電力系統(tǒng)單相短路計算與仿真(3)

1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué)電力系統(tǒng)分析電力系統(tǒng)分析課程設(shè)計（論文）課程設(shè)計（論文）題目：題目： 電力系統(tǒng)單相短路計算與仿真（電力系統(tǒng)單相短路計算與仿真（3）院（系）：院（系）： 工工 程程 技技 術(shù)術(shù) 學(xué)學(xué) 院院 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 電氣工程及其電氣工程及其學(xué)學(xué) 號：號： 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 教師職稱：教師職稱： 起止時間：起止時間：2015-06-15 至至 2015-06-26 本科生課程設(shè)計（論文）課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室：電氣工程及其自動化課程設(shè)計（論文）任務(wù)原始資料：系統(tǒng)如圖各元件參數(shù)標(biāo)幺值如

2、下（各元件及電源的各序阻抗均相同）：T1：電阻 0，電抗 0.2，k=1.05，標(biāo)準(zhǔn)變比側(cè) YN接線，非標(biāo)準(zhǔn)變比側(cè) 接線；T2：電阻 0，電抗 0.25，k=1.05，標(biāo)準(zhǔn)變比側(cè) YN接線，非標(biāo)準(zhǔn)變比側(cè) 接線；L24: 電阻 0.03，電抗 0.09，對地容納 0.04；L23: 電阻 0.03，電抗 0.08，對地容納 0.03；L34: 電阻 0.02，電抗 0.06，對地容納 0.032；G1 和 G2：電阻 0，電抗 0.05，電壓 1.05；負(fù)荷功率：S1=0.5+j0.2；任務(wù)要求：當(dāng)節(jié)點 2 發(fā)生 A 相金屬性短路時，1 計算短路點的 A、B 和 C 三相電壓和電流；2 計算其它

3、各個節(jié)點的 A、B 和 C 三相電壓和電流；3 計算各條支路的電壓和電流；4 在系統(tǒng)正常運行方式下，對各種不同時刻 A 相接地短路進行 Matlab 仿真；5 將短路運行計算結(jié)果與各時刻短路的仿真結(jié)果進行分析比較，得出結(jié)論。G1 T1 2 L24 4 T2 G2 1:k k:1 L23 L34 3 S3 本科生課程設(shè)計（論文）指導(dǎo)教師評語及成績平時考核： 設(shè)計質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日本科生課程設(shè)計（論文）摘 要電氣設(shè)備和載流導(dǎo)體的選擇、繼電保護、自動裝置的整定、限制短路電流措施的確定都需要進行短電流的計算。電力系統(tǒng)短路有單相短路、兩相短路、 ；兩相接地短路、和三相短

4、路之分，對同一點發(fā)生單相短路故障的短路電流進行仿真和分析研究，在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行計算，并利用 MATLAB 進行仿真驗證。并將短路運行計算結(jié)果與各時刻短路的仿真結(jié)果進行分析比較，得出結(jié)論。 基于對稱分量法的基本理論，對稱分量法采取的具體方法之一是解析法，即把該網(wǎng)絡(luò)分解為正，負(fù)，零序三個對稱序網(wǎng)，這三組對稱序分量可分別按對稱的三相電路分解。求得故障端點的等值阻抗。最后根據(jù)故障類型選取相關(guān)公式計算故障處各序電流，電壓，進而合成三相電流電壓。根據(jù)斷相故障和短路故障的特點，進行短路計算。關(guān)鍵字：單相接地短路；對稱分量法；單向不對稱 本科生課程設(shè)計（論文）目 錄第 1 章 緒論 .11.1 電力系統(tǒng)短路

