PAGEIII100KV供電電纜故障檢測計算及MATLAB仿真研究摘要整個電網由各種供電電纜構成，經常用于電力傳輸。此連接通常由于外部或內部因素而失敗，最常見的失敗原因是各種類型的輸電線的故障檢測。故障檢測對能源供應系統有特定影響。因此，檢測目標的錯誤接線可以不斷改善用于保護接線的保護設備，從而使保護設備可以更快，更準確地檢測故障檢測信號。同時，必須根據情況改變對策，以免影響供電系統。本文模擬了供電電纜傳輸過程中會遇到的故障問題，對其進行了建模和分析。一開始，對研究這個課題的原因進行了全面的敘述，以及這個課題目前的現景和意義，然后，第二章中對100千伏的供電電纜故障檢測進行了了數值上的檢測分析和計算處理，其中運用到了不對稱三相系統中的對稱分量法以及橫向不對稱故障的分析計算，同時，對100千伏的傳輸電纜故障進行了模擬，然后針對100千伏供電電纜中的各種故障問題使用了MATLAB進行建模仿真，檢測出各個輸電線里的故障問題，通過短路電流，電流和電流以及幅度和短路曲線等參數的波形來測量每個器件的角度，最后得到的結果與預計相符。關鍵詞：故障定位分析；100千伏電纜；MATLAB目錄摘要 I1緒論 11.1研究背景及意義 11.2研究現狀 11.3設計要求與目的 12100KV供電電纜故障檢測的分析計算 32.1不對稱三相系統中的對稱分量法 32.2橫向不對稱故障的分析計算 43實際工程理論理論計算分析 63.1單相接地故障檢測 63.2兩相相間故障檢測 63.3兩相短路接地故障 63.4三相故障檢測 74100KV供電電纜故障檢測模型建立與仿真 84.1MATLAB概述 84.1.1MATLAB軟件 84.1.2SIMULINK/SimPowerSystems介紹 84.2仿真模型的設計與實現 84.3仿真參數設置 94.4仿真分析 104.4.1三相短路分析 104.4.2兩相相間短路分析 14結論 19參考文獻 21PAGE151緒論1.1研究背景及意義隨著世界經濟的不斷發展，電力系統也是各國發展的重中之重，尤其是我國，目前，國內各個地方對供電的要求不斷提升，且大多都用供電電纜做為主要的設備進行傳輸，特別是最近這幾年，隨著城市的電網和農村的電網不斷的擴張和改造，城市用電和農村用店日益緊張，供電電纜的安全性，可靠性問題也日益突出。一旦供電電纜發生故障將對社會經濟和居民生活造成巨大影響，因此研究出高品質的供電電纜迫在眉睫，同時也對供電電纜的故障分析與檢測提出了要求，因此，我認為對供電電纜的故障定位與分析有如下意義：1.目前，國家各個鄉鎮的實力不斷上升，人口也越來越多，用電需求達到一個新的高峰，特別是最近幾年突然火起來的比特幣，讓很多人走上了挖礦的道路，在各地大肆新建礦場，電力缺將越來越大，可是，研究新的供電電纜進行電力傳輸需要大量的時間成本和金錢成本，所以在這種情況下，我們能做的就是更精準更方便的對供電電纜進行故障定位與分析，從而降低輸電線在傳輸電力的過程中發生故障的幾率，繼而減少給居民帶來的日常不便和經濟損失，所以，我們對輸電線在傳輸電力的過程中的故障點進行定位并且分析就非常重要。2.與此同時，我國100千伏的供電電纜大多數都已經老化的很嚴重，輸電線在傳輸電力的過程中發生故障的概率很高，其中，高電阻接地是最常見的故障發生原因，另外，高負荷也使得供電電纜的故障不斷發生，所以，對我國現在使用的供電電纜進行故障點定位與故障分析就顯得尤其重要。1.2研究現景一直以來，供電電纜的電力傳輸安全對整個國家電網來說都非常重要，所以現在世界上各個國家都很重視供電電纜的傳輸故障問題。相比于歐美的發達國家，中國在電纜建設這方面一直都處于落后狀態，針對這一情況，國家每年都投入大量資金，并且逐年加大投入，慢慢完善國家電網的建設與發展。