電力系統(tǒng)兩相接地短路計算與仿真(4)

1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學學電力系統(tǒng)計算電力系統(tǒng)計算 課程設計（論文）課程設計（論文）題目：題目： 電力系統(tǒng)兩相接地短路計算與仿真（電力系統(tǒng)兩相接地短路計算與仿真（4 4） 院（系）：院（系）： 電氣工程學院電氣工程學院 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 電氣電氣081081 學學 號：號： 080303021080303021 學生姓名：學生姓名： 指導教師：指導教師： （簽字）起止時間：起止時間：11-06-2611-06-26至至11-07-0211-07-02本科生課程設計（論文）GG課程設計（論文）任務及評語課程設計（論文）任務及評語院（系）：電氣工程學院 教研室：電氣工程及其自動化課程設

2、計（論文）任務原始資料：系統(tǒng)如圖各元件參數標幺值如下（各元件及電源的各序阻抗均相同）：T1：電阻 0.01，電抗 0.15，k=1.1，標準變比側 YN接線，非標準變比側 接線；T2：電阻 0.01，電抗 0.15，k=1.05，標準變比側 YN接線，非標準變比側 接線；L24: 電阻 0.028，電抗 0.08，對地容納 0.4；L23: 電阻 0.03，電抗 0.68，對地容納 0.03；L34: 電阻 0.025，電抗 0.06，對地容納 0.032；G1 和 G2：電阻 0，電抗 0.15，電壓 1.1；負荷功率：S1=0.45+j0.2；任務要求：當節(jié)點 4 發(fā)生 B、C 兩相金屬性

3、接地短路時，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 BC 兩相接地短路進行 Matlab 仿真；5 將短路運行計算結果與各時刻短路的仿真結果進行分析比較，得出結論。G1 T1 2 L24 4 T2 G2G G 1:k k:1 L23 L34 3 S1 本科生課程設計（論文）指導教師評語及成績平時考核： 設計質量： 論文格式： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日本科生課程設計（論文）I摘 要在電力系統(tǒng)的設計和運行中，必須考慮到可能發(fā)生的故障和不正常的運行情況

4、，防止其破壞對用戶的供電和電氣設備的正常工作。從電力系統(tǒng)的實際運行情況看，這些故障多數是由短路引起的，因此除了對電力系統(tǒng)的短路故障有一較深刻的認識外，還必須熟練掌握電力系統(tǒng)的短路計算。這里著重介紹簡單不對稱故障兩相短路接地的常用計算方法。對稱分量法是分析不對稱故障常用方法，根據對稱分量法，一組不對稱的三相量可以分解為正序、負序和零序三相對稱的三相量。在應用對稱分量法分析計算不對稱故障時必須首先做出電力系統(tǒng)的各序網絡，通過網絡化簡求出各序網絡對短路點的輸入電抗以及正序網絡的等值電勢，再根據不對稱短路的不同類型，列出邊界方程，以求得短路點電壓和電流的各序分量。本論文介紹有關電力系統(tǒng)故障的基本概念及

5、故障計算中標幺值的特點，并通過短路計算對電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)有一個初步的認識，同時對電力系統(tǒng)進行不對稱故障的分析計算，主要內容為兩相接地短路的分析計算，最后，通過 Matlab 軟件對接地短路故障進行仿真，觀察仿真后的波形變化，將短路運行計算結果與各時刻短路的仿真結果進行分析比較，得出結論。關鍵詞：關鍵詞：短路計算、兩相短路接地、對稱分量法本科生課程設計（論文）II本科生課程設計（論文）III目 錄第 1 章 緒論 .11.1 短路概述 .11.2 本文研究內容 .2第 2 章 對稱分量法 .32.1 不對稱分量法的分解 .32.2 對稱分量法在兩相接地短路中的應用 .42.3 計算短路點的 A

6、、B 和 C 三相電壓和電流 .72.4 計算各條支路的電壓和電流 .82.5 計算其它各個節(jié)點的 A、B 和 C 三相電壓和電流 .9第 3 章 MATLAB 仿真.103.1 MATLAB仿真電路圖 .103.1.1 仿真結果.11第 4 章 仿真結果進行分析比較 .13第 5 章 課程設計總結 .14參考文獻 .15本科生課程設計（論文）1第 1 章 緒論1.1 短路概述電力系統(tǒng)短路類型、短路計算的目的和意義進行簡要闡述電力系統(tǒng)在運行過程中常常會受到各種擾動,其中對電力系統(tǒng)運行影響較大的是系統(tǒng)中發(fā)生的各種故障.常見的故障有短路,斷線和各種復雜故障.因此,故障分析重點是對短路故障的分析。電