5、計算概述.11.2 本文設(shè)計內(nèi)容.2第 2 章 電力系統(tǒng)不對稱短路計算原理 .32.1 對稱分量法基本原理.32.2 三相序阻抗及等值網(wǎng)絡(luò).42.3 單相不對稱短路的計算步驟.6第 3 章 電力系統(tǒng)單相短路計算 .73.1 系統(tǒng)等值電路及其化簡.73.2 單相短路計算.10第 4 章 短路計算的仿真 .134.1 仿真模型的建立.134.2 仿真結(jié)果及分析.14第 5 章 總結(jié) .15參考文獻 .16本科生課程設(shè)計（論文）0第 1 章 緒論1.1 電力系統(tǒng)短路計算概述在電力系統(tǒng)運行過程中，時常發(fā)生故障，其中大多數(shù)是短路故障。所謂短路，是指電力系統(tǒng)正常運行情況以外的相與相之間或相與地（或中性線）

6、之間的連接。除中性點外，相與相或相與地之間都是絕緣的。依照短路發(fā)生的地點和持續(xù)時間不同，它的后果可能使用戶的供電情況部分地或全部地發(fā)生故障。當(dāng)在有由多發(fā)電廠組成的電力系統(tǒng)發(fā)生短路時，其后果更為嚴(yán)重，由于短路造成電網(wǎng)電壓的大幅度下降，可能導(dǎo)致并行運行的發(fā)電機失去同步，或者導(dǎo)致電網(wǎng)樞紐點電壓崩潰，所有這些可能引起電力系統(tǒng)瓦解而造成大面積的停電事故，這是最危險的后果。產(chǎn)生短路的原因很多主要有如下幾個方面：（1）元件損壞，例如絕緣材料的自然老化，設(shè)計，安裝及維護不良所帶來的設(shè)備缺陷發(fā)展成短路。（2）氣象條件惡化，例如雷電造成的閃絡(luò)放電或避雷針動作，架空線路由于大風(fēng)或?qū)Ь€覆冰引起電桿倒塌等。（3）違規(guī)操

7、作，例如運行人員帶負(fù)荷拉刀閘。（4）其他，例如挖溝損傷電纜。在電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備的設(shè)計和運行中，短路計算是解決一系列技術(shù)問題所不可缺少的基本計算，比如在選擇發(fā)電廠和電力系統(tǒng)的主接線時為啦比較不同方案接圖，進行電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定計算，研究短路對用戶的影響。合理配置各種繼電保護和自動裝置并正確整定其參數(shù)都必須進行短路的計算和分析。電力系統(tǒng)三相短路計算主要是短路電流周期（基頻）分量的計算，在給定電源電勢時，實際上就是穩(wěn)態(tài)交流電路的求解。對稱分量法是分析不對稱的三相量。在不同序列的對稱分量作用下，電力系統(tǒng)的各元件可能呈現(xiàn)不同的特征。依照短路發(fā)生的地點和持續(xù)時間不同，它的后果可能使用戶的供電情況部分地或全

8、部地發(fā)生故障。當(dāng)在有由多發(fā)電廠組成的電力系統(tǒng)發(fā)生短路時，其后果更為嚴(yán)重，由于短路造成電網(wǎng)電壓的大幅度下降，可能導(dǎo)致并行運行的發(fā)電機失去同步，或者導(dǎo)致電網(wǎng)樞紐點電壓崩潰，所有這些可能引起電力系統(tǒng)瓦解而造成大面積的停電事故，這是最危險的后果。本科生課程設(shè)計（論文）1 短路電流計算是電力系統(tǒng)計算分析中很重要的一項計算內(nèi)容，其計算結(jié)果對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行有著重要的意義。通過分析國內(nèi)常用的一些計算方法，可以發(fā)現(xiàn)：經(jīng)典計算方法所得的短路電流計算結(jié)果偏小，有可能給系統(tǒng)埋下不安全的隱患；IEC 方法與基于潮流的短路電流結(jié)果相差較小，但不同區(qū)域的偏差各不相同，也并不一定能反映系統(tǒng)的最大短路電流水平。若換

