2 电力系统短路故障简介
2.1 短路的基本概念
由于系统本身的复杂性导致发生故障的可能性较大，在所有故障当中，短路故障的发生概率比较高，所产生的危害也是比较大的。所谓短路就是指在电力系统不正常运行时候相与相之间或相与地之间（或中性线）之间的接通[1]。发生短路故障可能有许多方面的原因，主要有以下几个方面：（1）元件性能退化，例如绝缘材料在自然条件下暴露导致元件的本身所具有性能遭到损坏。（2）操作人员没有进行规范合理的操作，例如技术操作人员在进行操作前没有检查设备的状况是否适合运行，线路检修时改变了线路的状态，但检修之后并没有恢复线路正常运行所要求的状态就接入电力系统之中工作；（3）自然环境，例如在大风、冰雹或雪灾这样的极端天气下可能会引起架空线路倒塌；（4）其他的一些原因，例如由于某些地面下的道路工作使电缆受到了损坏，鸟兽的一些行为把裸露的导体连接起来。
短路故障分为单相接地短路、两相短路、两相接地短路和三相短路[2]。其中当发生三相短路时电路仍为对称电路，是一种对称短路；其余三类称为不对称短路，其中单相接地短路发生的概率最高，可达65%左右[3]。
表1 短路示意图和代表符号
短路种类
三相短路
两相接地短路
两相短路
单相接地短路
f
示意图
短路代表符号
f
(1,1)(3)
f f
(1)(2)
架空线路是电力系统里容易发生故障的部分，其中发生可能性最大的故障类
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型就是短路故障，近年来，我国统计的不同的电压范围内短路故障发生的相对次数如表2、表3。
表2 不同范围电压发生短路故障的几率
线路范围
在110KV线路上
容量为6000KW以上的发电机
110KV变压器
110KV母线
表3 110KV线路上各种类型短路故障几率 短路类型
三相短路
两相短路
两相短路接地
单相短路
发生几率
5.0% 4.0% 8.0% 83.0% 发生几率
78.0% 7.5% 6.5% 8.0%
从表3中可以看出单相短路发生的情况占绝大多数，许多的实际经验也证实了这一种现象。三相短路相对其他三种短路情况发生的概率相对小，但是带来的危害却是非常大的，有时甚至会导致整个电力系统的瘫痪，分析计算出三相短路电流，能够在很大程度上帮助技术人员更加合理的设计输电线路的保护装置，减少故障发生对我们生活带来的危害，所以我们必须认真分析三相短路故障。在某些时候，当发生不对称短路故障的时候，了解三相短路情况对分析处理不对称短路情况的有很大的帮助。
2.2 短路的危害
(1)当短路故障发生的时候，线路中的电流变大，电压下降。比如，当发
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电机端发生了短路故障的时候，定子绕组流过的故障短路电流有可能达到其额定电流的10倍甚至15倍，过大的短路电流和电流产生的电动力效应可能会使导体和绝缘遭到破坏。
(2)电力系统故障短路会导致电网的电压降低，一些用户的供电和用电设备也因此遭受到破坏。例如，异步电动机的电磁转矩和电压的平方成正比例关系，电压减小可能使电动机失步。
(3)不对称短路所引起的不平衡电流，会产生不平衡磁通，在邻近的平行通信线路内感应出电动势，干扰通信系统，威胁人身安全和影响设备正常运行。 (4)一旦发生短路故障可能会对电力系统的正常安全运行构成威胁，导致整个系统的崩溃。因为短路会导致电力系统功率分布不再是原本电路设计中的数据了，发电机的输出功率与输入功率也与原来的数据不一样了，并列运行的发电机失步，整个系统崩溃，用电负荷地区不能及时得到供电。
在设计和运行电力系统的时候，要采取合适的方法来减少短路故障发生的概率。比如，我们可以加强对电气设备的保养延缓设备的老化速度，最大程度确保设备安全运行，严格把关好设备质量，严肃处理违规操作，提高操作人员的专业性，减少人为失误的发生，确保人身安全。
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2.3 短路计算的目的
(1)选择满足电力系统要求的电气设备，如在选择互感器、断路器的一些电气设备的时候，选择的依据就是短路电流。例如，设备电动力稳定性的校验是以冲击电流为依据的；设备的其他性能指标也是以短路电流的周期分量为依据的。 (2)对系统的多种短路情况进行分析是进行正确地配置继电保护与自动装置、整定参数的前提。
(3)确定电气主接线方案的时候，了解短路故障发生时电力系统电流大小的变化，对采取合理的输电线路保护装置和对电力设备进行造价评估有很大的帮助，从而挑选出最合适的主接线方案。
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3 仿真软件
