故障分析課設報告

1、山東交通學院 電力系統故障分析課程設計電力系統故障分析課程設計電力系統故障分析課程設計報告書報告書院院( (部部) )別別 信息科學與電氣工程學院信息科學與電氣工程學院 姓姓 名名 學學 號號 指導教師指導教師 2課課 程程 設設 計計 任任 務務 書書題題 目目 基于基于 Matlab 的電力系統故障分析的電力系統故障分析 院院 (部部) 信息科學與電氣工程學院信息科學與電氣工程學院 專專 業(yè)業(yè) 電氣工程及其自動化電氣工程及其自動化 班班 級級 學生姓名學生姓名 學學 號號 5 月月 26 日至日至 6 月月 6 日日 共共 2 周周指導教師指導教師(簽字簽字) 負責人負責人(簽字簽字) 年

2、年 月月 日日3目錄目錄摘摘 要要.4ABSTRACT.41 電力系統故障分析的意義電力系統故障分析的意義.52 電力系統故障分析電力系統故障分析.52.1 故障概述.52.2 故障類型.62.3 故障概率.62.4 短路計算的基本原則和規(guī)定.72.5 短路點選擇原則.92.6 短路電流計算的基本步驟.92.7 電力系統故障分析計算.93 電力系統故障仿真電力系統故障仿真.133.1 三相短路系統仿真模型及各模塊參數設置.133.2 仿真結果分析.194 結論結論.26參考文獻參考文獻.274摘摘 要要本設計分析了電力系統短路故障的電氣特征，并利用 Matlab/Simulink 軟件對其進行

3、仿真，進一步研究短路故障的特點。通過算例對電力系統短路故障進行分析計算。然后運用 Matlab/Simulink 對算例進行電力系統短路、斷路故障仿真，得出仿真結果。并將電力系統短路故障的分析計算結果與 Matlab 仿真的分析結果進行比較，從而得出結論。結果表明計算結果與仿真結果差別不大，運用 Matlab 對電力系統短路故障進行分析與仿真，能夠準確直觀地考察電力系統短路故障的動態(tài)特性，驗證了 Matlab 在電力系統仿真中的強大功能。關鍵詞：短路故障；Simulink 分析；短路、斷路電流計算AbstractThis introduction to the power syetem sho

4、rt-circuit fault analysis method and simulation of Matlab/simulink basic features.First analysis and calculation of power system short-circuit fault,and then use Matlab/simulink to power system short-circuit fault simulation ,obtain simulation results.Compare power system short-circuit fault analysi

5、s and calculation of results with the results of Matlab simulation and analysis so as to arrive at conclusions.It shows that using Matlab power system short-circuit fault analysis and simulation can accurately and visually inspect the dynamic characteristics of power system short circuit fault analy

6、sis and visually inspect the dynamic characteristics of power system short circuit fault and verified in power system simulation of Matlab.Keywords: Fault analysis; Simulink simulation；Calculation of short-circuit current51 電力系統故障分析的意義電力系統故障分析的意義電力系統發(fā)生使對稱結構遭受破壞的短路或斷路故障，由于短路會產生十分嚴重的后果，因而引起了高度重視。除盡量消除

7、導致短路、斷路的原因外，還應在短路、斷路故障發(fā)生后及時采取措施，盡量減少短路造成的損失，如采用繼電保護將故障隔離，在合適的地點裝設電抗器以限制短路電流，采用自動重合閘消除瞬時故障使系統盡快恢復正常等。這些措施均須建立在故障計算的基礎上。在發(fā)電廠、變電所以及整個電力系統的設計工作中，都必須事先進行短路計算，以此作為合理選擇電氣接線、選用有足夠熱穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度的電氣設備及載流導體、確定限制短路電流的措施、合理配置各種繼電保護并整定其參數等的重要依據。因此故障計算對于電力系統的設計和安全運行具有十分重要的意義。2 電力系統故障分析電力系統故障分析2.1 故障概述故障概述短路和斷路是電力系統的嚴重故

8、障。所謂短路，是指一切不正常的相與相之間或相與地（對于中性點接地的系統）發(fā)生系統通路的情況。所謂斷路，是指一切不正常的相與相之間或相與地不發(fā)生系統通路的情況。電力系統在運行中，相與相之間或相與地（或中性線）之間發(fā)生非正常連接（即短路）時流過的電流。其值可遠遠大于額定電流，并取決于短路點距電源的電氣距離。例如，在發(fā)電機端發(fā)生短路時，流過發(fā)電機的短路電流最大瞬時值可達額定電流的1015倍。大容量電力系統中，短路電流可達數萬安。這會對電力系統的正常運行造成嚴重影響和后果。162.2 故障類型故障類型三相系統中發(fā)生的短路有 4 種基本類型：三相短路，兩相短路，單相對地短路和兩相對地短路。其中，除三相短