9、一個思路，改計算節(jié)點的最大短路電流為計算其最小等值阻抗，則系統(tǒng)的最小等值阻抗是易于求取的，且能符合系統(tǒng)實際的。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)各節(jié)點的最大可能運行電壓，去求得該節(jié)點的最大短路電流水平，應(yīng)該是最能反映系統(tǒng)可能的最大短路電流水平的可行方法。1.2 本文設(shè)計內(nèi)容根據(jù)所給電路圖以及所有元器件有關(guān)參數(shù)按照設(shè)計要求設(shè)計： 1 計算短路點的 A、B 和 C 三相電壓和電流；2 計算其它各個節(jié)點的 A、B 和 C 三相電壓和電流；3 計算各條支路的電壓和電流；4 在系統(tǒng)正常運行方式下，對各種不同時刻 A 相接地短路進行 Matlab 仿真；5 將短路運行計算結(jié)果與各時刻短路的仿真結(jié)果進行分析比較，得出結(jié)論。本

10、科生課程設(shè)計（論文）2第 2 章 電力系統(tǒng)不對稱短路計算原理2.1 對稱分量法基本原理所謂對稱分量法，即將三個相量分解為對稱的分量組，用于分析三相電路不對稱運行狀態(tài)的一種方法。電力系統(tǒng)正常運行時可認(rèn)為是對稱的，即各元件三相阻抗相同，各自三相電壓、電流大小相等，具有正常相序。電力系統(tǒng)正常運行方式的破壞主要與不對稱故障或者斷路器的不對稱操作有關(guān)。由于整個電力系統(tǒng)中只有個別點是三相阻抗不相等，所以一般不使用直接求解復(fù)雜的三相不對稱電路的方法，而采用更簡單的對稱分量法進行分析 。電力系統(tǒng)中分析對稱系統(tǒng)不對稱運行狀態(tài)的一種基本方法。電力系統(tǒng)中的發(fā)電機、變壓器、電抗器、電動機等都是三相對稱元件，經(jīng)過充分換

11、位的輸電線基本上也是三相對稱的。對于這種三相對稱系統(tǒng)的分析計算可以方便地用單相電路的方法求解。 任何不對稱的三相相量 A、B、C 可以分解為三組相序不同的對稱分量：正序分量 A1、B1、C1；負(fù)序分量 A2、B2、C2；零序分量 A0、B0、C0。在三相電路中，對于任意一組部隊稱的三相相量（電流或者電壓） ，可以分解為三組三相對稱相量，當(dāng)選擇 a 相作為基準(zhǔn)相時，三相相量與其對稱分量之間的關(guān)系（如電流）為： （2-1）cbaaaaIIIaaaaIII111113122)0()2()1(式中，運算子，且有，120jea2402jea012aa；、分別為 a 相電流的正序、負(fù)序和零序分量，并且有1

12、3a)1(aI)2(aI)0(aI （2-2）)0()0()0()2(2)2()2()2()1()1()1(2)1(,acbacabacabIIIIaIIaIIaIIaI由上式可以作出三相量的三組對稱分量如式（2-1）所示?？梢缘玫?，正序分量的相序與正常對稱運行下的相序相同，而負(fù)序分量的相本科生課程設(shè)計（論文）3序與正序相反，零序分量則三相同相位。將一組不對稱的三相量分解為三組對稱分量，這種分解如同派克變換一樣，也是一種坐標(biāo)變換。把式（2-1）寫成 （2-3）abcSII120矩陣 S 稱為對稱分量變換矩陣。當(dāng)已知三相不對稱的相量時，可由上式求得各序?qū)ΨQ分量。已知各序?qū)ΨQ分量時，也可以用反變換

13、求出三相不對稱的相量，即 （2-4）1201ISIabc式中 （2-5）11111221aaaaS圖 2.1 三相量的對稱分量展開式（2-4）并計及式（2-2）有 （2-6）)0()2()1()0()2(2)1()0()2()1()0()2()1(2)0()2()1(cccaaacbbbaaabaaaaIIIIIaIaIIIIIIaIaIIIII電壓的三相相量與其對稱分量之間的關(guān)系也與電流的一樣。2.2 三相序阻抗及等值網(wǎng)絡(luò)短路故障的計算與分析,主要是短路電流的大小及其變化規(guī)律不僅與短路故障的類型有關(guān),而且與電源特性,網(wǎng)絡(luò)元件的電磁參數(shù)有關(guān)。不對稱短路時故障處的短路電流和電壓網(wǎng)絡(luò)的故障處，對稱

