两相相间短路故障仿真分析AC

1、目 录第一章 引言11.1 课程设计的目的及意义11.2Matlab软件简介11.3 电力系统发展前景2第二章 简单不对称故障相间短路的分析计算42.1 概述42.2 两相相间短路分析计算（AC相）4第三章 两相相间短路故障的仿真波形分析73.1故障点电流波形图分析73.2故障点电压波形图分析103.3故障点A相电流序分量波形图分析123.4故障点A相电压序分量波形图分析15结束语19参考文献20第一章 引言1.1 课程设计的目的及意义 通过运用MATLAB软件进行的仿真，了解在输电线路上发生各种故障时的系统变化情况。有针对性的改善输电线路所装设的保护装置，使其能够在线路出现故障时迅速做出反应

2、，保证线路安全运行，同时运行人员也可以根据保护装置动作情况很快地判断出故障点所处位置，为线路检修争取宝贵时间并减少因故障而带来的巨大损失。 安置在输电线路上的保护装置，当被保护的元件发生故障时，能自动、迅速、有选择的将故障从电力系统中切除，以保证其余部分恢复正常运行，并使故障元件免于继续受伤害。当被保护元件发生异常运行状态时，经一定延时动作于信号，以使值班人员采取措施。1.2 Matlab软件简介 MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一

3、个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用

4、的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。MATLAB软件中的SIMULINK是用来对动态系统进行建模、仿真和分析的集成开发环境，是结合了框图界面和交互仿真能力的非线性动态系统仿真工具。SIMULINK 专用元件库包含以下一

5、些子元件库：Communications Blockset（通信元件库）、DSP Blockset （数字信号处理元件库）、SimPowerSystems（电力系统元件库）、Neural Network Blockset （神经网络元件库）等。这些元件库为解决具体的工程问题提供了更为快速、准确和简洁的途径，避免了用SIMULINK 提供的基本元件来构造模型的繁琐。 SimPowerSystems（电力系统元件库）涵盖了电路分析、电力电子、电力系统等电气工程学科中基本元件的仿真模型。它包括：Electrical Sources（电力元件），Elements（线路元件），Power Electro

6、nics（电力电子元件），Machines（电机元件），Connectors（连接器元件），Measurements（电路测量仪器），Extras（附加元件），Demos（演示教程）和Powergui（电力图形用户接口）等元件。1.3 电力系统发展前景 目前电力系统市场发展中的自动控制技术趋向于控制策略的日益优化，呈现出适应性强、协调控制完善、智能优势明显、区域分布日益平衡的发展趋势。在设计层面电力自动化系统更注重对多机模型的问题处理，且广泛借助现代控制理论及工具实现综合高效的控制。在实践控制手段的运用中合理引入了大量的计算机、电子器件及远程通信应用技术。而在研究人员的组合构建中电力企业本着精

7、益求精、综合适用的原则强调基于多功能人才的联合作战模式。在整体电力系统中，其工作方式由原有的开环监测合理向闭环控制不断发展，且实现了由高电压等级主体向低电压丰富扩展的安全、合理性过度，例如从能量管理系统向配电管理系统合理转变等。再者电力系统自动化实现了由单个元件到部分甚至全系统区域的广泛发展，例如实现了全过程的监测控制及综合数据采集发展、区域电力系统的稳定控制发展等。相应的其单一功能也实现了向多元化、一体化综合功能的发展，例如综合变电站实现了自动化发展与提升。系统中富含的装置性功能更是向着灵活、快速及数字化的方向发展;系统继电保护技术实现了全面更新及优势发展等。依据以上创新发展趋势电力系统自动

8、化市场的发展目标更加趋于优化、协调与智能的发展，令潮流及励磁控制成为市场新一轮的发展研究目标。因此我们只有在实践发展中不仅提升系统的安全运行性、经济合理性、高效科学性，同时还应注重向自动化服务及管理的合理转变，引入诸如管理信息系统等高效自动化服务控制体系，才能最终令电力系统自动化市场的科学发展之路走的更远。 经过了数十年的研究发展，我国先进的计算机管理技术、通信及控制技术实现了跨越式提升，而新时期电力系统则毋庸置疑的成为集计算机、通信、控制与电力设备、电力电子为一体的综合自动化控制系统，其应用内涵不断扩充、发展外延继续扩展，令电力系统自动化市场中包含的信息处理量越来越庞大、综合因素越来越复杂，

