【正文】 最后還要對(duì)電氣 xx 班的全體同學(xué)表示感謝，四年來(lái)在學(xué)習(xí)、工作和生活中給予我的諸多幫助。 x 老師在理論分析和工作經(jīng)驗(yàn)方面給了我諸多指導(dǎo)性的建議，她淵博的知識(shí)和對(duì)學(xué)科發(fā)展獨(dú)到的見(jiàn)解，不但給與我一盞明亮的指路之燈，幫助我完成了復(fù)雜的畢業(yè)設(shè)計(jì)，更使我今后的工作道路歸入正途。 通過(guò)這次論文的撰寫(xiě)，我對(duì)電力系統(tǒng)故障以及 Matlab 軟件有了更深的認(rèn)識(shí)。高效的數(shù)據(jù)仿真分析，特別是信號(hào)處理和直觀的圖形顯示功能，且 Matlab/simulink環(huán)境下的 SimPowerSystems模型庫(kù)及 Simulink 強(qiáng)大的二次開(kāi)發(fā)功能和豐富的工具箱，能快速而準(zhǔn)確的對(duì)電路及更復(fù)雜的電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真、計(jì)算。 圖 三相故障模塊參數(shù)（單相接地短路） 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 27 圖 A 相接地短路電壓 圖 A 相接地短路電流 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 28 5 結(jié)論 本論文介 紹了電力系統(tǒng)故障和 Matlab/Simulink 的基本特點(diǎn)，探索了電力系統(tǒng)故障中最常見(jiàn)的短路計(jì)算一些常用的計(jì)算方法，和 Matlab 應(yīng)用的基本方法和步驟，在 Matlab 軟件中電力系統(tǒng)仿真如何應(yīng)用 SimPowerSystems 模塊庫(kù)構(gòu)建電力系統(tǒng)故障的仿 真模型 并對(duì)其仿 真結(jié)果進(jìn) 行分析 ，得出一 下 結(jié)果 ： 應(yīng)用Matlab/simulink 進(jìn)行仿真分析的結(jié)果和理論計(jì)算的結(jié)果相差不大， Matlab 仿真工具是一種很實(shí)用的工具。 運(yùn)行仿真， 雙擊 Scope1 可以得到高壓供電系統(tǒng)變壓器低壓側(cè)母線(xiàn)的單相接地故障電流波形如圖 所示。 運(yùn)行仿真，雙擊 Scope 可以得到高壓供電系統(tǒng)變壓器低壓側(cè)母線(xiàn)的單相接 地故障電壓波形如圖 所示。從圖中 可以發(fā)現(xiàn)，在 時(shí)刻之前，系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)， A、 B、 C 三相電流波形穩(wěn)定且均勻變化；在 秒時(shí)刻發(fā)生兩相短路故障， A、 B 兩相電流發(fā)生激增， C 相電流快速衰減為 0, 在 時(shí)刻切除故障， 系統(tǒng)又恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。從圖中可以看出，在 時(shí)刻之前，系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)， A、 B、 C 三相電壓波形穩(wěn)定且均勻變化；在 0. 02 時(shí)刻發(fā)生 A 、 B 兩相短路故障， A 、 B 相電壓變?yōu)樵瓉?lái)的二分之一，且電壓 幅值反向；在 時(shí)刻切除接地短路故障， A、 B、 C 三相電壓又恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。 圖 （兩相接地短路） 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 23 圖 AB兩相接地短路電壓 圖 AB兩相接地短路電流 （三） 兩相短路 分析 將三相短路故障發(fā)生器元件 ( ThreePhaseFaul t ) 中 故障相選擇 的 A、 B、 C 三相故障選中 A、 B 相，轉(zhuǎn)換時(shí)間 Transitiontimes (s) 設(shè)置為 [ ] ，對(duì)應(yīng)的狀 態(tài)轉(zhuǎn)換 Transitionstatus 設(shè)置為 [1 0] , 其中 1 表示閉合， 0 表示斷開(kāi)；在三相電壓電流測(cè)量模塊 (ThreePhaseVIM easurement)中選擇相電壓和電流作為測(cè)量電氣量。 