7、力系統(tǒng)在正常運行時,除中性點以外,相與相,相與地之間是絕緣的,所謂短路是指相與相或相與地之間發(fā)生短接。本文研究的是兩相接地短路。短路故障發(fā)生原因：電力系統(tǒng)短路發(fā)生的原因很多,既有客觀的,也有主觀的,而且由于設備的結構和安裝地點的不同,引發(fā)短路故障的原因也不相同。但是,根本原因是電器設備載流部分相與相之間或相與地之間的絕緣遭到破壞。例如,架空線路的絕緣子可能由于受到雷電過電壓而發(fā)生閃絡,或者由于絕緣子表面的污穢而在正常工作電壓下放電。再如發(fā)電機,變壓器,電纜等設備中載流部分的絕緣材料載運性中損壞.有時因鳥獸跨接在裸露的載流部分,或者因為大風或在導線上覆冰,引起架空線路干塔倒塌而造成短路。此外,線

8、路檢修后,在未拆除地線的情況下運行人員就對線路送電而發(fā)生的誤操作,也會引起短路故障。短路故障的危害：短路對電器設備和電力系統(tǒng)的正常運行都有很大的危害.發(fā)生短路后,由于電源供電回路阻抗的減小以及產生的暫態(tài)過程,是短路回路中的電流急劇增加,其數值可能超過該回路額定電流的許多倍。 短路點據發(fā)電機的電氣距離越近,短路電流越達。例如發(fā)電機端發(fā)生短路時,流過定子繞組的短路電流最大順時值可能達到發(fā)電機額定電流的 1015 倍.再大容量的電力系統(tǒng)中,短路電流可達幾萬安,甚至幾十萬安。在短路點出產生的電弧可能會燒壞設備,而且短路電流流過導體時,所產生的熱量可能會引起導體或絕緣損壞。另外,導體可能會受到很大的電動

9、力沖擊,致使其變形甚至損壞。短路將引起電網中的電壓降低,特別是靠近短路點處的電壓下降最多,是部分用戶的供電受到影響。例如,負荷中的異步電動機,由于其電磁轉矩與電壓的平方成正比,當電壓降低時,電磁轉矩將顯著減小,使電動機轉速變慢或甚至完全停轉,從而造成廢品及設備損壞等嚴重后果。本科生課程設計（論文）2短路故障：可能引起系統(tǒng)失去穩(wěn)定。不對稱接地短路所引起的不平衡電流將在線路周圍產生不平衡磁通,結果在臨近的通信線路中可能感應出相當大的感應電動勢,造成對通信系統(tǒng)的干擾,甚至危機通信設備和人身安全。 短路故障分析的內容和目的：短路故障分析的主要內容包括故障后電流的計算,短路容量(短路電流與故障前電壓的乘

10、積)計算,故障后系統(tǒng)中各點電壓的計算以及其他的一些分析和計算,如故障時線路電流與電壓之間的相位關系等。短路電流計算與分析的主要目的在于應用這些計算結果進行機電保護設計和整定值計算,開關電器,串聯電抗器,母線,絕緣子等電器設備的設計,制定限制短路電流的措施和穩(wěn)定性分析等。 限制短路故障危害的措施：1)電力系統(tǒng)設計和運行時,都要采取適當的措施來降低發(fā)生短路故障的概率,例如采用合理的防雷措施,降低過電壓水平,使用結構完善的配電裝置和加強運行維護管理等。同時還要采取減少短路危害的措施,其中,最主要的是迅速將發(fā)生短路的元件從系統(tǒng)中切除,使無故障部分的電網繼續(xù)正常運行。2)在發(fā)電廠,變電所及整個電力系統(tǒng)的

