不對稱故障分析與計(jì)算及其程序設(shè)計(jì)

1、廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院 課 程 設(shè) 計(jì)（論文）課程名稱 電力系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 題目名稱 不對稱故障分析與計(jì)算及其程序設(shè)計(jì) 學(xué)生學(xué)部（系） 電氣工程系 專業(yè)班級 電氣工程及其自動(dòng)化（4）班 學(xué) 號 12031104026 學(xué)生姓名 李星亮 指導(dǎo)教師 羅洪霞 2014年 6月 12日廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書題目名稱不對稱故障分析與計(jì)算及其程序設(shè)計(jì)學(xué)生學(xué)部（系）機(jī)械電氣學(xué)部電氣工程系專業(yè)班級11電氣工程及其自動(dòng)化（4）班姓 名李星亮學(xué) 號12031104026一、課程設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容1. 掌握不對稱故障計(jì)算的對稱分量法基本原理2. 根據(jù)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)畫出并求解正序等值電路圖、負(fù)序等值電路

2、圖和零序等值電路圖；3. 形成正序、負(fù)序和零序節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納陣；4. 求解不對稱短路電流；5. 上機(jī)編程調(diào)試；6. 計(jì)算分析給定系統(tǒng)不對稱短路電流，并與手工計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析；7. 書寫課程設(shè)計(jì)說明書（電子版），并打印紙質(zhì)版上交，準(zhǔn)備計(jì)算機(jī)演示答辯。 二、課程設(shè)計(jì)（論文）的要求與數(shù)據(jù)1. 運(yùn)用某種語言（C語言或Matlab語言等），給出程序源代碼和程序說明；2. 給定題目的輸入輸出文件；3. 給出程序的計(jì)算過程；4. 以某一系統(tǒng)為例，給出程序的手算過程。三、課程設(shè)計(jì)（論文）應(yīng)完成的工作1. 按照格式規(guī)范，獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)說明書的撰寫；2. 完成電力系統(tǒng)不對稱故障計(jì)算程序的編寫和調(diào)試；3. 完成電力

3、系統(tǒng)不對稱故障計(jì)算的手算過程。四、課程設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)程安排序號設(shè)計(jì)（論文）各階段內(nèi)容地點(diǎn)起止日期1資料收集，不對稱短路故障分析與計(jì)算圖書館2014.6.3-6.42軟件實(shí)現(xiàn)及相關(guān)程序的調(diào)試實(shí)驗(yàn)室機(jī)房6.5-6.83課程設(shè)計(jì)說明書撰寫實(shí)驗(yàn)室機(jī)房6.94課程設(shè)計(jì)上交1-1166.10五、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)1 于永源，楊綺雯.電力系統(tǒng)分析M.北京：中國電力出版社，20072 孟祥萍.電力系統(tǒng)分析M.北京：高等教育出版社，20053 何仰贊. 電力系統(tǒng)分析M.武漢：華中理工大學(xué)出版社，20024 周開利，鄧春暉.Matlab基礎(chǔ)及其應(yīng)用教程M.北京：北京大學(xué)出版社，20075 譚浩強(qiáng).C語言程

4、序設(shè)計(jì)M.北京：清華大學(xué)出版社，2005等等發(fā)出任務(wù)書日期： 2014 年 6 月3日 指導(dǎo)教師簽名：計(jì)劃完成日期： 2014年 6 月12日 教學(xué)單位責(zé)任人簽章：摘 要在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，時(shí)常會發(fā)生故障，其中大多數(shù)是短路故障（簡稱短路）。所謂短路，是指電力系統(tǒng)正常運(yùn)行情況以外的相與相之間或相與地（或中性線）之間的連接。短路通常分為三相短路、單相接地短路、兩相短路和兩相接地短路。其中三相短路為對稱短路，后三者為不對稱短路。電力系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，由于系統(tǒng)的總電阻抗大為減小，因此伴隨短路所產(chǎn)生的基本現(xiàn)象是：電流劇烈增加，短路電流為正常工作電流的幾十倍甚至幾百倍，在大容量電力系統(tǒng)中發(fā)生短路時(shí)，短路電