運(yùn)行仿真，雙擊 Scope1 可以得到兩相 接地 短路故障電流波形如圖 所示。 運(yùn)行仿真，雙擊 Scope 可以得到供電 系統(tǒng)變壓器低壓側(cè)母線(xiàn)的兩相 接地 短路故障電壓波形如圖 所示。仿真波形的數(shù)值與理論計(jì)算值相比存在一定的誤差，這主要是由電源模塊的內(nèi)阻造成的，可以通過(guò)更改電源模塊的內(nèi)阻值來(lái)縮北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 20 小仿真值與理論值的誤差。 為了得到仿真圖中的準(zhǔn)確數(shù)值，以三相短路的 A 相為例，可以在 MATLAB 的主命令窗口中輸入下列命令來(lái)顯示故障相的電流數(shù)據(jù)。在 時(shí)刻，高壓供電系統(tǒng)變壓器低壓側(cè)電路發(fā)生三相短路故障， A、 B、 C 三相電流均發(fā)生劇烈變化，由于三相電路相電流之間存在相位差，因而故障點(diǎn)各相電流波形上升或者下降。 運(yùn)行仿真后，雙擊 Scope1 可以得到高壓供電系統(tǒng)變壓器低壓側(cè)母線(xiàn)的三相短路故障電流波形如 圖所示。 從圖 中可以看出，在 時(shí)刻之前， 時(shí)刻之后系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)下，各相電壓都很大；在 時(shí)刻發(fā)生短路故障后，各相電壓均快速降低。 (一 )三相 短路分析 將三相短路故障發(fā)生器元件 (ThreePhaseFault)中 故障相選擇 的 A、 B、C 三相故障全部選中，轉(zhuǎn)換時(shí) Transitiontimes(s) 設(shè)置為 [ ] ，對(duì)應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換 Transiti onst atus 設(shè)置為 [1 0] ,其中 1 表示閉合， 0 表示斷開(kāi)；在三相電壓電流測(cè)量模塊 (ThreePhaseVIMeasurement)中選擇相電壓和電流作為測(cè)量電氣量。 ②當(dāng)三相故障模塊被設(shè)置為內(nèi)部控制模式（ internal control mode）時(shí)，其開(kāi)關(guān)時(shí)間（ switching times）和開(kāi)關(guān)狀態(tài)，均在該模塊的屬性參數(shù)對(duì)話(huà)框中進(jìn)行北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 19 設(shè)置。需要注意的是： ① 如果三相故障模塊被設(shè)置為外部控制（ External control）模式時(shí)，在模塊的封裝圖表中就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)控制輸入端。 如果 不設(shè)計(jì)接地故障，接地電阻（ Ground resistance） Rg 自動(dòng)被設(shè)置為106 ? 。三相故障模塊使用了三個(gè)獨(dú)立的斷路器，用來(lái)模擬各種對(duì)地或者相間故障模型。 圖 變壓器模塊的參數(shù) （五） 三相 電壓電流測(cè)量模塊 三相電壓電流測(cè)量模塊“ ThreePhaseVI Measurement”將在 變壓器低壓側(cè)測(cè)量到的電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成 Simulink 信號(hào)，相當(dāng)于電壓、電流互感器的作 用。 （ 3）雙 繞組三相變壓器 雙繞組三相變壓器的兩個(gè)繞組可以接成多種形式，如星形 Y、帶中性線(xiàn)的星形 Yn、 星形接地 Yg、三角形 11D （超前星形 30176。 （ 2） 標(biāo)么值參數(shù)系統(tǒng)介紹 為了便于工業(yè)應(yīng)用，通常要將有名值轉(zhuǎn)換為標(biāo)么值，而這需要知道相應(yīng)繞組的額定功率 （ Pn ， 單位 VA） 、額定電壓（ Vn ,單位 V）以及額定頻率（ fn ,單位Hz）。 ⑦ 效率：指次級(jí)功率 2P 與初級(jí)功率 1P 比值的百分比。 ⑥ 空載損耗：指變壓器次級(jí)開(kāi)路時(shí)在初級(jí)測(cè)得的功率損耗。 ④ 電壓比：指變壓器初級(jí)電壓和次級(jí)電壓的 比值，有空載電壓比和負(fù)載電壓比的區(qū)別。 ② 額定頻率：在規(guī)定的頻率和電壓下，變壓器能長(zhǎng)期工作，而不超過(guò)規(guī)定溫升的輸出功率。按電源相數(shù)來(lái)分，變壓器單相、三相和多相幾種形式。 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 15 圖 （三） 三相線(xiàn)路模塊 圖 三相線(xiàn)路模塊參數(shù) （四） 三相變壓器模塊 （ 1） 變壓器模塊 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 16 變壓器模塊是變換交流電壓、電流和阻抗的器件，當(dāng)初級(jí)繞組中通有交流電流時(shí)，鐵心（或磁心）中便產(chǎn)生交流磁通，使次級(jí)線(xiàn)圈中感應(yīng)出電壓（或電流）。 三相電源模塊參數(shù)設(shè)置包含 7 個(gè)選項(xiàng)，分別是相電壓（ PhasetoPhase rms voltage），表征的是三相電源 A 相、 B 相和 C 相的相電壓； A 想相角（ phase angle of phase A），單位是度（ degrees）；頻率（ Frequency）；內(nèi)部連接方式（ Internal connection）；短 路阻抗值（ Specity impedance using shortcircuit level），用來(lái)設(shè)定在短路情況下的阻抗數(shù)值；三相電源電阻（ Source resistance）；三相北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 14 電源電感；其中，內(nèi)部鏈接方式有 3 種，分別是： Y 型，表示中性點(diǎn)不接地； Yn型，表示中性點(diǎn)接地電阻或消弧線(xiàn)圈接地； Yg 型，表示中性點(diǎn)直接接地。k??? ? ?????? ? ?（ ） （ ） （ ） （ ） 時(shí)間常數(shù) aT 為： aTT = ( 3 10 )L ) ) T LL R R s s? ? ?? ? ? ? ??????? ??????? ??????? ???? ?（ 則短路沖擊電流為： 0 . 0 1 0 . 0 2 1 1 ( 3 1 1 )()1 1 . 6 2 2 5 1 7 . 3im mmi e I I k A??? ? ? ?? ???????????????????????????????? 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 13 4 電力系統(tǒng)故障仿真 三相短路 系統(tǒng)仿真模型及各模塊參數(shù)設(shè)置 圖 系統(tǒng)仿真模型 （一） 三相 電源 模塊 三相電源原件是電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最常見(jiàn)的電路原件，也是最重要的原件，其運(yùn)行特性對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)起到?jīng)Q定性的作用。根據(jù)給定的參數(shù)計(jì)算可得 ， 1 0 . 1 7LR rl ?? ? ? ??? ? ? ? ?? ? ? ???????????????????????????????????????????????? ? ? ?? ?? LL1 =X = = L H 4 H202 50LXX l ? ? ?? ? ??? ? ? ? ? ??? ?? ? ? ? ??? 得到以上 的電力系統(tǒng)參數(shù)后，可以首先計(jì)算出在變壓器低壓母線(xiàn)發(fā)生三相短路故障時(shí)短電流周期分量幅值和沖擊電流的大小。 