11、設計和運行中,需要合理地選擇電器接線,恰當地選用配電設備和短路器,正確地設計機電保護以及選擇限制短路電流的措施等,而則些都必須以段路故障設計計算結果作為依據。3)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,而且與電源特性,網絡元件的電磁參數有關。1.2 本文研究內容本課程的課程設計是電氣工程極其自動化專業(yè)學生學習完電力系統(tǒng)分析課程后，進行的一次的綜合訓練，其目的在于加深對電力系統(tǒng)短路方面的基礎理論和基本知識的理解，掌握各種短路的計算方法以及接地支路對短路電流的影響。任務要求：節(jié)點 4 發(fā)生 B、C 兩相金屬性接地短路時1 計算短路點的 A、B 和 C 三相電

12、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 BC 兩相接地短路進行 Matlab本科生課程設計（論文）3仿真；本科生課程設計（論文）422(1)(2)(0)1113111aaabcaIIaaIaaIII(1)2(2)2(0)11111aabacaIIIaaIaaII(1)(2)(0)aaaaIIII(1)(2)(0)ccccIIII2(1)(1)(1)(1),acabIa IIaI(0)(0)(0)bcaIII2(2)(2)(2)(2),acabIaIIa I第 2 章 對稱分量法2.1 不對稱分量法

13、的分解對稱分量法是分析不對稱故障的常用方法，根據不對稱分量法，一組不對稱的三相量可以分解為正序、負序和零序三相對稱的三相量。在三相電路中，對于任意一組不對稱的三相量（電流或電壓） ，可以分解為三相三組對稱的相量，當選擇 a 相作為基準時，三相相量與其對稱分量之間的關系(如電流)為： (2-1)式中運算子1202240,jjaeae且有2310,1aaa；(1)(2)(0)aaaIII、分別為a 相電流的正序、負序和零序分量并且有： (2-2)當已知三相補對稱的相量時，可由上式求得各序對稱分量，已知各序對稱分量時，也可以求出三相不對稱的相量，即 (2-3)展開（2-3）并計及（2-2）有 (1)

14、(2)(0)bbbbIIII本科生課程設計（論文）5(2-4) 電壓的三相相量與其對稱分量之間的關系也與電流一樣。本科生課程設計（論文）1Z1Z2Z3Z4Z5B24B23B23B34B24B34Z6Z7Va(2)z8Z1Z2Z3E1Z4Z5B24B23B23B34B24B34Z6Z7E2Va(1)z8j0.150.01+j0.150.01+j0.15j0.150.028+0.08jS1=0.45+j0.20.03+j0.68G20.025+j0.06G1j0.41.1j0.41.1j0.032j0.03j0.032j0.032.2 對稱分量法在兩相接地短路中的應用根據課題的初始參數我們的畫的等

15、值電路圖（圖 2.1） 。圖 2.1 等值電路圖根據給出短路圖和對稱分量法發(fā)出各序等效電路圖： 圖 2.2 正序電路圖 本科生課程設計（論文）2Z2Z3Z4Z5B24B23B23B34B24B34Z6Va(0)z8圖 2.3 負序電路圖 圖 2.4 零序電路圖應用對稱分量法分析兩相短路接地，可以寫出各序網絡故障點的電壓方程式（2-4） ，當網絡的各元件都只用電抗表示時，上述方程可以寫成(1)(1)(1)eqfafaffEXIV(2)(2)(2)fafaffXIV (2-5)(0)(0)(0)fafaffXIV式中，(0)eqfEV ，即是短路點發(fā)生前故障點的電壓。這三個方程式包含了 6 個未知

16、量，因此，還必須有兩相短路接地的邊界條件寫出另外三個方程。兩相（b 相和 c 相）短路接地時故障處的情況（如圖 2.5） 。圖 2.5 兩相接地短路故障處的邊界條件為: 0,0,0fafbfcIVV用序分量表示的邊界條件為：0)0()2() 1 (fafafaIII )0()2() 1 (fafafaVVV(2-6)本科生課程設計（論文）3圖 2.6 復合序網根據邊界條件繪出復合序網如圖所示通過化簡各序網絡圖得：1.06730.0752eqEj(1)0.01670.1620ffZj(2)0.01560.1452ffZj(0)0.00720.0665ffZj (2-7)由（2-6）和（2-7）可