并且在不久的將來，我國將全面完善國內的電網建設和線纜鋪設，加快各個地方的電力傳輸，在提高速度的同時，質量也在不斷提高，目前來看，在當前的傳輸過程中，供電電纜發生故障的幾率占所有故障的百分之六十五以上，在各種電纜故障中，單項接地短路故障是發生在電源線傳輸電力過程中次數最多的故障，但是經過大量實驗結果證明，最嚴重的是三相故障，造成的損失最大。更為嚴重的是，如果供電電纜在傳輸電力時有各種接地短路的情況發送，那么會有強大的電流對輸電線造成損傷，使輸電線無法使用，造成更多的經濟損失。當又兩個斷層在一起時，就稱之為復合斷層，這種情況下，線路的情況更復雜，對供電電纜的故障檢測與定位分析要求更高。1.3設計要求與目的這篇文章一開始先對國內外的電網供電系統進行了一個概述，簡單的說明了研究這個課題的原因，以及這個課題目前的現景和意義，然后說明了為什么要進行這項研究的要求和目的。接下來對100千伏的供電電纜進行了一個分析計算，其中運用到的計算方法有對稱分量法和橫向不對稱分析計算。在實際理論計算分析中，還使用了單項接地故障檢測、兩項相間故障檢測、兩項短路接地故障以及很重要的三相故障檢測。同時對100千伏供電電纜故障檢測進行了模擬，然后本文對工科中常見的一個軟件MATLAB中的一些演示工具進行了一個簡單的介紹和概括，并且使用MATLAB軟件工具將高壓輸電中的對稱短路以及不對稱短路等出現的問題進行了模擬和數據處理分析。并通過諸如電流，短路電流，電流和電流以及幅度和短路曲線等參數的波形來測量每個組件的角度，最終得到的結果與預計的相符合。2100KV供電電纜故障檢測的分析計算2.1應用于故障（不對稱）三相系統的對稱分量法組成方法：將基本三相組分為三個三維組，或將三個三維組合并到一組三相相量組里面。在任意三相系統中，只要是不對等的三相量就只能分成三組對等的特征分量。這些特征分量則是由以下三個分量組合而成：首先是零分量：如下圖所示，它由一個有限的周期和相同的周期組成。然后是正分量：三相體積的振幅等同于他的正分量，并且彼此相距120度。這對應于有些正常的系統級別層次結構。從下圖可以看出，在正分量中，每個分相之前距離一百二十度，相互平衡，所以，它也是一個穩定的三相系統，正序分量又稱為順勢分量。最后是負分量：三個分相量擁有方向相同長度相等的負分量，其中周相差為一百二十度。相序與正對稱模式成反比，正對稱模式為負序分量。根據下圖可以看出，負分量同時類似于一個穩定的三相系統。負分量還可以稱之為反分量[3]。（a）零序分量（b）負序分量（c）正序分量圖2-1三組對稱分量在正分量中有下列公式一直成立：，（2-1）式中：（2-2）顯然有：，負分量的總關系：，（2-3）空序列成分的關系：（2-4）2.2橫向不對稱故障的分析計算接下來，根據下圖的接線方法來討論。上面的圖中制作出了相符的數值相等的三序網絡圖。所用到的公式有：（2-5）就正序網絡的故障端口而言，發生故障的設備之前的電壓讀取階段也是戴維寧等效。在計算靜態時，需要使用穩態功率來計算網絡功率。使用瞬態電壓或瞬態距離計算網絡中電流傳輸值。圖2-2系統接線圖圖2-3正、負、零序等值網絡圖對于相線和地線之間的短路，假設A相是地線和地線之間的短路，那么可以得出短路時的約束公式為：；（2-6）將其變成對稱的組件關系：（2-7）由此可見，單相接地短路時會產生零序電壓。從上面等式可以看出，當A接地時，選擇參考相位作為該相位，并且故障點處的順序電壓與b和c相之間的關系如上面等式。同樣，如果b接地，則選擇參考相B，如果c接地，則選擇參考相C。參考相的順序電壓和順序電流之間的關系也如上述等式。3實際工程理論理論計算分析3.1單相接地故障檢測根據本設計提供的信息，如果電源線中發生單相接地短路，則電源線的電壓范圍為100KV。由于每條電源線的長度為100KM，接地容量為F/KM，因此當檢測到故障時，電源線的中心電流為：（3-1）（3-2）（3-3）當發生相故障時，接地故障是零序電流的3倍。在整個過程中使用兩條相同長度的電線，電流如下：（3-4）3.2兩相相間故障檢測當在線路中進行定期故障檢測時，只有分量和負相，而沒有零分量。故障短路電流如下：（3-5）3.3兩相短路接地故障如果傳輸電纜發生兩相接地短路故障的情況時，則出現在故障中的正序元素為：（3-6）3.4三相接地故障當傳輸電纜在傳輸電力中出現三相故障時，因三相短路時不存在負分量，零分量，所以我們得出短路電流公式如下：（3-7）·