9、可观、可测的在数据范围越来越广阔，能够合理实施闭环控制、实现良好效果的控制对象则越来越丰富。由此不难看出电力系统自动化市场已摒弃了传统的单一式、滞后式、人工式管理模式，而全面实现了变电站及保护的自动化发展市场、调度自动化市场、配电自动化市场及综合的电力市场。在变电站及保护的自动化市场发展中，我国的500千伏变电站的控制与运行已经全面实现了计算机化综合管理，而220千瓦变电站则科学实现了无人值班看守的自动化控制。当然我国众多变配电站的自动化控制程度普及还相对偏低，同时新一轮变电站自动化控制系统标准的广泛推行及应用尚处在初级阶段，因此在未来的发展中我们还应继续强化自动化控制理念的科学引入，树立中小

10、变电站的自动化控制观念、提升大型变电站的自动化控制水平，从而继续巩固电力自动化系统在整体市场中占据的排头兵位置，令其持之以恒的实现全面自动化发展。第二章 简单不对称故障相间短路的分析计算2.1 概述分析三相短路时，由于电路是对称的，短路电流周期分量也是对称的，只需分析其中的一相就可以了。但是，在系统发生不对称故障短路时，电路的对称性受到破坏，网络中出现了三相不对称的电压和电流，对称电路变成了不对称电路，不能只取一相进行计算，直接地去解这种不对称的电路是相当复杂的。1910年G.Hommel提出了对称分量法，在电力系统分析和计算中得到广泛的应用。电力系统在正常运行时是三相对称的。当系统发生不对称

11、故障时，电源电势及其阻抗仍然对称，但是在故障点处，三相阻抗将不对称。通常采用对称分量法对此类电路进行分析。在此所讨论的各种不对称故障的分析计算中，求出各序电流、各序电压对称分量及各相电流、电压值，一般都是指起始时或稳态时的基频分量。2.2 两相相间短路分析计算(AC相)两相短路时，假定在K点发生AC两相短路。这种情况下以相量表示的边界条件方程如下： ； （2-1）转换为对称分量： （2-2）可得： ， （2-3） 即： （2-4）于是，以序分量表示的AC相短路的边界条件为：； ； （2-5）应当注意，AC相短路时选基准相为B相，故障点基准相的序电流、序电压才有式（2-5）的关系，B相和C相的序

12、电流、序电压就没有这样的关系。当然AC相短路时选B相为基准相，AB相短路时选C相为基准相，其故障点的序电流、序电压同样有这一关系。与之间的相位差为： （2-6）由此可知，等于系统负序阻抗的阻抗角。短路点的各序复数功率按下列式进行计算：正序功率： （2-7）负序功率： （2-8）式中 、-短路点的正序及负序电流的共轭值。故障处的各相电流、电压有序分量计算得： （2-9） （2-10）当时，由式（2-7）可知，此时有： （2-11）式中为同一故障点发生三相短路时的A相短路电流，。式（2-12）说明，如果故障点的（故障点远离电源），则两侧短路电流等于该点三相短路电流的倍。两相短路（AC）故障处电流电

13、压向量图如下： 两相短路（AC）故障处电流电压向量图+ + - - + -a,c两相短路复合序网络从以上的分析计算可知，两相短路有以下几个基本特点：（1）短路电流及电压中不存在零序分量。（2） 两故障相中的短路电流的绝对值相等，而方向相反，数值上为正序电流的倍。（3）当时，两相短路的故障相电流为同一点发生三相短路时的短路电流的倍，因此可以通过对序网进行三相短路计算来近似求两相短路的电流。（4）短路时非故障相电压在短路前后不变，两故障相电压总是大小相等，数值上为非故障相电压的一半，两故障相电压相位上总是同相，但与非故障相电压方向相反。第三章 两相相间短路（AC相）故障仿真的波形分析将三相电路短路

14、故障发生器中的故障相选择为A相和C相故障,即发生A相和C相两相短路故障。不对称故障仿真模型图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，查看仿真波形图。电源参数设定 输电线路参数设定 3.1 故障点电流波形图分析图3-11故障点A相电流选择故障点A相电流作为测量电气量。激活仿真按钮，则故障点A相电流波形如图3-11所示。由该波形图可以得出以下结论：在稳态时，故障点A相电流由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，因而电流幅值为0A。在0.01s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生A、C两相短路，故障点A相电流发生变化，由于闭合时有初始输入量和初始状态量，因而波形下移，呈正弦