9、路時，三相回路依舊對稱，因而又稱對稱短路外，其余三類均屬不對稱短路。在中性點接地的電力網絡中，以一相對地的短路故障最多，約占全部故障的 90。在中性點非直接接地的電力網絡中，短路故障主要是各種相間短路。表 2.1 給出這幾種短路的簡略記號。三相系統中發(fā)生的斷路有 2 種基本類型：單相斷路和兩相斷路。表表 2.12.1 短、斷路的簡略記號短、斷路的簡略記號 短路類型示意圖代表符號三相短路二相短路單相短路二相短路接地單相斷路二相斷路)3(F)2(F)1(F)1 . 1(F2.3 故障概率故障概率運行經驗指出，架空輸電線是電力系統中比較薄弱的環(huán)節(jié)，發(fā)生短路的幾率最高，我國某電力系統多年統計出在不同范

10、圍內發(fā)生短路故障的相對次數列出如表72.2。表表 2.22.2 不同范圍能發(fā)生短路故障幾率不同范圍能發(fā)生短路故障幾率 線路范圍發(fā)生幾率在 110kV 線路上容量為 6000kW 以上的發(fā)電機110kV 變壓器110kV 母線78.0%7.5%6.5%8.0%表表 2.3 110kV110kV 線路上各種類型短路故障幾率線路上各種類型短路故障幾率短路類型發(fā)生幾率三相短路二相短路二相短路接地單相短路5%4%8%83% 從表 2.3 中的數字中可以看出單相短路幾率占壓倒性多數，國外的運行經驗也證明了這一點。三相短路的幾率是很小的，但這并不說明三相短路無關緊要，相反對三相短路應該加以重視，因為三相短路

11、的情況最嚴重，有時為了最后論斷電力系統在短路情況下工作的可能性，他起著決定性的作用。此外，研究三相短路之所以重要，還由于我們在分析計算不對稱短路時，往往把不對稱短路看成某種假定的三相短路來處理。2.4 短路計算的基本原則和規(guī)定短路計算的基本原則和規(guī)定電力系統三相短路計算主要是短路電流周期分量的計算，在給定電源電勢時，實際就是穩(wěn)態(tài)交流電路的求解。在電力系統短路電流的工程計算中，許多實際問題的解決（如電網設計中的電氣設備選擇）并不需要十分精確的結果，于是產生了近似計算的方法。在近似計算中主要是對系統元件模型和標么值參數計算做了簡化處理。在元件模型方面，忽略發(fā)電機、變壓器和輸電線路的電阻，不計輸電線

12、路的電容，略去變壓器的勵磁電流（三相三柱式變壓器的零序等值電路除外） ，負荷忽略不計或只做近似估計。在標么8值參數計算方面，在選取各級平均電壓做為基準電壓時，忽略各元件(電抗器除外)的額定電壓之比，即所有變壓器的標么變比都等于1。此外，有時還假定所有發(fā)電機的電勢具有相同的相位，加上所有元件僅用電抗表示，這就避免了復數運算，把短路電流的計算簡化為直流電路的求解。短路計算的目的是為了選擇導體和電器，并對其進行相關校驗。基本假定：短路電流實用計算中，采用以下假設條件和原則：（1）正常工作時，三相系統對稱運行；（2）所有電源的電動勢相位角相同；（3）系統中的同步和異步電機為理想電機，不考慮電機飽和、磁

13、滯、渦流及導體集膚效應等影響；轉子結構完全對稱；定子三相繞組空間相差120電氣角；（4）電力系統中各原件的磁路不飽和，即帶鐵芯的電氣設備電抗值不隨電流大小變化；（5）電力系統中所有電源都在額定負荷下運行，其中50%負荷接在高壓母線上，50%負荷接在系統側；（6）同步電機都具有自動調整勵磁裝置（包括強行勵磁） ；（7）短路發(fā)生在短路電流為最大值的瞬間；（8）不考慮短路點的電弧阻抗和變壓器的勵磁電流；（9）除計算短路電流的衰減時間常數和低壓網絡的短路電流外，元件的電阻都略去不計；（10）元件的計算參數均取其額定值，不考慮參數的誤差和調整范圍；（11）輸電線路的電容略去不計；（12）用概率統計法制定

