輸電線路短路和斷路的對(duì)比研究

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摘要：供電網(wǎng)在人們的生產(chǎn)與生活中都發(fā)揮著重要的作用，在電能通過(guò)高壓輸電線路傳送的過(guò)程中，可能會(huì)可能發(fā)生故障（短路、斷路等），本文運(yùn)用MATLAB與ATP建模與仿真，進(jìn)而了解更多的故障方式，以防患于未然。

關(guān)鍵詞：輸電線路；短路；斷路

前言

在整個(gè)電網(wǎng)中，輸電線是電力傳輸?shù)闹匾糠?，也是電力系統(tǒng)故障最易發(fā)生的一個(gè)環(huán)節(jié)。大多數(shù)的故障是由于輸電線的短路引起的。在發(fā)生短路故障的情況下，電力系統(tǒng)從一種狀態(tài)劇烈變化到另一種狀態(tài)，產(chǎn)生復(fù)雜的暫態(tài)現(xiàn)象。本文通過(guò)MATLAB與ATP建模與仿真進(jìn)行仿真對(duì)輸電線路的故障進(jìn)行分析。

1.短路故障分析

短路是電力系統(tǒng)的嚴(yán)重故障，在三相電力系統(tǒng)中，可能發(fā)生的短路有：三相短路、兩相短路、兩相短路接地和單相接地短路。

電力系統(tǒng)的所有一次設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中由于外力、絕緣老化、過(guò)電壓、誤操作、設(shè)計(jì)制造缺陷等原因會(huì)發(fā)生如短路、斷線等故障。最常見(jiàn)同時(shí)也是最危險(xiǎn)的故障時(shí)發(fā)生各種類型的短路。在發(fā)生短路時(shí)可能產(chǎn)生以下后果：

（1）通過(guò)短路點(diǎn)的很大短路電流和所燃起的電弧，使故障元件損壞。

（2）短路電流通過(guò)非故障元件，由于發(fā)熱和電動(dòng)力的作用使其損壞或縮短其使用壽命。

（3）電力系統(tǒng)中部分地區(qū)的電壓大大降低，使大量的電力用戶的正常工作遭到破壞或產(chǎn)生廢品。

（4）破壞電力系統(tǒng)中各發(fā)電廠之間并列運(yùn)行的穩(wěn)定性，引起系統(tǒng)震蕩，甚至使系統(tǒng)瓦解。

電力系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，在各種類型的短路中，單相短路占大多數(shù)，兩相短路較少，三相短路的機(jī)會(huì)最少。單相故障是最為常見(jiàn)，最易于發(fā)生的故障。對(duì)于單相短路故障的研究已經(jīng)做了很多。本文僅以兩相短路接地故障為例進(jìn)行仿真分析。

2.MATLAB與ATP建模與仿真對(duì)比分析

MATLAB是功能強(qiáng)大的仿真軟件，SIMULINK在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用也是極為廣泛，其功能這里不再贅述。

ATP（選擇性暫態(tài)程序）是EMTP的免費(fèi)版本，ATP中提供了大量的元件模型，同時(shí)支持自建模型設(shè)立。同時(shí)ATP得到眾多軟件程序的支持。這些軟件為電力系統(tǒng)建模提供了強(qiáng)大的支持，使其成為進(jìn)行電力系統(tǒng)研究的主流軟件。ATP軟件包括一系列的應(yīng)用程序：包括預(yù)處理軟件ATPDraw、繪圖程序plotxy、mtplot等、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序Converter、電力線纜程序LCC等。

2.1 MATLAB仿真故障點(diǎn)電壓模型建立與實(shí)現(xiàn)

在MATLAB軟件中運(yùn)行Simulink Library Browser建立輸電線路短路故障模型。在電力系統(tǒng)的故障中，可能發(fā)生短路有電相接地短路、兩相短路、兩相接地短路和三相短路四種，以兩相接地短路為例進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。在設(shè)置三相故障發(fā)生器參數(shù)對(duì)話框里，選擇A、B兩相短路接地故障，故障發(fā)生時(shí)間是0.02 s ～0.04 s。

將故障點(diǎn)ABC三相的電壓作為測(cè)量電氣量。點(diǎn)擊仿真按鈕，在0.02 s～0.04 s之間故障發(fā)生器AB兩相發(fā)生短路故障，故其電壓理論上應(yīng)該為零；C相沒(méi)有發(fā)生故障電壓正常，在0.04 s以后相當(dāng)于故障切除，故電壓波形理論上恢復(fù)正常，從實(shí)際情況出發(fā)電壓在恢復(fù)正常之前有一個(gè)電壓短時(shí)間的波動(dòng)作為緩沖。

通過(guò)電壓波形圖可以看出在0.04 s故障被切除后電壓并沒(méi)有瞬間恢復(fù)正常，而是通過(guò)短時(shí)間的電壓波動(dòng)，這也正與上面的理論分析相符。

2.2 ATP仿真故障點(diǎn)電壓模型的建立與實(shí)現(xiàn)

ATP軟件在高壓仿真方面的有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其仿真精度高、波形清晰。打開ATPDraw建立輸電線路短路故障模型。