4供電電纜故障檢測的相關模型建立與實現4.1對MATLAB的概括本文所用軟件是工科中常用的MATLAB軟件，此軟件經常在實驗中被使用4.1.1MATLAB軟件MATLAB是現在科學家和研究人員最廣為使用的一個東西，在各種工科實驗中都少不了它的身影，它可以幫助科研人員更方便、更快捷的去理解數據，查看結果，同時MATLAB對圖片處理的速度也很快，而且有多種處理圖片的方法，它可以將數值化為圖片，方便學生老師和科研人員去修改和更改大量的數據。4.1.2SIMULINK/SimPowerSystems介紹SIMATINKMATLAB經常被用于動態實驗，仿真和分析以及集成到交互式調度工作中的無線虛擬化工具的集成開發環境。專用的SIMULINK組件庫包括子組件，例如通信組件庫，數字信號組件庫，電源組件庫。電氣系統組件庫包括電氣工程領域的基本組件模型，例如電子，電路分析和電氣系統、輸入指令和其他組件等[4]。4.2仿真模型的設計與實現用三相電壓源創建理想的仿真模型，為電路供電。電源電纜可以由具有分布式參數的電源電纜組成。傳輸線1的長度為10×10千米，電源線的長度為零，電源線2的長度為10×10千米。電源類型為Y型連接，并且2端型電源線在中性點接地。在下拉欄里可以選擇節點和其他組件，將它們放置在適當的位置，最后將所有器件連接。結果參照下圖。圖4-1恒定電壓源電路短路模型4.3仿真參數設置完成電路設計后，設置參數。如果斷路器配備了三相故障檢測器，則將短路時間設置為[0.010.04]。觀察接地短路的時間后進行相應的參數設置。（2）在菜單選項中，單擊菜單，以啟用指定的參數命令以顯示指定的對話框。根據估計的臨時處理時間，將模擬參數設置如下：開始時間：0；停機時間：0.1；類型：可變步長，ode15s（剛性/NDF）；最大步長：自動；最小步長：自動；初始步長：自動；相對公差：le-3；絕對公差：自動。在開始模擬實驗之前，需要為每個組件設置參數。4.4仿真分析4.4.1三相短路分析然后，在“三相故障檢測引擎”參數中選擇“三相故障”，并將其設置為“三相接地”選項。查看該圖并定義參數，執行后激活實驗，查看模型。（1）在選定的故障點測量A相電流。激活模擬后，圖4-1顯示了錯誤點處的當前波長。從圖4-2可以看出，在恒定條件下，三相故障檢測器處于開路狀態，因此故障點的電流為0A。三相故障檢測器會在0.01秒內關閉。此時，電路中將發生三個短路，并且電流相將發生故障。根據輸入狀態和電路閉合時的初始狀態，電流波形在故障位置向下移動。如果在0.04秒鐘內激活了三相故障檢測器，則解決了故障問題。同時，當故障點降至0A時，它會在A相中發生[5]。三相電流電流C圖4-2故障電流A、B、C和三相電流波形圖三相電流電流C當A相、B相和C相發生故障時，可以將電流用作可測量的電能。當仿真處于活動狀態時，下面的圖4-2展示了三相電流在故障點中的數據。（2）我們根據故障點中的A相點的電壓和測得的電量。圖4-3中所示的波形是誤差點處的A相電壓波形。在正常狀態下，三相電路故障檢測生成器的狀態為打開狀態，然后電壓的波動會將正弦波形慢慢恢復。當三相電路故障檢測生成器在0.01秒內關閉。此時，發生了三相短路，供電線纜中故障點的A相電壓突然變化，數值變成零。假設在0.04秒鐘內激活了三相故障檢測器，系統故障問題便可以得到解決。