杨德聪
身份证号码：440681198204051213
摘要：供电网在人们的生产与生活中都发挥着重要的作用，在电能通过高压输电线路传送的过程中，可能会可能发生故障（短路、断路等），本文运用MATLAB与ATP建模与仿真，进而了解更多的故障方式，以防患于未然。
关键词：输电线路；短路；断路
前言
在整个电网中，输电线是电力传输的重要部分，也是电力系统故障最易发生的一个环节。大多数的故障是由于输电线的短路引起的。在发生短路故障的情况下，电力系统从一种状态剧烈变化到另一种状态，产生复杂的暂态现象。本文通过MATLAB与ATP建模与仿真进行仿真对输电线路的故障进行分析。
1.短路故障分析
短路是电力系统的严重故障，在三相电力系统中，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。
电力系统的所有一次设备在运行过程中由于外力、绝缘老化、过电压、误操作、设计制造缺陷等原因会发生如短路、断线等故障。最常见同时也是最危险的故障时发生各种类型的短路。在发生短路时可能产生以下后果：
（1）通过短路点的很大短路电流和所燃起的电弧，使故障元件损坏。
（2）短路电流通过非故障元件，由于发热和电动力的作用使其损坏或缩短其使用寿命。
（3）电力系统中部分地区的电压大大降低，使大量的电力用户的正常工作遭到破坏或产生废品。
（4）破坏电力系统中各发电厂之间并列运行的稳定性，引起系统震荡，甚至使系统瓦解。
电力系统的运行经验表明，在各种类型的短路中，单相短路占大多数，两相短路较少，三相短路的机会最少。单相故障是最为常见，最易于发生的故障。对于单相短路故障的研究已经做了很多。本文仅以两相短路接地故障为例进行仿真分析。
2.MATLAB与ATP建模与仿真对比分析
MATLAB是功能强大的仿真软件，SIMULINK在电力系统中的应用也是极为广泛，其功能这里不再赘述。
ATP（选择性暂态程序）是EMTP的免费版本，ATP中提供了大量的元件模型，同时支持自建模型设立。同时ATP得到众多软件程序的支持。这些软件为电力系统建模提供了强大的支持，使其成为进行电力系统研究的主流软件。ATP软件包括一系列的应用程序：包括预处理软件ATPDraw、绘图程序plotxy、mtplot等、数据转换程序Converter、电力线缆程序LCC等。
2.1 MATLAB仿真故障点电压模型建立与实现
在MATLAB软件中运行Simulink Library Browser建立输电线路短路故障模型。在电力系统的故障中，可能发生短路有电相接地短路、两相短路、两相接地短路和三相短路四种，以两相接地短路为例进行参数设置。在设置三相故障发生器参数对话框里，选择A、B两相短路接地故障，故障发生时间是0.02 s ～0.04 s。
将故障点ABC三相的电压作为测量电气量。点击仿真按钮，在0.02 s～0.04 s之间故障发生器AB两相发生短路故障，故其电压理论上应该为零；C相没有发生故障电压正常，在0.04 s以后相当于故障切除，故电压波形理论上恢复正常，从实际情况出发电压在恢复正常之前有一个电压短时间的波动作为缓冲。
通过电压波形图可以看出在0.04 s故障被切除后电压并没有瞬间恢复正常，而是通过短时间的电压波动，这也正与上面的理论分析相符。
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2.2 ATP仿真故障点电压模型的建立与实现
ATP软件在高压仿真方面的有着独特的优势，其仿真精度高、波形清晰。打开ATPDraw建立输电线路短路故障模型。
模型中所用短路开关是三相短路开关，可以单独设置每一相的通断。接地故障是通过设置短路开关的打开和关闭时间来实现的。又通过电压表和电流表来监视输电线路的电压的动向。为了与MATLAB仿真效果图进行对比分析，设置短路开关的AB两相在0.02 s～0.04 s时，闭合开关，来模拟线路接地故障。在0.04 s以后短路开关断开相当于故障切除，电压理论上恢复正常。
电压源采用110 kV的高电压，输电线1、2设置相同参数。设置电压表测量故障点的三相电压，通过仿真模型得出故障点电压的仿真波形，如图2所示。
分析故障点电压波形图，可以了解到，电压波形的在故障排除后逐渐趋于稳定的过程，图中波形可以清晰的看到AB两相在0.02 s时电压变为零，到0.04 s以后电压有逐渐恢复的全过程。
通过两种软件仿真波形对比来看，ATP软件在清晰度和精确度方面要比MATLAB强。如此在高电压等精确度要求较高的仿真更适合用ATP软件，但值得注意的是ATP软件在仿真过程中对元器件参数的要求比较严格，对于那些精确度要求不是很高的情况用MATLAB也是非常不错的。不过在波形图输出方面ATP的波形图更清晰。
3.中性线断路的危害及原因分析
在供电系统运行过程中，中性线由于热效应、机械力、接头氧化或外力影响等因素，均可发生断路故障。中性线一旦断路，由于没有中性线导通不平衡电流，负荷中性点将产生严重位移，造成三相供电电压严重不平衡。在三相四线不平衡供电系统中，中性线断线，负荷中性点将向负荷大的那相位移，负荷大的那相电压降低了，而负荷小的相电压升高了，三相负荷不平衡程度愈严重，负荷中性点位移量就越大。负荷端相电压对称性被破坏，出现了不同程度的不平衡。经常遇到的中性线断路事故中，负荷大的那相电压可降低30～60V，使灯泡发红，日光灯和家用电器起动不起来；而负荷小的那相则相电压可升高到300V左右，大大超过了家用电器的额定电压，此时若熔断器熔体没有熔断，将使家用电器被烧毁，造成不应有的损失。若在中性线断线时发生了相线对地短路，则中性点位移会更大。在低压接中性线保护系统中若发生中性线断路事故，就等于电器设备失去了保安措施，电器设备一旦漏电，人体触及家用电器外壳将会造成人身触电，起不到应有的保护作用。由此可见在低压供电系统中中性线断路危害是十分严重的，应该引起人们足够的重视。
中性线断路原因有很多，归纳起来主要有以下几种：
（1）三相负荷严重不平衡，使中性线电流过大超过中性线的额定电流，致使中性线烧毁。因为中性线的设计面积仅为相线截面的1/2甚至1/3；
（2）中性线接触不良导致接触电阻大而发热，随着时间的延长引起中性线路断路；
（3）电力变压器二次侧内部中性线引出线断路或中性线接线柱与导线连接不良引起中性线路断路；
（4）一些非线性负荷（如微波炉、电子镇流器、等等）三次谐波很大，最大将超过30%额定电流。加上三相负载不平衡，中性线的电力过大可达2倍多额定电流，致使中性线被烧断；
（5）其他原因（如大风、冰雪、碰撞电线杆等等原因）造成中性线断路；
（6）人为破坏造成中性线断路。
4.总结语
电力生产的任何一个环节发生事故，都可能带来连锁反应，造成人身伤亡、主设备损坏或大面积停电，甚至造成全网崩溃的灾难性事故。因此，对电力系统的输电线路的短路故障分析可以为电力安全生产提供重要保障。
参考文献：
[1]何仰赞，温增银.电力系统分析[M].武汉：华中理工大学出版社，2002
[3]吴天明.MATLAB电力系统设计与分析[M].北京：国防工业出版社，2004
论文作者:杨德聪
论文发表刊物:《基层建设》2015年15期供稿
论文发表时间:2015/12/25
标签：故障论文; 电压论文; 波形论文; 负荷论文; 电力系统论文; 相电压论文; 两相论文; 《基层建设》2015年15期供稿论文;