模型中所用短路開關(guān)是三相短路開關(guān)，可以單獨(dú)設(shè)置每一相的通斷。接地故障是通過(guò)設(shè)置短路開關(guān)的打開和關(guān)閉時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)的。又通過(guò)電壓表和電流表來(lái)監(jiān)視輸電線路的電壓的動(dòng)向。為了與MATLAB仿真效果圖進(jìn)行對(duì)比分析，設(shè)置短路開關(guān)的AB兩相在0.02 s～0.04 s時(shí)，閉合開關(guān)，來(lái)模擬線路接地故障。在0.04 s以后短路開關(guān)斷開相當(dāng)于故障切除，電壓理論上恢復(fù)正常。

電壓源采用110 kV的高電壓，輸電線1、2設(shè)置相同參數(shù)。設(shè)置電壓表測(cè)量故障點(diǎn)的三相電壓，通過(guò)仿真模型得出故障點(diǎn)電壓的仿真波形，如圖2所示。

分析故障點(diǎn)電壓波形圖，可以了解到，電壓波形的在故障排除后逐漸趨于穩(wěn)定的過(guò)程，圖中波形可以清晰的看到AB兩相在0.02 s時(shí)電壓變?yōu)榱?，?.04 s以后電壓有逐漸恢復(fù)的全過(guò)程。

通過(guò)兩種軟件仿真波形對(duì)比來(lái)看，ATP軟件在清晰度和精確度方面要比MATLAB強(qiáng)。如此在高電壓等精確度要求較高的仿真更適合用ATP軟件，但值得注意的是ATP軟件在仿真過(guò)程中對(duì)元器件參數(shù)的要求比較嚴(yán)格，對(duì)于那些精確度要求不是很高的情況用MATLAB也是非常不錯(cuò)的。不過(guò)在波形圖輸出方面ATP的波形圖更清晰。

3.中性線斷路的危害及原因分析

在供電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，中性線由于熱效應(yīng)、機(jī)械力、接頭氧化或外力影響等因素，均可發(fā)生斷路故障。中性線一旦斷路，由于沒(méi)有中性線導(dǎo)通不平衡電流，負(fù)荷中性點(diǎn)將產(chǎn)生嚴(yán)重位移，造成三相供電電壓嚴(yán)重不平衡。在三相四線不平衡供電系統(tǒng)中，中性線斷線，負(fù)荷中性點(diǎn)將向負(fù)荷大的那相位移，負(fù)荷大的那相電壓降低了，而負(fù)荷小的相電壓升高了，三相負(fù)荷不平衡程度愈嚴(yán)重，負(fù)荷中性點(diǎn)位移量就越大。負(fù)荷端相電壓對(duì)稱性被破壞，出現(xiàn)了不同程度的不平衡。經(jīng)常遇到的中性線斷路事故中，負(fù)荷大的那相電壓可降低30～60V，使燈泡發(fā)紅，日光燈和家用電器起動(dòng)不起來(lái)；而負(fù)荷小的那相則相電壓可升高到300V左右，大大超過(guò)了家用電器的額定電壓，此時(shí)若熔斷器熔體沒(méi)有熔斷，將使家用電器被燒毀，造成不應(yīng)有的損失。若在中性線斷線時(shí)發(fā)生了相線對(duì)地短路，則中性點(diǎn)位移會(huì)更大。在低壓接中性線保護(hù)系統(tǒng)中若發(fā)生中性線斷路事故，就等于電器設(shè)備失去了保安措施，電器設(shè)備一旦漏電，人體觸及家用電器外殼將會(huì)造成人身觸電，起不到應(yīng)有的保護(hù)作用。由此可見(jiàn)在低壓供電系統(tǒng)中中性線斷路危害是十分嚴(yán)重的，應(yīng)該引起人們足夠的重視。

中性線斷路原因有很多，歸納起來(lái)主要有以下幾種：

（1）三相負(fù)荷嚴(yán)重不平衡，使中性線電流過(guò)大超過(guò)中性線的額定電流，致使中性線燒毀。因?yàn)橹行跃€的設(shè)計(jì)面積僅為相線截面的1/2甚至1/3；

（2）中性線接觸不良導(dǎo)致接觸電阻大而發(fā)熱，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)引起中性線路斷路；

（3）電力變壓器二次側(cè)內(nèi)部中性線引出線斷路或中性線接線柱與導(dǎo)線連接不良引起中性線路斷路；

（4）一些非線性負(fù)荷（如微波爐、電子鎮(zhèn)流器、等等）三次諧波很大，最大將超過(guò)30%額定電流。加上三相負(fù)載不平衡，中性線的電力過(guò)大可達(dá)2倍多額定電流，致使中性線被燒斷；

（5）其他原因（如大風(fēng)、冰雪、碰撞電線桿等等原因）造成中性線斷路；

（6）人為破壞造成中性線斷路。

4.總結(jié)語(yǔ)

電力生產(chǎn)的任何一個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生事故，都可能帶來(lái)連鎖反應(yīng)，造成人身傷亡、主設(shè)備損壞或大面積停電，甚至造成全網(wǎng)崩潰的災(zāi)難性事故。因此，對(duì)電力系統(tǒng)的輸電線路的短路故障分析可以為電力安全生產(chǎn)提供重要保障。

參考文獻(xiàn)：

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