圖4-3故障點波形圖測量電壓并在故障點選擇C相電壓。當按下模擬開始鍵時，圖4-3顯示了錯誤點的C相電壓電流。查看圖4-3，我們可以得出以下結論：在穩定條件下，由于打開了三相故障檢測器，因此正弦波是故障點處的C相電壓。當三相電路故障檢測生成器在0.01秒內關閉時，發生三相短路，故障點的A相電壓變為零。如果在0.04秒鐘內激活了三相故障檢測器，則解決了故障問題。此時，電壓波動返回正弦波形。當A相、B相和C相發生故障時，可以將電流用作可測量的電能。當按下開始按鈕時，圖4-3顯示了錯誤點處測得的三相電壓數值和三相電流的數值。（3）電流波形圖。針對電源線的信號電流，挑出錯誤點處的A相、B相、C相的三相電流。激活仿真后，可以在圖4-4中看到電流波形。圖4-4的結果如下：在穩態下，三相故障檢測器處于打開狀態，因此三相電流以正弦模式變化。當三相故障檢測器在0.01秒內關閉時，三相電路會被交流電縮短，并且A相和B相電流會增加。當C相波形線下降時，三相故障檢測器將在0.04秒內啟動，從而解決故障。此時，電壓波動返回正弦波。在三相短路電流中，電流變化相對較慢，A相和B相電流趨于減小，C相電流趨于增大，并且三相電流的幅度較大[6]。圖4-4電源端三相電（流）壓波形圖（4）電源端電壓波形圖。如下圖顯示了電流波形。從下圖中可以看出，三相短路期間電源連接處的三相電壓變化不大。負正負正圖4-5故障點A相電流（正）負序分量波形圖如果A相，B相和C相都出現系統問題時，此時電流也可用作可測量的電能，可以將電流用作可測量的電能。向量選項會在故障位置選擇A相電流的負極元素以測量電場。當按下開始按鈕時，圖4-5顯示了故障點A相額定電流的電流分量。圖4-5的結果如下：在恒定條件下，由于三相故障檢測器處于關閉狀態，因此負相分量的大小就是故障點為零的當前相。三相故障檢測器在0.01秒內關閉，導致三相短路。在故障點上，A相的負分量將改變，幅度的正弦變化在20V時保持不變，并且相角將從大約180°減小到-180°。其次，如果電流的負極分量的幅度不斷變化，則達到0.06秒時該幅度將為零。如果電流負極元件的間隔角繼續變化，則它將在0.06秒后，在零這個數值逐漸穩定[7]。圖4-6故障點A相電流零序分量波形圖電量可以用矢量來測量，從而可以選擇故障傳輸電線中A相電流中的零分量。圖4-6顯示了故障點處沿A相電流順序的組件波形。圖4-6中的結果如下：在穩態條件下，三相電路的故障檢測器關閉，以使故障點處于當前相的零序分量大小。同時，三相故障檢測器將在0.01秒后停止工作，故障電線中將會有三相短路情況出現。系統故障處A相中的正分量中具有微小的波動，其振幅值為零。三相故障檢測器將在0.04秒內被激活，以糾正故障問題。此時，A相電流的零序分量保留在最終故障點0處，且異常平穩。 通過觀察系統故障處的三個相的電流可以測得電氣量。根據下圖可以看出模擬中系統故障處A相的三個正負分量波形圖。圖4-7故障點A相電壓（流）正序、負序和零序分量波形圖4.4.2兩相相間短路分析設置完電路圖和參數后，運行模擬電路程序，激活模型，得到波形圖。（1）系統故障處波形圖。可以通過系統故障處的A相電流測量電氣量，運行系統后，下圖為電流波形，通過下圖我們可以得出：如果在另外兩相中出現短路故障，那么故障處的電流數值保持原樣。三相電流故障點C故障點B故障點A三相電流故障點C故障點B故障點A圖4-8故障點A、B、C和三相電流波形圖選擇故障點B相電流作為測試電壓。在激活仿真后，圖4-8顯示了電流在錯誤點處的B波圖形。圖4-8中的結果如下：在穩態下，電流為0A，因為三相故障檢測器將在故障點切斷B相電流。當三相故障檢測器在0.01秒內關閉時，B相和C相短路，B相電流減小，波長改變。如果三相故障檢測器在0.04秒內打開，則故障得到糾正。此時，電流上升至0A[9]。