15、波形变化。在0.04s时，三相电路短路故障发生器断开，相当于排除了故障。此时故障点A相电流迅速上升为0A。图3-12故障点B相电流 选择故障点B相电流作为测量电气量。激活仿真按钮，则故障点B相电流波形如图3-12所示。由波形图可以得出以下结论：在A、C 发生两相短路时，故障点B相电流没有变化，始终为0A。同时也符合理论计算如式2-14可知。 选择故障点C相电流作为测量电气量。激活仿真按钮，则故障点C相电流波形如图3-13所示。由图形可以得出以下结论：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A、C两相

16、短路，故障点C相电流幅值发生变化，由于闭合时有初始输入量和初始状态量，因而波形上移，呈正弦波形变化。在0.04s时，三相电路短路故障发生器断开，相当于排除故障。此时故障点C相电流迅速下降为0A。图3-13故障点C相电流选择故障点A相电流、B相电流和C相电流作为测量电气量。激活仿真按钮，则故障点三相电流波形如图3-14所示。由图形可以得出以下结论：当电路发生B、C两相短路故障时，A相电流没有变化，B相电流波形下移，C相电流波形上移。理论计算中，结合图3-14中故障点A、C电流波形并且对比图3-12和图3-13故障点A、C的电流波形，可知理论计算正确。图3-14故障点三相电流波形图3.2 故障点电

17、压波形图分析图3-21故障点A相电压 选择故障点A相电压作为测量电气量。激活仿真按钮，则故障点A相电压波形如图3-21所示。由该波形图可以得出以下结论：在稳态时，故障点A相电压由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，因而电压为正弦变化。在0.01s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生A、C两相短路，故障点A相电压发生变化，突变为0V。在0.04s时，三相电路短路故障发生器断开，相当于排除故障。此时故障点A相电压波动恢复正弦波形。图3-22故障点B相电压选择故障点B相电压作为测量电气量。激活仿真按钮，则故障点B相电压波形如图3-22所示，在稳态时，故障点B相电压由于三相电路短路故障发生器

18、处于断开状态，因而电压为正弦变化幅值约为45000V。在0.01s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生A、C两相短路， B相电压发生变化，从突变为65000V。由图形可以得出以下结论：由于B相为非故障相，其电压波形仅在两相短路期间波的幅值变大，但是波形不变。 选择故障点C相电压作为测量电气量。激活仿真按钮，则故障点C相电压波形如图3-23所示。由该波形图可以得出以下结论：在稳态时，故障点C相电压由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，因而电压为正弦变化其幅值为约为45000V。在0.01s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生A、C两相短路，故障点C相电压发生变化，突变为0V。在

19、0.04s时，三相电路短路故障发生器断开，相当于排除故障。此时故障点C相电压波动恢复正弦波形。图3-23故障点C相电压 选择故障点A相电压、B相电压和C相电压作为测量电气量。激活仿真按钮，则故障点三相电压波形如图3-24所示。由波形图可以得出以下结论：在B、C两相发生短路故障时，非故障相B相电压波形幅值增大。B相和C相电压降为0V。图3-24故障点三相电压波形图3.3 故障点A相电流序分量波形图分析图3-31故障点A相电流正序分量波形图 选择故障点A相电流、故障点B相电流和故障点C相电流；在三相序量分析器中选择故障点A相电流正序分量作为测量电气量。激活仿真按钮，则故障点A相电流正序分量波形如图

20、3-31所示。由图形可以得出以下结论：在稳态时，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0deg。在0.01s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生A、C两相短路，故障点A相电流正序分量发生变化，幅值迅速上升至14000A左右，相角下降，至大约-90deg时稳定。由式（2-2）可知，由图3-13可知故障点C相电流幅值约为25000A，图3-31可知A相电流正序分量幅值约为14000A，。理论计算所得大致符合波形图。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相电流正序分量幅值下降，至0.06s时幅值为0A；故障点A相

