基于MATLAB的电力系统单相短路故障分析与仿真

研究生课程论文封面

（2014—2015学年第1学期）

课程名称： 电力系统运行与控制

课程类型： 选修课

授课教师：

学 时： 学 分： 2.0

论文得分 批阅人签字 批阅意见：

河南理工大学研究生学处制

报告题目：基于MATLAB 的电力系统单相短路故障分析与仿真 姓名： 学号： 年级： 专业： 学院： 电气学院

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4、 原则上要求所有课程论文均须用A4纸打

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5、 课程论文由学生所在学院（系）统一保存，

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本文介绍了MATLAB 软件在电力系统中的应用，以及动态仿真工具Simulink 。的使用。 MATLAB 的 Simulink 的仿真环境中，利用Simpowersystems 中电气元件对电力系统发生单相短路时电路情况进行仿真与分析，着重分析了中性点不接地时电压电流的变化情况。结果表明，仿真波形基本符合理论分析，说明了MATLAB 是电力系统仿真研究的有力工具。

1电力系统短路故障分析

1.1短路故障原因

短路产生的原因有很多，主要有以下几个方面：

（1）元件损坏例如绝缘材料的自然老化，设计，安装维护不良所带来的设备缺陷发展成短路等；

（2）气象条件恶化例如雷击造成的闪络放电或避雷器动作，架空线路由于大风或导线覆冰引起电杆倒塌；

（3）违规操作，例如运行人员带负荷拉刀闸，线路或设备检修后未拆除接地线就加上电压等；

（4）其他，例如挖沟损伤电缆，鸟兽跨接在裸露的载流部分等。

1.2短路故障分析的内容和目的

短路故障分析的主要内容包括故障后电流的计算、短路容量的计算、故障后系统中各点电压的计算以及其他的一些分析和计算，如故障时线路电流与电压之间的相位关系等。短路电流计算与分析的主要目的在于应用这些计算结果进行继电保护设计和整定值计算，开关电器、串联电抗器、母线、绝缘子等电气设备的设计，制定限制短路电流的措施和稳定性分析等。

1.3电力系统单相接地短路计算

1.3.1正序等效定则

在求解各种不对称故障时，故障支路的正序电流分量k a1n I ）（ 可用如下同式表

示： ∆

∑∑+=)(11k a1n E I n a Z Z ）（ （1-1） 式中 ∑

1E a ------故前故障点基准相的运行相电压； ∆)(n Z ------与短路故障类型有关的阻抗（三相短路时，0)3(=∆Z ；两相短

路时，∑∆=2)2(Z Z ；两相接地短路时，∑

∑∑∑∆+⋅=

0202)1.1(Z Z Z Z Z ；单相接地短路时，∑∑∆+=02)1(Z Z Z ）。 由式（1-1）可见，不对称短路故障时故障支路的正序分量电流 k a1n I ）（ ， 等

于故障点每相加上一个附加阻抗∆)(n Z 后发生三相短路的电流。这就是正序等效定则。

故障点故障相电流的绝对值)(n k

I 与故障支路的正序分量电流)(1n k I 成正比，可表示为

)

(1)()(n k n n k I m I = （1-2） 式中 )(n m 为与短路类型有关的比例系数，其值见表1-1。

表1-1 不同短路故障类型的)(n m 故障类型 三相短路 两相短路 两相接地短路 单相接地短路 )(n m

1 3 2

0202)(13∑∑∑∑+-x x x x 3 1.3.2单相接地短路分析

单相接地短路时的系统接线图如图1-1所示。假定a 相接地短路，短路处以相量表示的边界条件方程为

0U k a

= ； 0I I k c k b == （1-3） 转换为对称分量关系

⎪⎭

⎪⎬⎫===+-==++=k a k a0k a2k a1k a0k a2k a1k a0k a2k a1k a I 31I I I )U U (U 0U U U U 或 （1-4） 可见，单相接地短路时有零序电压，同时也存在零序电流（在中性点直接接地的系统中）。由式（1-4）可知，A 相接地短路时选基准相为a 相，故障点b 相和c 相的序电压、序电流就没有式（1-4）的简单关系。同样，b 相接地时选基准相位b 相，c 相接地时选基准相位c 相，基准相的序电压、序电流具有式（1-4）的关系。

故障处以序分量表示的边界条件指明了三序网络在故障端K 处的联接方式。

分析式（1-4），由于k a0k a2k a1I I I ==，所以正序网、负序网、零序网应串联；同

时因0U U U k a0

k a2k a1=++ ，故三个序网串联后应短接，画出复合序网如图1-2所示。由复合序网可求出故障处的各序电流和电压

0k a 2k a 0211a 1k a I I Z Z Z E I ==++=

∑

∑∑∑ （1-5）

图2-1单相接地短路时系统接线图 图2-2单相接地短路时的复合序网图

⎪⎪⎭

⎪⎪⎬⎫-=+-=+-=-=-=-=-=∑∑∑∑∑∑∑∑1k a1al 02k a10k a 2k a 1k a 0k a100k a 0

k a 2k a122k a 2

k a Z I E Z Z I U U U Z I Z I U Z I Z I U ）（）（ （1-6） 短路处的各序功率为

）（）

（）（s k s k s k I ˆU S = （s=1,2,0） (1-7) 根据对称分量的合成公式，可得各相电流、电压为

⎪⎭

⎪⎬⎫==++====++=0I I )1I I 3I 3I 3I I I I k c k a12k b k a0k a2k a1k a0k a2k a1k a a a （ （1-8） ⎪⎭⎪⎬⎫-+-=++=-+-=++==++=∑∑∑∑]Z )1(Z )[(I U U U U ]Z )1(Z )[(I U U U U 0U U U U 022k a1k a0

k a22k a1k c 0222k a1k a0k a2k a12k b 0k a 2k a 1k a k a a a a a a a a a a a （1-9）

由式（2-9）可得