14、分量分解后可用序電壓方程表示為幾種主要的序網(wǎng)如下圖所示：)1(cI)1(bI)1(aI)2(bI)2(cI)2(aI)0(aI) 0( cI)0(bI（a）（b）（c）本科生課程設(shè)計（論文）4圖 2.2 正序網(wǎng)絡(luò)圖 2.3 負(fù)序網(wǎng)絡(luò)圖 2.4 零序網(wǎng)絡(luò)本科生課程設(shè)計（論文）52.3 單相不對稱短路的計算步驟 單相不對稱短路的計算步驟如下(1)確定計算條件，畫計算電路圖1）計算條件：系統(tǒng)運行方式，短路地點、短路類型和短路后采取的措施。2）運行方式：系統(tǒng)中投入的發(fā)電、輸電、變電、用電設(shè)備的多少以及它們之間的連接情況。根據(jù)計算目的確定系統(tǒng)運行方式，畫相應(yīng)的計算電路圖。3)選電氣設(shè)備：選擇正常運行方式

15、畫計算圖；短路點取使被選擇設(shè)備通過的短路電流最大的點。4)繼電保護整定：比較不同運行方式，取最嚴(yán)重的。(2)畫等值電路，計算參數(shù)； 分別畫各段路點對應(yīng)的等值電路。標(biāo)號與計算圖中的應(yīng)一致。(3)網(wǎng)絡(luò)化簡，分別求出短路點至各等值電源點之間的總電抗。等值電源歸算步驟如下1）同類型且至短路點的電氣距離大致相等的電源可歸并；2）至短路點距離較遠的同類型或不同類型的電源可歸并；3）直接連于短路點上的同類型發(fā)電機可歸并；本科生課程設(shè)計（論文）6第 3 章 電力系統(tǒng)單相短路計算3.1 系統(tǒng)等值電路及其化簡為使電路簡化，需要將線路的三角形連接轉(zhuǎn)化為星形連接，轉(zhuǎn)化后其正序、負(fù)序和零序網(wǎng)絡(luò)圖如下圖3.1 正序網(wǎng)絡(luò)圖

16、3.2 負(fù)序網(wǎng)絡(luò)本科生課程設(shè)計（論文）7圖3.3 零序網(wǎng)絡(luò)對正序、負(fù)序和零序網(wǎng)絡(luò)內(nèi)電抗進行 Y轉(zhuǎn)換計算如下三相序阻抗化簡，其等值網(wǎng)絡(luò)圖如下圖 3.4 正序等值網(wǎng)絡(luò)023. 008. 006. 009. 009. 006. 023342424341XXXXXX021. 008. 006. 009. 008. 006. 023342423342XXXXXX0313. 008. 006. 009. 009. 008. 023342424233XXXXXX本科生課程設(shè)計（論文）8圖 3.5 負(fù)序等值網(wǎng)絡(luò)圖 3.6 零序等值網(wǎng)絡(luò)對等效電抗進行計算（1）正序3313. 00313. 015. 015. 0

17、31)1(1jjjjjXjXjXTG221. 0=2 . 0+021. 0=+)1(12jjjjXjXS35. 0=15. 0+2 . 0=+)1(22jjjjXjXGT通過等效變換得， 9253. 0)1(jjXffVEeq73. 0=（2）負(fù)序3313. 00313. 015. 015. 031)2(1jjjjjXjXjXTG221. 0=2 . 0+021. 0=+)2(12jjjjXjXS本科生課程設(shè)計（論文）935. 0=15. 0+2 . 0=+)2(22jjjjXjXGT（3）零序3.2 單相短路計算單相接地短路時，故障處的三個邊界條件為，經(jīng)過整理后0, 0, 0cbaIIV便得