21、电流正序分量的相角继续下降，至0.06s时降为大约-180deg，然后稳定到0A。图3-32 故障点A相电流负序分量波形图 选择故障点A相电流、故障点B相电流和故障点C相电流；在矢量选择器中选择故障点A相电流负序分量作为测量电气量。激活仿真按钮，则故障点B相电流负序分量波形如图3-32所示。由图形可以得出以下结论：在稳态时，故障点B相电流负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0deg。在0.01s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生A、C两相短路，故障点A相电流负序分量发生变化，幅值迅速上升至14000A左右，相角突变为大约-120deg，下降至大约-1

22、50deg时稳定。由理论计算式（2-3），且，将上式代入式（2-3）可知，化简得。观察对比图3-31和图3-32可知A相电流正、负序分量幅值相等，相角相差-60deg与理论计算相符合。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相电流负序分量幅值下降，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时稳定到0A。图3-33 故障点A相电流零序分量波形图 选择故障点A相电流、故障点B相电流和故障点C相电流；选择故障点A相电流零序分量作为测量电气量。激活仿真按钮，则故障点A相电流零序分量波形如图3-33所示。由图形可以得出以下结论：在稳态时，

23、故障点A相电流零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0deg。在0.01s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生A、C两相短路，故障点A相电流零序分量幅值缓慢波动上升其幅值为0.03A可以近似约等于零，相角突变为90deg，之后稳定在60deg左右。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相电流零序分量幅值缓慢波动下降，至0.06s时稳定在0A，相角波动恢复至0deg。在0.06s发生突变后稳定至0A。选择故障点A相电流、故障点B相电流、故障点C相电流作为电气测量量，激活仿真按钮，则故障点A相电流正序、负序、零序分量波形如图

24、3-34所示。由波形图可以得出，故障时,A相电流正序、负序的幅值变化较大，零序分量变化不大。A相电流负序滞后正序分量60deg。图3-34 故障点A相电流正序、负序和零序分量波形图3.4 故障点A相电压序分量波形图图3-41 故障点A相电压正序分量波形图 选择故障点A相电压、故障点B相电压和故障点C相电压；选择故障点A相电压正序分量作为测量电气量。激活仿真按钮，则故障点A相电压正序分量波形如图3-41所示。由图形可以得出以下结论：在稳态时，故障点A相电压正序分量由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，因而幅值为线性上升，相角为0deg。在0.01s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生A

25、、C两相短路，故障点A相电压正序分量发生变化，幅值波动后稳定在23000V左右，相角在0deg左右缓慢波动。由式（2-10）可知。根据图3-22可知有效值,图3-41可知，在幅值上故障点B相电压是故障点A相电压正序分量的两倍。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相电压正序分量继续线性上升，至0.06s时幅值为45000V；故障点A相电压正序分量的相角继续缓慢波动，最后稳定到0V。图3-42 故障点A相电压负序分量波形图选择故障点A相电压、故障点B相电压和故障点C相电压；选择故障点A相电压负序分量作为测量电气量。激活仿真按钮，则故障点A相电压负序分量波形如图3

26、-42所示。由图形可以得出以下结论：在稳态时，故障点A相电压负序分量由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，因而幅值正弦变化，相角为线性下降变化趋势。在0.01s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生A、C两相短路，故障点A相电压负序分量发生变化，幅值波动上升后稳定在23000V左右，相角突变为150deg，之后下降至120V，然后120deg处波动。根据理论计算，由式（2-5）且，将上式代入（2-5），得，由上式可知故障点A相电压负序分量超前正序分量120deg。对比图3-41和图3-42可知理论计算符合波形图。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

27、电压负序分量幅值迅速下降，至0.06s时幅值为0V；故障点A相电压负序分量的相角继续缓慢波动，最后在0.06s后突变。图3-43 故障点A相电压零序分量波形图选择故障点A相电压、故障点B相电压、故障点C相电压；选择故障点A相电压零序分量作为测量电气量。激活仿真按钮，则故障点A相电压零序分量波形如图3-43所示。由图形可以得出以下结论：在稳态时，故障点A相电压零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0V，相角为0deg。在0.01s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生A、C两相短路，故障点A相电压零序分量发生变化，幅值迅速上升后，稳定在23000V左右，相角突变后，从大约150deg处下降，稳定在-120deg左右。在0.04s时，三相电路短路故障发