基于MATLAB的三相短路仿真与分析课程论文

1、研究生课程论文20142015学年第 1 学期）课程名称：电力系统运行与控制论文题目基于 MATLAB的三相短路仿真与分析姓名：课程类型：专业课学号：授课教师：年级：专业：电气工程学 时：36 学 分： 2.0学院：电气学院注意事项：1、以上各项由研究生本人认真填写；论文得分批阅人签字批阅意见：2、研究生课程论文应符合一般学术规范，具 有一定学术价值，严禁抄袭或应付；凡学 校检查或抽查不合格者，一律取消该门课 程成绩和学分，并按有关规定追究相关人 员责任；3、论文得分由批阅人填写，并签字确认；批 阅人应根据作业质量客观、公正的签写批 阅意见（原则上不少于 50 字）；4、原则上要求所有课程论文

2、均须用A4 纸打印，加装本封面，左侧装订；5、课程论文由学生所在学院（系）统一保存， 以备查用。目录绪论 矚0慫润厲钐瘗睞枥庑赖。第一章 供电系统仿真模型建立 1聞創沟燴鐺險爱氇谴净。1.1 无穷大功率电源供电系统三相短路的暂态过程 . 1 残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。1.2 无穷大功率电源供电系统仿真模型构建 2酽锕极額閉镇桧猪訣锥。第二章 仿真结果及分析 11彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。2.1 理论计算过程 11謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。2.2 仿真结果 1厦1礴恳蹒骈時盡继價骚。2.3 仿真结果比较 13茕桢广鳓鯡选块网羈泪。结束语 1鹅4娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。参考文献 1籟5丛妈羥为贍偾蛏练淨。摘要短路

3、问题是电力技术方面的基本问题之一。在发电厂、变电站以及整个电力系 统的设计和运行工作中，都必须要事先进行短路计算和仿真，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。 该文借助 MATLAB 功能搭建了电力系统模型并仿真了其三相短路故障，通过该软 件对故障发生后所得数据波形的分析，从而说明了 MATLAB 在电力系统研究方面 是一个有力的辅助工具， 掌握其使用方法对电力系统研究具有重要的实际意义。 預頌

4、 圣鉉儐歲龈讶骅籴。关键词： MATLAB ；电力系统仿真；三相短路故障AbstractShort circuit is one of the basic problems of power technology. In the design and operation of power plants, substations and the entire power system, must be short-circuit calculations and simulations in advance, as a reasonable choice of electrical wiring

5、, the choice has sufficient thermal stability and dynamic stability of the electrical equipment and carrier conductor, identified measures to limit short-circuit current in the power system protection and rational allocation of various important basis for setting its parameters and the like. For thi

6、s reason, after a short circuit to master physical processes as well as short-circuit the process simulation method is necessary.In this paper,with the aid of MATLAB function to build the electric power system model and simulationof the three phase short circuit fault,through the software of fault h

7、appened after the analysis of thedata waveform,thus illustrates the MATLAB in the study of power system is a powerful auxiliary tool,to masterthe use of electric power systems research has important practical significance。 渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。Key words: MATLAB;power system simulation;bolted three- phase faul

8、t 铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡绪论 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）发生通路的情况。 擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。引起短路的原因有很多，主要有如下几个方面： （1）元件损坏，例如设备绝缘 材料老化，设计、制造、安装、维护不良等造成的设备缺陷发展成为短路； （ 2）气 象条件影响，例如雷击过后造成的闪烁放电，由于风灾引起架空线断线和导线覆冰 引起电线杆倒塌等； （3）人为破坏，例如工作人员带负荷拉闸，检修线路或设备时 未排除接地线合闸供电，运行人员的误操作，偷电线和美国的科索沃战争、伊拉克 战争时使用的碳纤维弹。 （ 4）其他原因，挖沟损伤电缆