18、到用序量表示的邊界條件為0=+)0()2()1(fafafaVVV (3-1)0(2)1(=fafafaIII短路點電流和電壓的各序分量為 (3-2)1()0()0()1()2()2()1()1()0()1()0()2()1(-fafffafafffafaffffafafafaIjXVIjXVIjXVVIII電壓和電流的各序分量，也可以直接應(yīng)用復(fù)合序網(wǎng)來求得。根據(jù)故障處各序分量之間的關(guān)系，將各序網(wǎng)絡(luò)在故障端口聯(lián)接起來構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)稱為復(fù)合序網(wǎng)。用復(fù)合序網(wǎng)進行計算，可以得到同樣結(jié)果。 9253. 0023. 035. 01221. 013313. 01111111)2(22)2(1231)2(1)2

19、(jjjjjjXjXjXjXjXjXjXjXjXGTSTGff4253. 0023. 02 . 01021. 010313. 015. 0111111)0(12)0(2)0(31)0(jjjjjjjXjXjXjXjXjXTTff本科生課程設(shè)計（論文）10abcIc=0Ib=0IaV a=0圖 3.7 單相接地短路本科生課程設(shè)計（論文）11圖 3.8 單相短路的復(fù)合序網(wǎng)短路點的故障相電流為 (3-3)1()0()2()1()1(3fafafafafafIIIIII或 (3-4)(3)0()2()1()0()1(ffffffffXXXjVI帶入式(3-4)各個數(shù)據(jù)，得2759. 23)4253.

20、09253. 09253. 0(13)(3)0()2()1()0()1(jjXXXjVIffffffff由式(3-3)和式(3-1)得2759. 2131)1()0()2()1(jIIIIffafafa由式(3-2)得97. 0-2759. 214253. 011. 2-2759. 219253. 057. 02713. 01)0381. 01166. 0()1()0()0()1()2()2()1()1()0()1(jjIjXVjjIjXVjjIjXVVaffaaffaaffaa短路點非故障相的對地電壓 392. 245. 12759. 214253. 0) 1-(9253. 0)-() 1-

21、()(22)1()0(2)2(2)0()2()1(2jjaaajIXaXaajVVaVaVfafffffafafafb539. 545. 12759. 214253. 0) 1-(9253. 0)-() 1-()-(2)1()0()2(2)2()2(2)1(jjaaajIXaXaajVVaVaVfafffffafafafc本科生課程設(shè)計（論文）12第 4 章 短路計算的仿真4.1 仿真模型的建立當(dāng) A 相發(fā)生接地短路時故障點 A 相電壓降為零，由于系統(tǒng)為不接地系統(tǒng)，即 Xff 無窮大，由公式可知，單項短路電流減為零，非故障相即 BC 兩項電壓上升為線電壓，其夾角為 60。故障切除后各相電壓水平

22、較原來升高，這是中性點電位升高導(dǎo)致的。 圖 4.1 單項接地（A 相）電壓圖 4.2 單項接地（A 相）電流本科生課程設(shè)計（論文）13當(dāng)輸電線路發(fā)生 A 相接地短路時，B 相、C 相電流沒有變化，始終為 0。在正常狀態(tài)時，三相短路故障發(fā)生器處于斷開狀態(tài)，A 相電流為 0。在 0.01s 時，三相短路故障發(fā)生器閉合，此時 A 相接地短路，其短路電流形發(fā)生了劇烈的變化，但大體上仍呈現(xiàn)正弦規(guī)律變化。在 0.04s 時，三相短路故障發(fā)生器打開，故障排除，此時故障點 A 相電流迅速變?yōu)?0。具體的仿真波形如圖所示： 圖 4.3 單項(A 相)接地各項電流波形4.2 仿真結(jié)果及分析系統(tǒng)采用中性點不接地方式時，發(fā)生單相接地故障三相間線電壓仍然對稱，不必馬上切除故障部分，提高了供電的可靠性。但是接地電流在故障處可能產(chǎn)生穩(wěn)定或間歇性的電弧，將危害整個電網(wǎng)的安全運行。若系統(tǒng)改為直接接地，中性點會與故障點成短