5、流可高達(dá)幾萬安甚至幾十萬安。在電流急劇增加的同時(shí)，系統(tǒng)中的電壓將大幅度下降。電力運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)指出，單相接地短路占大多數(shù)。因此分析與計(jì)算不對稱短路具有非常重要意義。產(chǎn)生短路的主要原因是電氣設(shè)備載流部分的相間絕緣或相對地絕緣損壞。此外運(yùn)行人員在短路檢修后未拆除地線就加電壓等誤操作也會引起短路故障。短路問題是電力技術(shù)方面的基本問題之一。在發(fā)電廠、變電站以及整個(gè)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行工作中，都必須事先進(jìn)行短路計(jì)算，以此作為合理選擇電氣接線、確定限制短路電流措施等的重要依據(jù)。為此計(jì)算短路時(shí)各種運(yùn)行參量（電流、電壓等）是非常必要的。關(guān)鍵詞: 單相接地短路，兩相短路，兩相接地短路，對稱分量法，節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣目錄1

6、課程設(shè)計(jì)的題目和設(shè)計(jì)大綱51.1課程設(shè)計(jì)的題目51.2課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)任務(wù)及設(shè)計(jì)大綱52 電力系統(tǒng)不對稱故障時(shí)元件的序參數(shù)和等值電路62.1電力系統(tǒng)不對稱故障時(shí)各序等值電路62.2電力系統(tǒng)不對稱故障時(shí)元件參數(shù)的計(jì)算72.3電力系統(tǒng)不對稱故障時(shí)用標(biāo)幺值表示的各序等值電路113 電力系統(tǒng)不對稱故障時(shí)各序等值電路的化簡與計(jì)算133.1正序等值電路的化簡計(jì)算133.2負(fù)序等值電路的化簡計(jì)算143.3零序等值電路的化簡計(jì)算154 電力系統(tǒng)不對稱故障分析與計(jì)算164.1單相接地短路164.2兩相直接接地短路175 正序等效定則及其應(yīng)用205.1正序等效定則的內(nèi)容205.2正序等效定則的應(yīng)用21參 考 文 獻(xiàn)

7、22附 錄23附錄A：完整的各序等值電路圖23附錄B：參數(shù)計(jì)算的程序24- 23 -1 課程設(shè)計(jì)的題目和設(shè)計(jì)大綱1.1課程設(shè)計(jì)的題目電力系統(tǒng)簡單結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示。圖3.1 電力系統(tǒng)簡單結(jié)構(gòu)圖在K點(diǎn)發(fā)生不對稱短路，系統(tǒng)各元件參數(shù)如下：(為簡潔，不加下標(biāo)*)發(fā)電機(jī)G1：Sn=120MVA，Un=10.5kV，次暫態(tài)電動(dòng)勢標(biāo)幺值1.67，次暫態(tài)電抗標(biāo)幺值為0.9，負(fù)序電抗標(biāo)幺值為0.45；變壓器T1：Sn=60MVA，UK%=10.5變壓器T2：Sn=60MVA，UK%=10.5線路L=105km，單位長度電抗x1= 0.4/km，x0=3x1,負(fù)荷L1：Sn=60MVA，X1=1.2，X2=0

8、.35負(fù)荷L2：Sn=40MVA，X1=1.2，X2=0.35取SB=120MVA和UB為所在級平均額定電壓。1.2課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)任務(wù)及設(shè)計(jì)大綱選擇110kV為電壓基本級，畫出用標(biāo)幺值表示的各序等值電路。并求出各序元件的參數(shù)（要求列出基本公式，并加說明）?；喐餍虻戎惦娐凡⑶蟪龈餍蚩偟戎惦娍?。K處發(fā)生單相直接接地短路，列出邊界條件并畫出復(fù)合相序圖。求出短路電流。設(shè)在K處發(fā)生兩相直接接地短路，列出邊界條件并畫出復(fù)合相序圖。求出短路電流。討論正序定則及其應(yīng)用。并用正序定則直接求在K處發(fā)生兩相直接短路時(shí)的短路電流。思考提高：用Matlab仿真并比較結(jié)果。附錄：要畫出完整各序等值電路圖以及給出參數(shù)計(jì)算