LS TfLoad 圖 計(jì)算： 變壓器 T 采用“ Threephrasetransformer（ Two Windings）”模型。變壓器的額定容量20NS MV A??， 短路電壓 sU ??????，短路損耗 135sP kW?? ， 空載損耗 ?? ，空載電流 ?? ，變比 110 11Tk ??，負(fù)載 5S MW? ， 高低壓繞組均為 Y 形聯(lián)接；并設(shè)供電點(diǎn)電壓為 110kV。 電力系統(tǒng)故障 分析 計(jì)算 算例：假設(shè)無(wú)窮大功率電源供電系統(tǒng)如圖 所示， 時(shí)刻變壓器低壓分母線(xiàn)發(fā)生三相短路故障，仿真其短路電流周期分量幅值和沖擊電流的大小。 短路電流計(jì)算的基本步驟 在進(jìn)行短路電流計(jì)算前，應(yīng)根據(jù)計(jì)算的目的搜集有關(guān)資料，如電力系統(tǒng)接線(xiàn)圖、運(yùn)行方式、各元件的技 術(shù)數(shù)據(jù)等。所選的短路點(diǎn)一定要是各種短路類(lèi)型是最嚴(yán)重的情況， 因?yàn)?只要這樣才能得出變壓器中性點(diǎn)的最大入地電流，算出后才能進(jìn)行接地電阻允許值的計(jì)算。若發(fā)電機(jī)出口的兩相短路或中性點(diǎn)直接接 地系統(tǒng)及自耦變壓器等回路中的單相、兩相接地短路較三相嚴(yán)重時(shí)，則應(yīng)按嚴(yán)重情況計(jì)算。確定短路電流時(shí)，應(yīng)按可能發(fā) 生最大短路電流的正常接線(xiàn)方式，而不應(yīng)按僅在僅在切換過(guò)程中可能并列運(yùn)行的接線(xiàn)方式； （ 2）在電氣網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)考慮具有反饋?zhàn)饔玫漠惒诫妱?dòng)機(jī)的影響； （ 3）選擇導(dǎo)體和電器時(shí)，對(duì)不帶電抗器回路的計(jì)算短路點(diǎn)應(yīng)選擇在正常接線(xiàn)方式時(shí)短路電流為最大的地點(diǎn)。電氣角； （ 4） 電力系統(tǒng)中各原件的磁路不飽和，即帶鐵芯的電氣設(shè)備電抗值不隨電流大小變化； （ 5） 電力系統(tǒng)中所有電源都在額定負(fù)荷下運(yùn)行，其中 50%負(fù)荷接在高壓母線(xiàn)上， 50%負(fù)荷接在系統(tǒng)側(cè)； （ 6） 同步電機(jī)都具 有自動(dòng)調(diào)整勵(lì)磁裝置（包括強(qiáng)行勵(lì)磁）； （ 7） 短路發(fā)生在短路電流為最大值的瞬間； （ 8） 不考慮短路點(diǎn)的電弧阻抗和變壓器的勵(lì)磁電流； （ 9） 除計(jì)算短路電流的衰減時(shí)間常數(shù)和低壓網(wǎng)絡(luò)的短路電流外，元件的電阻都略去不計(jì)； （ 10） 元件的計(jì)算參數(shù)均取其額定值，不考慮參數(shù)的誤差和調(diào)整范圍； （ 11） 輸電線(xiàn)路的電容略去不計(jì)； （ 12） 用概率統(tǒng)計(jì)法制定短路電流運(yùn)算曲線(xiàn)。 短路計(jì)算的目的是為了選擇導(dǎo)體和電器，并對(duì)其進(jìn)行相關(guān)校驗(yàn)。在標(biāo)么值參數(shù)計(jì)算方面，在選取各級(jí)平均電壓做為基準(zhǔn)電壓時(shí)，忽略各元件 (電抗器除外 )的額定電壓之比，即所有變壓器的標(biāo)么變比都等于 1。在近似北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 9 計(jì)算中主要是對(duì)系統(tǒng)元件模型和標(biāo)么值參數(shù)計(jì)算做了簡(jiǎn)化處理。 短路計(jì)算的基本原則和規(guī)定 電力系統(tǒng)三相短路計(jì)算主要是短路電流周期分量的計(jì)算，在給定電源電勢(shì)時(shí)，實(shí)際就是穩(wěn)態(tài)交流電路的求解。三相短路的幾率是很小的，但這并不說(shuō)明三相短路無(wú)關(guān)緊要，相反對(duì)三相短路應(yīng)該加以 重視，因?yàn)槿喽搪返那闆r最嚴(yán)重