9、，鸟兽风筝跨接在载流裸导 体上等。 贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。在三相系统中，可能发生的短路有：三相短路、两相短路、两相短路接地和单 相接地短路。三相短路也称为对称短路，系统各相与正常运行时一样仍处于对称状 态。其他类型的短路都不是对称短路。 坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。电力系统的运行经验表明，在各类类型的短路中，单相短路占大多数，两相短 路较少，三相短路的机会最少。三相短路虽然很少发生，但情况较严重，应给以足 够的重视。况且，从短路计算方法来看，一切不对称短路的计算，在采用对称分量 法后，都归结为对称短路的计算。因此，对三相短路的研究是有其重要意义的。 蜡變 黲癟報伥铉锚鈰赘。MATLAB 因为绘图功能

10、强大和计算能力强，配以友好的动态仿真环境，主要 用于数值计算及可视化图形处理，其优越的开发性、数据仿真分析高效的优点越来 越成为从事电力网络系统学习和研究的重要仿真工具。作为一款优秀的综合性应用 软件，利用其提供的 Simulink 集成环境，可以方便地对电力系统进行模型的搭建和 仿真。 Simulink 提供了充足的子模块库，我们可以根据相应模型搭建的需要，从各 个子模块库中选用合适的模块。 Simulink 中提供了各种基本模块，它们根据其主要 应用领域和实现功能进行了分类化管理，给用户查找使用提供了便利。模块库的数 量取决于用户安装，在电力系统仿真中，标准 Simulink 模块库和电力

11、系统模块库 是必不可少的。 本文将通过三相短路实例具体讲解其模块结构及应用。 買鲷鴯譖昙膚遙闫 撷凄。第一章 供电系统仿真模型建立1.1 无穷大功率电源供电系统三相短路的暂态过程如图 1-1所示为以无穷大功率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（用下标 0 表示短路前（0 ）的量） 綾镝鯛駕櫬鹕踪韦19辚糴。图 1-1 无穷大功率电源供电的三相电路突然短路ia Im0 sin t 0I 式中，m0UmR R' 2 2 L L' 2 ，0 arctan RL RL'' 。假设 t 0s时刻，f 点发生三相短路故障。此时电路被分成

12、两个独立回路。由无a、b、c、相短路全限大电源供电的三相电路， 其阻抗由原来的 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相对称的，依据对称关系可以得到 电流的表达式 驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦-tia Imsin t I m 0 sin0 Im sine TaibIm sint120。Im0 sin-120。0Imsin-120。eTa-tUmicIm sint 120。Im0 sin120。0Imsin120。eTa式中， I m m 2 为短路电流的稳态分量的幅值。R2L 2短路电流最大可能的瞬时值称为短路电流冲击值，以 表示。冲击电流主要用 于

13、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 猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。0.01iim I m I me Ta0.011 e Ta ImkimIm式中， 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； 为时间常数。短路电流的最大有效值 是以最大瞬时值发生的时刻（即发生短路经历约半个 周期）为中心的短路电流有效值。在发生最大冲击电流的情况下，有 锹籁饗迳琐筆襖鸥娅 薔。iimIm / 2I m kim 1 m 1 2 kim 1短路电流的最大有效值主要用于检验开关电器等设备切断短路电流的能力。1.2 无穷大功率电源供电系统仿真模型

14、构建假设无穷大功率电源供电系统如图 1-2 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。 構氽頑黉碩饨荠龈话 骛。图 1-2 无穷大功率电源供电系统线路参数为 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形联结；并 设供电点电压为 110KV 。其对应的 Simulink 仿真模型如图 1-3 所示。 輒峄陽檉簖疖網儂號泶图

15、1-3 无穷大功率电源供电系统的 Simulink 仿真图在图 1-3 中，电源采用“ Three-phase source ”模型，其参数设置如图 1-4 所示。图 1-4 电源模块的参数设置变压器 T 采用“ Three-phase transformer (Two Windings )”模型。根据给定 的数据，计算折算到 110KV侧的参数如下： 尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。变压器的电阻为RTPsU N2 103SN2135 1102200002 103 4.08变压器的电抗为XT2Us%U N2 103210.5 1102100SN100 20000 103 63.53则变压器的漏感：LTX