9、的程序。2 電力系統(tǒng)不對稱故障時(shí)元件的序參數(shù)和等值電路要求：選擇110kV為電壓基本級，畫出用標(biāo)幺值表示的各序等值電路。并求出各序元件的參數(shù)（要求列出基本公式，并加說明）。2.1電力系統(tǒng)不對稱故障時(shí)各序等值電路圖4.1 電力系統(tǒng)不對稱故障時(shí)正序等值電路圖4.2 電力系統(tǒng)不對稱故障時(shí)負(fù)序等值電路圖4.3 電力系統(tǒng)不對稱故障時(shí)零序等值電路2.2電力系統(tǒng)不對稱故障時(shí)元件參數(shù)的計(jì)算2.2.1理論分析進(jìn)行電力系統(tǒng)計(jì)算時(shí)，采用有單位的阻抗、導(dǎo)納、電壓、電流、功率等的相對值進(jìn)行運(yùn)算、稱為有名制。在作整個(gè)電力系統(tǒng)的等值網(wǎng)絡(luò)圖時(shí)，必須將其不同電壓級的各元件參數(shù)阻抗、導(dǎo)納以及相應(yīng)的電壓、電流歸算至同一電壓等級基本

10、級。而基本級一般電力系統(tǒng)中取最高電壓級。式中，K1、K2、Kn為變壓器的變比；R、X、G、B、分別為歸算前的有名值；R、X、G、B、分別為歸算后的有名值。進(jìn)行電力系統(tǒng)計(jì)算時(shí)，采用沒有單位的阻抗、導(dǎo)納、電壓、電流、功率等的相對值進(jìn)行運(yùn)算、稱為標(biāo)幺制。標(biāo)幺值的定義為：本設(shè)計(jì)中MVA，和所在級平均額定電壓相等。在電力系統(tǒng)計(jì)算中，用平均額定電壓之比代替變壓器的實(shí)際變比時(shí)，元件參數(shù)和變量的標(biāo)幺值的計(jì)算可大為簡化。所以將元件參數(shù)和變量歸算至基本級為：而求取電力系統(tǒng)各元件（發(fā)電機(jī)G、變壓器T、電力線路l、電抗器L）電抗的標(biāo)么值的計(jì)算公式如下：2.2.2各元件各序等值電路電抗標(biāo)幺值的計(jì)算選取110kV為電壓基

11、本級，在電力系統(tǒng)暫態(tài)分析中，等值電路中的電阻可以忽略不計(jì)，所以有以下結(jié)論。發(fā)電機(jī)G1的各序等值電路電抗標(biāo)幺值：發(fā)電機(jī)的正序電抗標(biāo)幺值。發(fā)電機(jī)的負(fù)序電抗標(biāo)幺值。由于變壓器的連接方式為連接，所以零序網(wǎng)絡(luò)與發(fā)電機(jī)是斷開的，無零序電流流過，其零序電抗為0。MATLAB程序如下：程序運(yùn)行結(jié)果為：即有發(fā)電機(jī)的正序電抗標(biāo)幺值，負(fù)序電抗標(biāo)幺值。變壓器T1和T2的各序等值電路電抗標(biāo)幺值：變壓器T1的正序電抗標(biāo)幺值。變壓器T1的負(fù)序電抗標(biāo)幺值。變壓器T1的零序電抗標(biāo)幺值。由于變壓器T1和變壓器T2的參數(shù)一樣，所以變壓器T2的正序電抗、負(fù)序電抗、零序電抗的標(biāo)幺值與變壓器T1的正序電抗、負(fù)序電抗、零序電抗相等。MAT