14、短路電流運算曲線。一般規(guī)定：（1）驗算導體和電器動穩(wěn)定、熱穩(wěn)定以及電器開斷電流所用的短路電流，應按本工程的設計規(guī)劃容量計算，并考慮電力系統的遠景發(fā)展規(guī)劃（一般為本期工程建成的510年） 。確定短路電流時，應按可能發(fā)生最大短路電流的正常接線方式，而不應按僅在僅在切換過程中可能并列運行的接線方式；9（2）在電氣網絡中應考慮具有反饋作用的異步電動機的影響；（3）選擇導體和電器時，對不帶電抗器回路的計算短路點應選擇在正常接線方式時短路電流為最大的地點。對加裝電抗器的610KV 出線與廠用分支線回路，除其母線和母線隔離開關之間隔板前的引線和套管，計算短路點應選擇在電抗器前，其余導體和電器的計算短路點一般

15、選擇在電抗器后；（4）導體和電器的動穩(wěn)定、熱穩(wěn)定和電器的開斷電流，一般按三相短路驗算。若發(fā)電機出口的兩相短路或中性點直接接地系統及自耦變壓器等回路中的單相、兩相接地短路較三相嚴重時，則應按嚴重情況計算。2.5 短路點選擇原則短路點選擇原則短路計算點是指在正常接線方式時，通過電器設備的短路電流為最大的地點。所選的短路點一定要是各種短路類型是最嚴重的情況，因為只要這樣才能得出變壓器中性點的最大入地電流，算出后才能進行接地電阻允許值的計算。而且一般不止選擇一個短路點，而是通常選擇 23 個分別進行計算，然后將計算結果進行比較。2.6 短路電流計算的基本步驟短路電流計算的基本步驟在進行短路電流計算前，

16、應根據計算的目的搜集有關資料，如電力系統接線圖、運行方式、各元件的技術數據等。進行計算時，首先作出計算電路圖，再根據計算電路圖對各短路點作出等值電路圖；然后利用網絡簡化規(guī)則，將等值電路逐步簡化，求出短路回路總電抗；最后根據總電抗可求出短路電流值。2.7 電力系統故障分析計算電力系統故障分析計算題目要求題目要求某系統接線如下圖所示，電源的次暫態(tài)電動勢及各元件的序電抗均已知。當 K 點發(fā)生 c 相接地短路時，求短路起始瞬間故障點處的各序電氣量，并畫出故障點處的電壓電流相量圖。10G2G1MN10.5kv115kvT1T210.5kvLK(1)MENE各元件的參數如下：發(fā)電機 G1 31.25MVA

17、 10.5KV %12.5dX2%16X11MEKV G2 31.25MVA 10.5KV %12.5dX2%16X10.5NEKV變壓器 T1 31.25MVA 10.5/121KV %10.5KUT2 31.25MVA 10.5/121KV %10.5KU線路 12010.4/,3 ,40 xxkm xx Lkm單相斷路故障分析的計算過程解：1.計算各序網絡的等值參數K 點發(fā)生了 C 相接地短路,=100MVA 10.5KV ， 以 C 相為基準相.BSBavUU正序等值網絡：1(1)*%12.5 1000.4100100 31.25dBGBNXSXS1(1)*%10.5 1000.336

18、100100 31.25KBTBNUSXS1(1)*1221000.4 400.121115BLBBSXX LU2(1)*%12.5 1000.4100100 31.25dBGBNXSXS2(1)*%10.5 1000.336100100 31.25KBTBNUSXS11K1 jxN1 jxM1MENE1kcUj0.4j0.336j0.121j0.336j0.41kcIN1負序等值網絡：21(2)*%161000.512100100 31.25BGBNXSXS22(2)*%161000.512100100 31.25BGBNXSXS1(2)*%10.5 1000.336100100 31.25

19、KBTBNUSXS2(2)*%10.5 1000.336100100 31.25KBTBNUSXS1(1)*1221000.4 400.121115BLBBSXX LUK2 jxN2 jxM22kcUj0.512j0.336j0.121j0.336j0.5122kcIN2零序等值網絡：1(0)*%10.5 1000.336100100 31.25KBTBNUSXS120(0)*%10.5 1000.336100100 31.25KBTBNUSXS1(0)*12210033 0.4 400.363115BLBBSXX LU 0kcUj0.336j0.363j0.3360kcIK0N0 jxN0