16、T 2 f63.53 H 0.202HT 2 3.14 50变压器的励磁电阻为RmUN2P010211023 51035.5 10522变压器的励磁电抗为Xm2100U N2I0%SN1032100 1102103 75625变压器的励磁电感为0.8 20000L1 baseU1N110 21.927H SN 2 f 20 2 3.14 50Lm Xm 2 f 2 735.1642550H 240.8Hm m 2 3.14 50如果变压器模块的参数采用标幺值， 则在 Simulink 的三相变压器模型中， 一次、 二次绕组漏感和电阻的标幺值以额定功率和一次、二次侧各自的额定线电压为基准 值，励

17、磁电阻和励磁电感以额定功率和一次侧额定线电压为基准值（注意与单相变 压器的区别）。 识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。则一次侧的基准值为22R1 baseU12N110 2 605SN20二次侧的基准值为R2 baseU22NSN1210 6.05L2U22N112base0.01927HSN 2 f 20 2 3.14 50因此，一次绕组漏感和电阻的标幺值为R10.5 RT0.5 4.08 0.0033 L10.5 LT0.5 0.202R1 base605L1 base1.9270.052同理， R2 0.0033 ，L2 0 .052 ， Rm 909.09Lm 106.3 ，则变压器模块的参数设置

18、如图 1-5 所示图 1-5 采用标幺值时变压器模块的参数设输电线路 L 采用“ Three-phase Series RLC Branch”模型。根据给定的参数计算可得 凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。RL r1 l 0.17 50 8.5X L X1 l 0.4 50 20 LL XL /2 f 20 H 0.064HL L 2 3.14 50输电线路的参数设置如图 1-6 所示。图 1-6 输电线路模块的参数设置三相电压电流测量模块“ Three-PhaseV-I Measurement ”将在变压器低压侧测量到电压、电流信号转变成 Simulink 信号，相当于电压、 电流互感器的作用， 其参

19、数设置如图 1-7 所示。 恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。图 1-7 三相电压电流测量模块仿真时，故障点的故障类型等参数采用三相线路故障模块“ Three-PhaseFault ”来设置，如图 1-8 所示。 鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。图 1-8 三相线路故障模块参数设置第二章 仿真结果及分析2.1 理论计算过程得到以上的电力系统参数后，可以首先计算出在变压器低压母线发生三相短路 故障时短路电流周期分量幅值和冲击电流的大小。 硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。短路电流周期分量的幅值为IU m kTRT RL 2 XT X L 2时间常数 Ta 为2 110 3 104.08 8.5 2 63.5 20 2A 10.6

20、3KATaLT LL / RT RL0.202 0.0644.08 8.5s 0.0211s则短路冲击电流为iim 1 e 0.010.0211 Im 1.6225I m 17.3KA2.2 仿真结果通过模型菜单窗口中的 “Simulink Configuration Parameters ”命令打开设置 仿真参数的对话框， 选择可变步长的 ode23t 算法，仿真起始时间设置为 0，终止时 间设置为 0.2s ，其他参数采用默认设置。在三相线路故障模块中设置在 0.02s 时刻 变压器低压母线发生三相短路故障。运行仿真，可得变压器低压侧的三相短路电流 波形如图 2-1 所示。 阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。图 2-1 变压器低压侧三相短路电流波形图为了得到仿真结果的准确数值，可将仿真图中示波器模块的“ Data history ”栏 设置为如图 2-2 所示方式。 氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。图 2-2 示波器模块的“ Data history ”栏设置方式这样就可以在 MATLAB 的命令窗口中输入以下命令来显示 A 相电流的数据（B、C 相数据与此类似）>>ScopeData.Signals.values（：， 1）可见，短路电流周期分量的幅值为 10.64KA ，冲击电流为