12、LAB程序如下：程序運(yùn)行結(jié)果為：即有變壓器T1(T2)的正序電抗標(biāo)幺值，變壓器T1(T2)的負(fù)序電抗標(biāo)幺值，變壓器T1(T2)零序電抗標(biāo)幺值。電力線路l的各序等值電路電抗標(biāo)幺值：電力線路l的正序電抗標(biāo)幺值。電力線路l的負(fù)序電抗標(biāo)幺值。電力線路l的零序電抗標(biāo)幺值。MATLAB程序如下：程序運(yùn)行結(jié)果為：即有電力線路l的正序電抗標(biāo)幺值，電力線路l的負(fù)序電抗標(biāo)幺值，電力線路l的零序電抗標(biāo)幺值。負(fù)荷L1的各序等值電路電抗標(biāo)幺值：負(fù)荷L1的正序電抗標(biāo)幺值。負(fù)荷L1的負(fù)序電抗標(biāo)幺值。MATLAB程序如下：程序運(yùn)行結(jié)果為：即有負(fù)荷L1的正序電抗標(biāo)幺值，負(fù)荷L1的負(fù)序電抗標(biāo)幺值。負(fù)荷L2的各序等值電路電抗標(biāo)幺值

13、：負(fù)荷L1的正序電抗標(biāo)幺值。負(fù)荷L1的負(fù)序電抗標(biāo)幺值。MATLAB程序如下：程序運(yùn)行結(jié)果為：即有負(fù)荷L2的正序電抗標(biāo)幺值，負(fù)荷L2的負(fù)序電抗標(biāo)幺值。由于變壓器的連接方式為連接，所以零序網(wǎng)絡(luò)與負(fù)荷是斷開的，無零序電流流過，其零序電抗為0。2.3電力系統(tǒng)不對稱故障時(shí)用標(biāo)幺值表示的各序等值電路圖4.4 電力系統(tǒng)不對稱故障時(shí)用標(biāo)幺值表示的正序等值電路圖4.5 電力系統(tǒng)不對稱故障時(shí)用標(biāo)幺值表示的負(fù)序等值電路圖4.6 電力系統(tǒng)不對稱故障時(shí)用標(biāo)幺值表示的零序等值電路3 電力系統(tǒng)不對稱故障時(shí)各序等值電路的化簡與計(jì)算要求：化簡各序等值電路并求出各序總等值電抗。3.1正序等值電路的化簡計(jì)算圖5.1 正序等值電路首

14、先求整個(gè)網(wǎng)絡(luò)對短路點(diǎn)的正序等值電動(dòng)勢和正序等值電抗。在圖5.1中，將支路1和支路5并聯(lián)得支路7，它的電抗和電動(dòng)勢分別為：將支路7、2、4串聯(lián)，得支路9，它的電抗為：將支路3、6串聯(lián)得支路8，其電抗為：將支路8、9并聯(lián)得：圖5.2 正序等值網(wǎng)絡(luò)化簡后的電路圖3.2負(fù)序等值電路的化簡計(jì)算圖5.3 負(fù)序等值電路首先求整個(gè)網(wǎng)絡(luò)對短路點(diǎn)的負(fù)序等值電抗。在圖5.2中，將支路1和支路5并聯(lián)得支路7，它的電抗分別為：將支路7、2、4串聯(lián)，得支路9，它的電抗為：將支路3、6串聯(lián)得支路8，其電抗為：將支路8、9并聯(lián)得：圖5.4 負(fù)序等值網(wǎng)絡(luò)化簡后的電路圖3.3零序等值電路的化簡計(jì)算圖5.5 零序等值電路將支路1和

15、支路4串聯(lián)得：圖5.4 負(fù)序等值網(wǎng)絡(luò)化簡后的電路圖4 電力系統(tǒng)不對稱故障分析與計(jì)算要求：若K處發(fā)生單相直接接地短路，列出邊界條件并畫出復(fù)合相序圖，求出短路電流；若在K處發(fā)生兩相直接接地短路，列出邊界條件并畫出復(fù)合相序圖，求出短路電流。電力系統(tǒng)中發(fā)生不對稱短路時(shí)，無論是單相接地短路、兩相短路還是兩相接地短路，只是在短路點(diǎn)出現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不對稱，而其它部分三相仍舊是對稱的。根據(jù)對稱分量法列a相各序電壓方程式為上述方程式包含了六個(gè)未知量，必須根據(jù)不對稱短路的具體邊界條件列出另外三個(gè)方程才能求解。4.1單相接地短路圖6.1 單相接地短路邊界條件當(dāng)電力系統(tǒng)中的K點(diǎn)發(fā)生單相（A相）直接短路接地故障時(shí)，其短路

