輸電線路短路和斷路的對比研究

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摘要：供電網在人們的生產與生活中都發揮著重要的作用，在電能通過高壓輸電線路傳送的過程中，可能會可能發生故障（短路、斷路等），本文運用MATLAB與ATP建模與仿真，進而了解更多的故障方式，以防患于未然。

關鍵詞：輸電線路；短路；斷路

前言

在整個電網中，輸電線是電力傳輸的重要部分，也是電力系統故障最易發生的一個環節。大多數的故障是由于輸電線的短路引起的。在發生短路故障的情況下，電力系統從一種狀態劇烈變化到另一種狀態，產生復雜的暫態現象。本文通過MATLAB與ATP建模與仿真進行仿真對輸電線路的故障進行分析。

1.短路故障分析

短路是電力系統的嚴重故障，在三相電力系統中，可能發生的短路有：三相短路、兩相短路、兩相短路接地和單相接地短路。

電力系統的所有一次設備在運行過程中由于外力、絕緣老化、過電壓、誤操作、設計制造缺陷等原因會發生如短路、斷線等故障。最常見同時也是最危險的故障時發生各種類型的短路。在發生短路時可能產生以下后果：

（1）通過短路點的很大短路電流和所燃起的電弧，使故障元件損壞。

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

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

（4）破壞電力系統中各發電廠之間并列運行的穩定性，引起系統震蕩，甚至使系統瓦解。

電力系統的運行經驗表明，在各種類型的短路中，單相短路占大多數，兩相短路較少，三相短路的機會最少。單相故障是最為常見，最易于發生的故障。對于單相短路故障的研究已經做了很多。本文僅以兩相短路接地故障為例進行仿真分析。

2.MATLAB與ATP建模與仿真對比分析

MATLAB是功能強大的仿真軟件，SIMULINK在電力系統中的應用也是極為廣泛，其功能這里不再贅述。

ATP（選擇性暫態程序）是EMTP的免費版本，ATP中提供了大量的元件模型，同時支持自建模型設立。同時ATP得到眾多軟件程序的支持。這些軟件為電力系統建模提供了強大的支持，使其成為進行電力系統研究的主流軟件。ATP軟件包括一系列的應用程序：包括預處理軟件ATPDraw、繪圖程序plotxy、mtplot等、數據轉換程序Converter、電力線纜程序LCC等。

2.1 MATLAB仿真故障點電壓模型建立與實現

在MATLAB軟件中運行Simulink Library Browser建立輸電線路短路故障模型。在電力系統的故障中，可能發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行參數設置。在設置三相故障發生器參數對話框里，選擇A、B兩相短路接地故障，故障發生時間是0.02 s ～0.04 s。

將故障點ABC三相的電壓作為測量電氣量。點擊仿真按鈕，在0.02 s～0.04 s之間故障發生器AB兩相發生短路故障，故其電壓理論上應該為零；C相沒有發生故障電壓正常，在0.04 s以后相當于故障切除，故電壓波形理論上恢復正常，從實際情況出發電壓在恢復正常之前有一個電壓短時間的波動作為緩沖。

通過電壓波形圖可以看出在0.04 s故障被切除后電壓并沒有瞬間恢復正常，而是通過短時間的電壓波動，這也正與上面的理論分析相符。

2.2 ATP仿真故障點電壓模型的建立與實現

ATP軟件在高壓仿真方面的有著獨特的優勢，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是三相短路開關，可以單獨設置每一相的通斷。接地故障是通過設置短路開關的打開和關閉時間來實現的。又通過電壓表和電流表來監視輸電線路的電壓的動向。為了與MATLAB仿真效果圖進行對比分析，設置短路開關的AB兩相在0.02 s～0.04 s時，閉合開關，來模擬線路接地故障。在0.04 s以后短路開關斷開相當于故障切除，電壓理論上恢復正常。

電壓源采用110 kV的高電壓，輸電線1、2設置相同參數。設置電壓表測量故障點的三相電壓，通過仿真模型得出故障點電壓的仿真波形，如圖2所示。

分析故障點電壓波形圖，可以了解到，電壓波形的在故障排除后逐漸趨于穩定的過程，圖中波形可以清晰的看到AB兩相在0.02 s時電壓變為零，到0.04 s以后電壓有逐漸恢復的全過程。

通過兩種軟件仿真波形對比來看，ATP軟件在清晰度和精確度方面要比MATLAB強。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軟件在仿真過程中對元器件參數的要求比較嚴格，對于那些精確度要求不是很高的情況用MATLAB也是非常不錯的。不過在波形圖輸出方面ATP的波形圖更清晰。

3.中性線斷路的危害及原因分析

在供電系統運行過程中，中性線由于熱效應、機械力、接頭氧化或外力影響等因素，均可發生斷路故障。中性線一旦斷路，由于沒有中性線導通不平衡電流，負荷中性點將產生嚴重位移，造成三相供電電壓嚴重不平衡。在三相四線不平衡供電系統中，中性線斷線，負荷中性點將向負荷大的那相位移，負荷大的那相電壓降低了，而負荷小的相電壓升高了，三相負荷不平衡程度愈嚴重，負荷中性點位移量就越大。負荷端相電壓對稱性被破壞，出現了不同程度的不平衡。經常遇到的中性線斷路事故中，負荷大的那相電壓可降低30～60V，使燈泡發紅，日光燈和家用電器起動不起來；而負荷小的那相則相電壓可升高到300V左右，大大超過了家用電器的額定電壓，此時若熔斷器熔體沒有熔斷，將使家用電器被燒毀，造成不應有的損失。若在中性線斷線時發生了相線對地短路，則中性點位移會更大。在低壓接中性線保護系統中若發生中性線斷路事故，就等于電器設備失去了保安措施，電器設備一旦漏電，人體觸及家用電器外殼將會造成人身觸電，起不到應有的保護作用。由此可見在低壓供電系統中中性線斷路危害是十分嚴重的，應該引起人們足夠的重視。

中性線斷路原因有很多，歸納起來主要有以下幾種：

（1）三相負荷嚴重不平衡，使中性線電流過大超過中性線的額定電流，致使中性線燒毀。因為中性線的設計面積僅為相線截面的1/2甚至1/3；

（2）中性線接觸不良導致接觸電阻大而發熱，隨著時間的延長引起中性線路斷路；

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

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

（5）其他原因（如大風、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.總結語

電力生產的任何一個環節發生事故，都可能帶來連鎖反應，造成人身傷亡、主設備損壞或大面積停電，甚至造成全網崩潰的災難性事故。因此，對電力系統的輸電線路的短路故障分析可以為電力安全生產提供重要保障。

參考文獻：

[1]何仰贊，溫增銀.電力系統分析[M].武漢：華中理工大學出版社，2002

[3]吳天明.MATLAB電力系統設計與分析[M].北京：國防工業出版社，2004