季小沫电力系统故障分析与仿真
3.4.1 短路的后果
(1) 短路时产生很大的电动力和很高的温度，而使故障元件盒短路电路中的其他原件受到损害和破坏，甚至引发火灾事故。
(2) 短路时的电压骤降，严重影响电气设备的正常运行。
(3) 短路时的保护装置动作，将故障电路切除，从而造成停电，而且短路点越靠近电源，停电范围越大，造成的损失也越大。
(4) 严重的短路要影响电力系统运行的稳定性，可使并列运行的发电机组失去同步，造成系统解列。
(5) 不对称短路包括单相短路和两相短路，其短路电流将产生较强的交变磁场，对 附近的通信线路电子设备等产生电磁干扰，影响其正常运行，甚至使其发生误动作[5]。 3.4.2 中性点的运行方式比较
(1) 中性点直接接地的运行方式正常运行时，三相电源电动势对称，中性点为地电位。当发生单相接地时，构成短路电流回路。此时，电力系统有以下的特点：短路回路中的短路电流很大，中性点的电位保持不变，仍为地电位。
(2) 中性点不接地方式 当发生单相接地是，例如A相为地电位，则中性点对地电压为即中性点的电压上升为相电压，中性点的电位发生偏移，非故障相对地电压升高为
线电压，流过接地电流为电容性电流，等于正常运行时一相电容电流的3倍。
(3) 中性点经消弧圈接地的运行方式和中性点不接地的运行方式一样，在发生单相接地时，非故障相的对地电压升高到线电压，线电压间仍为三相对称关系[6]。 3.4.3 供电的可靠性比较
（1）当电力系统发生单相接地时，对于中性点直接接地系统，接地相会产生很大的短路电流。为了防止损坏设备，需要由继电保护装置迅速将故障线路切除，以保证系统中非故障部分的正常运行，这样会造成对用户供电的中断，所以其供电可靠性低。
对于中性点不接地系统或经消弧圈接地的系统，接地相的电流不大，不会对设备造成伤害，同时线电压仍为三相对称，系统仍可以继续运行。此种情况下，继电保护装置仅发信号， 而不动作于断路器跳闸，提高了供电的可靠性。可在运行中找出并消除故障，自动回复正常运行。
(2)对绝缘的要求
对于中性点直接接地系统，由于中性点电压保持地电位，当发生单相接地故障时，相对地电压仍为相电压，绝缘仅按相电压考虑，对绝缘水平的要求较低。
对于中性点不接地系统或经消弧圈接地的系统，当发生单相接地故障时，中性点电压升高到相电压，非故障相对地电压升高为线电压，故对绝缘水平的要求较高。
(3)不接地与经消弧圈接地方式的比较
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电力系统故障分析与仿真
电力系统瞬时性单相接地故障多表现为经电弧接地。对中性点不接地系统，如果流过但路店电弧通道的固有接地电流不大，电弧可以自行熄灭，系统又从新恢复正常。但当电流超过某一限制值时，可能产生间歇性电弧或稳定燃烧电弧。间歇性电弧在系统中会引起电弧过电压，过电压的数值随着电弧重燃次数的增加而增加，实测表明，非故障相达到3.2倍相电压时，危及电网绝缘[7]。
经消弧圈接地能解决上述问题。在发生单相接地时，利用消弧圈产生的电感电流补偿容性电流，使通过电弧通道的电流减小，电弧自行熄灭，消除了电弧接地过电压。
无限大系统中发生两相短路的电路图1所示： 无输电线的单机—无穷大系统原理图2所示：
图3 两相短路 图4单一无穷大原理图
图5 三相短路 图6 单相短路
无限大容量电力系统中发生三相短路的三相电路图，等效单相电路图分别如图5，6所示：
3.5 短路点选择原则
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电力系统故障分析与仿真
短路计算点是指在正常接线方式时，通过电器设备的短路电流为最大的地点。所选的短路点一定要是各种短路类型是最严重的情况，因为只要这样才能得出变压器中性点的最大入地电流，算出后才能进行接地电阻允许值的计算。而且一般不止选择一个短路点，而是通常选择2～3个分别进行计算，然后将计算结果进行比较。
3.6 短路电流计算的基本步骤
在进行短路电流计算前，应根据计算的目的搜集有关资料，如电力系统接线图、运行方式、各元件的技术数据等。进行计算时，首先作出计算电路图，再根据计算电路图对各短路点作出等值电路图；然后利用网络简化规则，将等值电路逐步简化，求出短路回路总电抗；最后根据总电抗可求出短路电流值。
3.7 电力系统故障分析计算
算例：假设无穷大功率电源供电系统如图7所示，0.02s时刻变压器低压分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。线路参数为L=50KM，
X1=0.4Ω/KM，r1=0.17Ω/KM;变压器的额定容量SN?20MV?A，短路电压
Us?????，短路损耗??Ps?135kW，空载损耗Io??0.8，空载电流Io??0.8，
变比kT?110?11，负载S?5MW，高低压绕组均为Y形联接；并设供电点电压为110kV[8]。
LoadSLTf
图7 无穷大功率电源供电系统
计算：
变压器T采用“Three-phrase-transformer（Two Windings）”模型[9]。根据给定的数据：
变压器的电阻为：
2?PsUN3????110?103???????????????????????????????????????????????RT??10?2SN200002 (1) 变压器的电抗为:
22Us?UNXT??S?103??10.5?110?103????????????????????????????????100100?20000N (2) 则变压器的漏感：
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电力系统故障分析与仿真
L??x??(2?f)?63.53???H?0.202H????????????????????????????????????3?????????2?3.14?50?? (3)
变压器的励磁电阻为：
2UN2Rm??P?103?=110??103??=5.5?105?????????????????????????????????????????22o (4) 变压器的励磁电抗为：
2100UNxm?I?S?103??100?1102??103????????????????????????????????????????0.8?2000?oN (5)
变压器的励磁电感为：
Lm?xm?(2?f)?算可得，
75625H?240.8H???????????????????????????????????(3?6)2???14?50 (6)
输电线路L采用“Three-Phase series RLC Branch”模型[10]。根据给定的参数计
RL?r1?l?0.17????????????????????????????????????????????????????????????????? (7)
XL?X1?l?0.4?50??????LL=XL????=20H=0.064H ?????2?3.14??? (8)
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电流周期分量幅值和冲击电流的大小。 短路电流周期分量的幅值为：
Im=Umk?2?110?3?10 =A2222（2.08+8.5）+（63.5+20）（R??RL）+（X?+XL） =10.63kA ????? (9)
·时间常数Ta为：
Ta=（LT?LL)??RT?RL)?0.202?0.064s?0.0211s????????????????????????(3?10)4.08?8.5 (10)
则短路冲击电流为：
iim?(1?e?0.01?0.0211)Im?1.6225Im?17.3kA????????????????????????????????(3?11) (11)
4. MATLAB的电力系统仿真
4.1三相系统的仿真模型及各模型参数设置
仿真模型的搭建如图7：
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ContinuouspowerguiABCABCABCScopeABCScope1ABCabcAVabcIabcBabCcABC 图7 仿真模型图
图8 三相电源参数设置图
参数的详细设置：
（1）三相电源（three-phase source）参数的设置：
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