16、點(diǎn)的邊界條件為A相在短路點(diǎn)K的對地電壓為零，B相和C相從短路點(diǎn)流出的電流為零，即：復(fù)合相序圖將邊界條件用對稱分量法表示為：由上式可以作出單相接地短路的復(fù)合序網(wǎng)絡(luò)圖如圖6.2所示。圖6.2 單相接地短路的復(fù)合序網(wǎng)絡(luò)(Zf=0)所以有：MATLAB程序如下：程序運(yùn)行結(jié)果為：即發(fā)生單相直接接地短路時(shí)，其短路電流，其短路電流有效值。4.2兩相直接接地短路邊界條件當(dāng)電力系統(tǒng)中的K點(diǎn)發(fā)生單相（B相和C相）直接短路接地故障時(shí)，其短路點(diǎn)的邊界條件為：圖6.3 兩相直接接地短路復(fù)合相序圖將邊界條件用對稱分量法表示為：由上式可以作出兩相接地短路的復(fù)合序網(wǎng)絡(luò)圖如圖6.4所示。圖6.4 單相接地短路的復(fù)合序網(wǎng)絡(luò)(Zf

17、=Zg=0)由此圖直接可以求其序電流為(設(shè)各序阻抗為純阻抗)：進(jìn)而推出：MATLAB程序如下：程序運(yùn)行結(jié)果為：即發(fā)生兩相直接接地短路時(shí)，其短路電流，。其短路電流有效值。5 正序等效定則及其應(yīng)用要求：討論正序定則及其應(yīng)用。并用正序定則直接求在K處發(fā)生兩相直接短路時(shí)的短路電流。5.1正序等效定則的內(nèi)容三種簡單不對稱短路時(shí)短路電流正序分量的通式為：式中，稱附加阻抗。正序等效定則：在簡單不對稱短路的情況下，短路點(diǎn)電流的正序分量與在短路點(diǎn)后每一相中加入附加阻抗而發(fā)生三相短路的電流相等。表7.1 各種類型短路時(shí)附加阻抗值由于故障相短路點(diǎn)短路電流的絕對值與它的正序分量的絕對值成正比，即：式中，是比例系數(shù)。其

18、值視短路的種類而異。各種簡單短路的值見表7.2。表7.2 各種類型短路時(shí)比例系數(shù)值根據(jù)以上的討論，可以得到一個(gè)結(jié)論：簡單不對稱短路電流的計(jì)算，歸根結(jié)底，不外乎先求出系統(tǒng)對短路點(diǎn)正序、負(fù)序和零序等值阻抗（或電抗）；再根據(jù)短路種類的不同而組成附加阻抗，將它接入短路點(diǎn)的正序等值電抗；然后就像計(jì)算三相短路一樣，計(jì)算出短路點(diǎn)的正序電流，從而可以算出其他各序電流、各序電壓，及短路點(diǎn)的三相電流和三相電壓。這樣三相短路電流的各種計(jì)算方法，也適用于不對稱短路時(shí)正序電流的計(jì)算。5.2正序等效定則的應(yīng)用利用正序定則直接求在K處發(fā)生兩相(B相和C相)直接短路時(shí)的短路電流。由于在K處B相和C相發(fā)生兩相直接短路，根據(jù)表7.1和表7.2可以得出以下結(jié)論：，則：MATLAB程序?yàn)椋撼绦蜻\(yùn)行結(jié)果為：即發(fā)生兩相短路時(shí)，短路電流的有效值。參 考 文 獻(xiàn)1 于永源 楊綺雯編.電力系統(tǒng)分析.北京：中國電力出版社，2007.2 何仰贊，溫增銀等編.電力系統(tǒng)分析. 武漢：華中科技大學(xué)出版社，20023 李廣凱，李庚銀.電力系統(tǒng)仿真軟件綜述J. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2005（6）：61-65.4 李維波，Matlab在電氣工程中的應(yīng)用M北京：中國電力出版社，2007.5 彭建飛，任岷