20、jxM0各序網絡的等值參數：1110.857 0.736/ /0.40.8570.736MNXXX11111.05 0.736 1 0.8571.020.8570.736MNNMMNE XE XEXX 2220.969 0.848/ /0.450.9690.848MNXXX0000.699 0.336/ /0.230.6990.336MNXXX1.021.02 90Ej計算各序電氣量及各向量：C 相短路，以 C 相為基準的邊界條件：=; 01KCI2KCI3KCIKCU1KCU2KCU3KCU根據邊界條件，將三個序網絡串聯起來：131Z0Z2Z1aE正正序序負負序序零零序序1kaU2kaU0k

21、aU1kaI2kaI0kaI(1) 由復合序網故障點處的各序電流電壓及序功率 01201231.020.9440.40.450.23KKCKCKCUjIIIZZZj0000.944 0.230.217KcKcUj IXjj 2220.944 0.450.425KcKcUj IXjj 120()(0.2170.425)0.642KcKCKCUUUjjj 1110.642 0.9440.606KcKcKcSUIjj2220.425 0.9440.401KcKcKcSUIjj 0000.217 0.9440.205KcKcKcSUIjj (2) 求故障點處的各項電流、電壓0KaKbII133 0.9

22、442.832KcKcII 220219.4340.60.6420.4250.2170.9240.3250.9790.979KaKcIKcKcjjUUUUjjjjee 14 2202199.40.6420.4250.2170.9240.3250.979KbKcIKcKcjUUUUjjjje j0.642-j0.425-j0.217=0KCU（3）：畫出短路點電流，電壓向量圖：根據短路處的邊界條件：,。按一定比例1200.944,KCKCKCIII10.642KcUj20.425KcUj 00.217KcUj 畫出 K 點電流，電壓的向量圖如下圖：1KCU2KaUKaU1kaU0kU2KCU1k

23、bUkbU2kbUkcI0kbkaII012kckckcIII2kaI1kbI2kbI1kaI（4）求各電氣量的有名值短路點所在電壓等級的電壓、電流基值為; 11566.43BUKV1000.5023 115BIKA2.832 0.5021.422KcIKA0.979 66.465.0KaKbUUKV10.606 66.4 0.50220.20KcSMVA20.401 66.4 0.50213.37KcSMVA 00.205 66.4 0.5026.83KcSMVA153 電力系統故障仿真電力系統故障仿真3.1 三相短路系統仿真模型及各模塊參數設置三相短路系統仿真模型及各模塊參數設置圖 3.1

24、 電力系單相故障系統仿真模型（1）三相電源模塊三相電源原件是電力系統設計中最常見的電路原件，也是最重要的原件，其運行特性對電力系統的運行狀態(tài)起到決定性的作用。三相電源原件提供了帶有串聯 RL支路的三相電源。三相電源模塊參數設置包含 7 個選項，分別是相電壓（Phase-to-Phase rms voltage） ，表征的是三相電源 A 相、B 相和 C 相的相電壓；A 想相角（phase angle of 16phase A） ，單位是度（degrees） ；頻率（Frequency） ；內部連接方式（Internal connection） ；短路阻抗值（Specity impedance

25、using short-circuit level） ，用來設定在短路情況下的阻抗數值；三相電源電阻（Source resistance） ；三相電源電感；其中，內部鏈接方式有 3 種，分別是：Y 型，表示中性點不接地；Yn 型，表示中性點接地電阻或消弧線圈接地；Yg 型，表示中性點直接接地。圖 3.2 三相電源模塊的參數（2）三相線路模塊17圖 3.3 三相線路模塊參數（3）三相變壓器模塊（1）變壓器模塊變壓器模塊是變換交流電壓、電流和阻抗的器件，當初級繞組中通有交流電流時，鐵心（或磁心）中便產生交流磁通，使次級線圈中感應出電壓（或電流） 。變壓器由鐵心（或磁心）和繞組組成，繞組有兩個或兩個

26、以上的繞組，其中介電源的繞組叫初級繞組，其余的繞組叫次級繞組。按電源相數來分，變壓器單相、三相和多相幾種形式。他的重要特性參數主要有：工作頻率：變壓器鐵心損耗與頻率有很大的關系，故應根據使用頻率來設計和使用，這個頻率稱工作頻率。額定頻率：在規(guī)定的頻率和電壓下，變壓器能長期工作，而不超過規(guī)定溫升的輸出功率。額定電壓：指在變壓器的繞組上所允許施加的電壓，工作時不得大于該電壓。電壓比：指變壓器初級電壓和次級電壓的比值，有空載電壓比和負載電壓比的區(qū)別?？蛰d電流：變壓器次級開路時，初級仍有一定的電流，這部分電流稱為空載18電流?？蛰d損耗：指變壓器次級開路時在初級測得的功率損耗。主要損耗是鐵心損耗，其次是