3.1 MATLAB的简介
MATLAB即MATrix LABoratory(矩阵实验室），是美国的The MathWork公司1984年推出的一种有关于科学与工程的计算机语言。MATLAB在三十多年的发展和竞争中由许多的数学家和软件专家对其进行研发，它的运行环境也在不断的发展变化，从早期的在DOS环境下发展到现在包括可以在Windows、UNIX及Mac OSX等很多个平台上运行。MATLAB在教学、科研和工业等各个方面也是非常受欢迎的。在大学学习中，MATLAB给高等教育中数学、自然等一些学科的学习和研究带来了很大的方便；在工业应用中，也是一个高效的开发和分析的工具。在MATLAB发展过程中，已经从一个简单的“矩阵实验室”演变成为了国际上最受欢迎的软件之一。它具有极高的通用性，适用范围越来越广泛。
与其它的计算机语言比较，MATLAB的一些特点：（1）相对比较简单，易于掌握。MATLAB虽然是一门编程语言，可是和其它的编程语言比较起来，它不需要定义变量和数组，这样使用起来会更加的便捷。MATLAB的本身适用性极强而且十分的人性化，用户只要具有一般的计算机语言基础，就能很好运用它。（2） 代码简短而且高效。MATLAB程序设计的语言集成度比较高，而且语句相对简短，某些程序用其它语言编写可能需要数百的语句，MATLAB可以简化程序所需编写的语句，利用十几条可能更少的语句就可以解决问题了。程序可靠性较高，易于维护，MATLAB的这一特点也使得解决问题的效率和水平在很大程度上得以提高。 （3）功能齐全，可扩展性极强。MATLAB软件由两个重要的部分组成，分别是基本部分和专业扩展部分。基本部分中包括了数值积分和各种变换、数据的计算、代数和超越方程的求解以及矩阵的运算等，能够满足一般科学计算的需求。专业扩展部分又称为工具箱（Toolbox），用来解决专业性很强的一些问题。MATLAB极强的拓展性使它能够很好的解决许多不同方面的问题。它所包含的大量的实用辅助工具箱具也满足了不同专业研究方向以及工程应用的需求。（4）强有力的图形表达能力。MATLAB本身具有非常多的图形表达函数，这样我们通过对图像的观察很直接的得到我们所需要的实验数据和实验结果，并且能用曲线绘制出难以表达出来的一些隐函数，二维和三维图像还有一些工程性较强的特殊图像也都可以利用MATLAB绘制出来。（5）强大的系统仿真功能。MATLAB最重要的软件包—Simulink，它本身具有的利用框图实现对复杂的系统的建模与仿真功能，能
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够非常容易地构建出动态系统仿真模型，进行准确的仿真分析。
MATLAB是一种新兴的、应用前景广泛的计算机高级编程语言。不仅广泛应用于控制界，在信号分析与处理、系统仿真、通信与电子工程、虚拟制造、雷达工程、语音处理、生物工程、财政金融、图像信号处理以及计算机技术等领域中也是非常流行的。
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3.2 Simulink在仿真中的应用
Simulink是由The Math Work公司为MATLAB提供的结构图编程与系统仿真专用安装包，对动态系统进行一系列的建模、仿真和分析。它支持连续时间系统、线性和非线性系统、连续和离散混合系统、离散时间系统，而且系统可以是多进程的。它利用自身模块库中的模块对系统进行描述，在这个基础上利用MATLAB计算得出动态系统在时域内的变化并得出结论。Simulink和MATLAB是高度集成在一起的，他们之间可以进行灵活的交互操作。Simulink也是一种方便学习掌握、功能齐全、具有广泛的适应性、仿真精度极高、贴近实际的工具，无需书写大量的程序，掌握了简单的计算机语言，就可以实现复杂电力系统的仿真。当利用Simulink进行系统的建模与仿真来解决实际的工程问题时，其步骤一般如下： （1）描绘出系统的草图。把需要进行仿真的系统根据其功能特性划分成为子系统，利用小的模块来把每一个子系统搭建好，充分体现了利用Simulink进行系统建模时结构流程清晰，使用方便灵活。在仿真的过程中我们优先选择Simulink Library库中本身具有的模块，这样可以使程序编写简化，减少工作量[9]。
图1 Simulink Library Browser模块
(2)右击MATLAB主界面菜单栏中的“New”，选择“Simulink Model”,新建一个空白模型，如图2所示[10]。
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