測量電氣壓，然后在故障點選擇C相電壓。在按下仿真開始按鈕時，圖4-8顯示了錯誤點的C相電壓電流。查看圖4-8，我們可以得出以下結論：在穩定條件下，由于打開了三相故障檢測器，因此正弦波是故障點處的C相電壓。當三相電路故障檢測生成器在0.01秒內關閉時，發生三相短路，故障點的A相電壓變為零。如果在0.04秒鐘內激活了三相故障檢測器，則解決了故障問題。此時，電壓波動返回正弦波形。故障點的A相電流、B相電流和C相電流可用于功率測量。在激活仿真后，圖4-8顯示了錯誤點的三相電流，并得出以下結論：如果電路檢測到B相和C相兩個故障，則A相中的電流數值保持原樣，B相中的電流數值持續降低，C相中的電流數值增高[10]。（2）故障點的電壓波形圖。測出系統故障處的電壓。激活仿真后，圖4-9顯示了故障點的相電壓相位。其次，從圖4-9得出以下總結：A相是非故障相，同時，在兩相短路期間其波長不會發生顯著變化。CC圖4-9故障點A、B、C三相電壓波形圖通過系統故障處B相的電壓測量電氣壓。在激活仿真后，圖4-9顯示了錯誤點的C相電壓電流。其次，從圖4-9得出以下總結：由于斷開了三相故障檢測器，因此正弦波是故障點處的C相電壓。當三相電路故障檢測生成器在0.01秒內關閉時，發生三相短路，故障點的A相電壓變為零。如果在0.04秒鐘內激活了三相故障檢測器，則化解了故障問題。同樣的方法測出C相的電氣壓后，運行程序，上圖可以看出故障點的C相電壓電流。通過上圖我們不難可以得出結論：由于斷開了三相故障檢測器，因此正弦波是故障點處的C相電壓。當三相電路故障檢測生成器在0.01秒內關閉時，發生三相短路，故障點的A相電壓變為零。如果在0.04秒鐘內激活了三相故障檢測器，則解決了故障問題。此時，電壓波動返回正弦波形[11]。用上述測出電壓，選中系統缺陷處A相電壓、B相電壓和C相電壓。運行程序后，圖4-9顯示了故障點處的三相電壓電流。由圖4-9得出以下結果：當其中兩相的故障發生時，另外一相的電壓圖的波形會越來越高，另外兩相的電壓逐漸降低至零伏。（3）電流波形圖。對于發電端子的輸出信號電流，可以通過選擇A，B和C的三相電流來測量電壓。在運行程序后，圖4-10顯示了電流波形。從圖4-10獲得以下結果：在穩定條件下，A相不受影響。其次，當B相和C相短路時，波電流不變。三相故障檢測器在0.01秒內關閉，電路中的B相和C相短路，兩相電流開始轉變。此外，當B相波電流整體上增加并移動時，則C相波電流也會相同增加。如果在0.04秒鐘內激活了三相故障檢測器，則解決了故障問題。圖4-10電源端三相電流波形圖（4）目標電壓波形圖。對于端子的信號輸出，選擇三相電壓A、電壓B或C作為測量的功率。當按下仿真按鈕后，電壓電流如圖4-11所示。從圖4-11可以得出以下結論：當發生兩相短路時，變電站中的三相電壓會產生細微波動，其數值基本平穩。圖4-11電源端三相電壓波形圖圖4-12故障點A相電流正序分量波形圖（5）故障點A相電流分量波形圖。在故障位置選擇A相電流、B相電流以及C相電流。此時，可以將故障位置的A相電流的正相分量用作測得的電量。通過激活仿真后，圖4-12顯示了A相電流在錯誤點的分量氣泡電流。與此同時，我們還可以從圖4-12中得出以下結論：在穩態條件下，將關閉三相誤差搜索引擎，以使A相的正序分量幅值為零，相位角為零。當三相故障檢測器在0.01秒內關閉時，發生兩相短路狀況。當距離角下降到大約-90度時，它會穩定下來。其次，在0.04秒內，它將激活三相故障檢測器，從而解決故障問題。如果A相電流的正相分量的振幅繼續減小到0，則時間值變為0.06S。如果A相電流的正相分量的相角繼續減小到-180°，則時間值為0.06S[12]。

結論系統仿真技能已成為解決工程問題（尤其是大型和復雜系統）的主要方法的組成部分，并且已成為必不可少的工程工具。本文簡要介紹了如何