上加装继电保护装置。为了便于直观的观察和分析故障点的电流和电压在故障前后的变化情况，本文采用MATLAB软件对电力系统发生短路故障进行仿真。

2. MATLAB软件简介

MATLAB是一种面向科学与工程计算的高级语言，它集科学计算、自动控制、信号处理、神经网络和图像处理等学科的功能于一体，是一个高度集成的系统。MATLAB提供的Simulink是一个用来对动态系统建模、仿真和分析的软件包，它支持线性和非线性系统，能够在连续时间域、离散时间域或两者混合的时间域里进行建模。

3.电路仿真模型的建立

3.1 设计流程

1）为了直观的将复杂的电力系统结构模型展现出来在此我们选用理想的电压源作为电路的供给电源，三相电压源采用Y型连接，中性点不接地。参数设置如下：

相电压有效值（Phase-to-phase rms voltage）： 25e3V

A相相角（Phase angle of phase A）： 0

频率（Frequency）：60HZ

内部连接方式（Internal connection）：Y

三相电源电阻（Source resistance）：0.312

三相电源电感（Source inductance）：6.63e-3H

由于恒定电压源为三相对称正弦交流电压源，其（A 、B 、C）三相电压表达式如下：

2）从测量元件库中选择3-Phase Aequence Analyzer（三相序分量分析元件） 在参数设置表中Sequence（序量选择）选择Positive、Negative and Zero（所有序分量），然后从电路测量仪器库中选择万用表用于A相正序、负序和零序分量显示。

在电力系统中，常用对称分量法来分析不对称故障，即任何一组不对称系统都可以分解成三组对称分量的系统。其中正向旋转是是正序分量，反向旋转的一组是负序分量，相位相同的一组为零序分量。在这里选用A相作为基准相，得出三相相量与对称分量的电流和电压关系分别为：

3）使用分布参数输电线路（distributed paramenter line）作为输电线路，采用三相故障发生器模拟不类型的短路，再从电力系统元件库中选择电力系统分析工具、节点等进行合理放置。对各个模块的参数进行设置：输电线路元件Line1和Line2线路长度均为100KM。

3.2 带三相故障发生器的恒定电压源电路仿真模型：

4.仿真的实现

以三相短路故障为例进行分析，通过将三相故障发生器（three-phase fault）的转换时间设定为[1/100 5/100]s、故障发生器中的故障相选择三相故障都选，并选择故障相接地选项。对仿真参数进行设定：开始时间为0秒，停止时间为0.1秒，可变步长ode15s（stiff/NDF），设置完电路图和仿真参数后，下面进行电路仿真。激活仿真按钮，查看仿真波形如下图所示：

5.仿真结果分析

由图2可知，在系统稳态时，故障点电流由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，因而电流为零。在0.01秒的时候三相短路故障发生器闭合，由于闭合时有初始输入量和初始状态量因而故障点A、B、C三相电流均发生显著变化。在0.05秒的时候三相短路故障发生器打开，相当与故障排除。此时故障点三相电流迅速下降为零。

图3表示的是故障点三相电压波形图的情况，当三相短路故障发生器处于断开状态时，三相电压实际上是加载在输电线路上Line2上的电压。在0.01秒的时候三相电压发生接地短路，故电压均为0V。在0.05秒的时候故障排除，加载在Line2上的电压发生暂态波动。

由图4可以看出，在三相短路过程中，电源端的三相电压只有一些小的波动，没有大的变化。但三相电流波形的变化较大。在短路期间三相电流的幅值显著增大，A、B两相有整体下降的趋势，C相有整体上升的趋势。

图5和图6表示的是故障点A相电流和电压的正序、负序以及零序分量波形图。由图可以看出在发生三相短路故障的时候正序和负序分量的幅值和相角都发生较大的变化，而零序分量几乎没有变化。

6.结束语

通过利用MATLAB7.9软件当中的三相故障发生器及建模仿真平台，成功的模拟出了电力系统三相短路故障发生时故障点的电压、电流波形变化的情况以及序分量的幅值和相角变化情况。同样，通过对三相短路故障发生器的故障相的选择可以得到两相短路接地故障、两相短路故障、单相短路接地故障等不同类型的故障，分别进行仿真，很容易的分析出不同类型短路故障的暂态过程。

参考文献

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