27、空載電流在初級繞組銅祖上產生的損耗（銅損） ，這部分消耗很小。效率：指次級功率與初級功率比值的百分比。通常變壓器的額定功率越2P1P大，效率就越高。（2）標么值參數系統介紹為了便于工業(yè)應用，通常要將有名值轉換為標么值，而這需要知道相應繞組的額定功率（ P ，單位 VA） 、額定電壓（V ,單位 V）以及額定頻率（f ,單位 Hz） 。nnn對每一個繞組，其電阻和電抗的標么值定義如下：)(.).(baseupLLR (3-1)(.).(baseupLLL (3-2)nnbasePVR2)( (3- 3)nbasefRL2 (3-4)式中：V 、P 和 f 分別為一次繞組的額定電壓，額定功率和額定

28、頻率。nnn（3）雙繞組三相變壓器雙繞組三相變壓器的兩個繞組可以接成多種形式，如星形 Y、帶中性線的星形Yn、星形接地 Yg、三角形（超前星形 30）它們可以通過該功能模塊。11D19圖 3.4 變壓器模塊的參數（4）三相電壓電流測量模塊三相電壓電流測量模塊“Three-PhaseV-I Measurement”將在變壓器低壓側測量到的電壓、電流信號轉變成 Simulink 信號，相當于電壓、電流互感器的作用。20圖 3.5 三相電壓電流測量模塊的參數（5）三相故障模塊三相故障模塊提供了一種可編程的相間（phase-to-phase）和（phase-to-ground）故障斷路器中。三相故障模

29、塊使用了三個獨立的斷路器，用來模擬各種對地或者相間故障模型。三相故障模塊中的斷路器的開通和關斷時間可以由一個 Simulink 外部信號（外部控制模式）或者內部控制定時器（內部控制模式）來控制。如果不設計接地故障，接地電阻（Ground resistance）Rg 自動被設置為 10。6舉例說明如下：當設置一個 A、B 相間短路故障模型時，只需要設置 A 相故障和 B相故障屬性參數；當設置一個 A 相接地故障模型時，只需要同時設置 A 相故障和接地故障屬性參數，并且要指定一個小的接地電阻值。需要注意的是： 如果三相故障模塊被設置為外部控制（External control）模式時，在模塊的封裝

30、圖表中就會出現一個控制輸入端。連接到這個輸入端的控制信號必須是 0 或者1 之類的脈沖信號（其中 0 表示斷開斷路器，1 表示閉合斷路器） 。當三相故障模塊被設置為內部控制模式（internal control mode）時，其開關時21間（switching times）和開關狀態(tài)，均在該模塊的屬性參數對話框中進行設置。3.2 仿真結果分析仿真結果分析仿真效果圖如下所示（一）正常狀態(tài)下個測量點電壓、電流波形圖（1）電源端電壓與電流 電源端電壓22 電源端電流（2）變壓器端電壓與電流 變壓器端電壓23 變壓器端電流(3)負載端電壓與電流 負載端電壓24 負載端電流（二）C 相接地短路狀態(tài)下個測

31、量點電壓、電流波形圖：電壓波形圖：25電流波形圖：26274 結論結論本論文介紹了電力系統故障和 Matlab/Simulink 的基本特點，探索了電力系統故障中最常見的短路計算一些常用的計算方法，和 Matlab 應用的基本方法和步驟，在Matlab 軟件中電力系統仿真如何應用 SimPowerSystems 模塊庫構建電力系統故障的仿真模型并對其仿真結果進行分析，得出一下結果：應用 Matlab/simulink 進行仿真分析的結果和理論計算的結果相差不大，Matlab 仿真工具是一種很實用的工具。隨著計算機仿真技術已成為電力系統研究、規(guī)劃、設計和運行等各個方面的重要方法和手段，由于 Matlab 具有良好的開發(fā)性。高效的數據仿真分析，特別是信號處理和直觀的圖形顯示功能，且 Matlab/simulink 環(huán)境下的 SimPowerSystems 模型庫及 Simulink 強大的二次開發(fā)功能和豐富的工具箱，能快速而準確的對電路及更復雜的電力系統進行仿真、計算。因此，它已成為電力科研工作者和工程技術人員應用它來進行電力系統有關問題的仿真分析和輔助設計的理想工具。28參考文獻參考文獻1 何仰贊，溫增銀.電力系統分析（第