17、以得到(0)(1)(1)(2)(0)(/ /)eqfaffffffEIZZZ(0)(2)(1)(2)(0)fffafaffffZIIZZ (2)(0)(1)(2)(0)fffafaffffZIIZZ （2-(2)(0)(1)(1)(2)(0)(2)(0)fffffafafafaffffZZVVVIZZ8）短路點故障相得電流為2(1)(2)(0)fbfafafaIa IaII （2-2(1)(2)(0)fcfafafaIaIa II9）本科生課程設計（論文）4根據上式可以得到兩相短路接地時故障相電流的絕對值為 （2-(0)(2)(1,1)(1)2(2)(0)3 1()fffffaffbfcfff

18、fZZIIIIZZ10）短路點非故障相電壓為 (2-11)(2)(0)(1)(1)(2)(0)(1)(2)(0)33fffffafafafafafaffffZZVVVVVjIZZ2.3 計算短路點的 A、B 和 C 三相電壓和電流計算短路點各序各相電壓和電流當節(jié)點 4 發(fā)生單相金屬性短路時，計算短路點的電壓和電流。(0)(1)(1)(2)(0)(/)1.06730.0752(0.01560.1452)*(0.00720.0665)0.01670.1620(0.01560.1452)(0.00720.0665)0.21325.1680eqfaffffffEIZZZjjjjjjj(0)(2)(1)

19、(2)(0)0.00720.0665(0.21325.1680)(0.01560.1452)(0.00720.0665)0.06521.6773fffafaffffZIIZZjjjjj (2)(0)(1)(2)(0)0.81340.03940.02280.21170.16153.4134fffafaffffZIIZZjjj (2)(0)(1)(1)(2)(0)(2)(0)(0.00440.0611)*(0.21325.1680)0.26770.0162fffffafafafaffffZZVVVIZZjjj2(1)(2)(0)240120(0.21325.1680)*( 0.06511.6773

20、)(0.16153.4134)6.22925.0135fbfafafajjIa IaIIjejejj 2(1)(2)(0)120240(0.21325.1680)*( 0.06711.7446)*( 0.16153.4134)5.75735.4534fcfafafajjIaIa IIjejejj 本科生課程設計（論文）5(1)(2)(0)(1)33*(0.26770.0162)0.80310486fafafafafaVVVVVjj2.4 計算各條支路的電壓和電流(1)(2)(0)2.3850.80 1.5850fafafafaIIII2(1)(2)(0)240120130.772.3850.8

21、1.5853.642fbfafafajjjIa IaIIeee2(1)(2)(0)120240130.772.3850.81.5853.642fcfafafajjjIaIa IIeee(1)(2)(0)(1)33* 0.3110.933fafafafafaVVVVVjj2(1)(2)(0)9024090120900.3110.3110.3110fbfafafajjjVa VaVVeee2(1)(2)(0)9012090240900.3110.3110.3110fbfafafajjjVaVa VVeee.12010.3035.2460.0110.19fffIIIjj.2012120220.1*0

22、.547651.577050.06550.188633* 0.33330.000010.99990.00003ffffffafZZUUUIIZjjZZUUjj 本科生課程設計（論文）12.5 計算其它各個節(jié)點的 A、B 和 C 三相電壓和電流23122123VVVVZZ23323123VVVVZZ解得11.0377-j0.0678V 31.0325-j0.1023V 322132VVZZ21.0256-j0.1223V 所以節(jié)點 1、2 的電壓12120.01940.0544VVVj211210.0123 -j 0.0006VVIZ11.0578 - j0.1005V

23、2748j0.0014ZVIIZZ本科生課程設計（論文）2第 3 章 Matlab 仿真 3.1 Matlab 仿真電路圖目前，電力系統(tǒng)仿真軟件有很多，Matlab以其強大的計算能力、友好的動態(tài)仿真環(huán)境和豐富的工具箱越來越成為從事包括電力網絡、電力電子和控制系統(tǒng)等電力系統(tǒng)學習和研究的重要仿真工具。電力系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定控制是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的第一道防線。暫態(tài)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在受到大干擾( 如短路故障, 突然增加或減少發(fā)電機出力、大量負荷, 突然斷開線路等) 后, 各同步發(fā)電機保持同步運行并過渡到新的或恢復到原來穩(wěn)態(tài)運行方式的能力, 通常指第一或第二振蕩周期不失步。提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的措施是

24、多樣的, 本文以單機無窮大系統(tǒng)為例, 主要對電力系統(tǒng)穩(wěn)定器、快速切除故障、故障限流器、單相自動重合閘等措施在提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性方面的作用運用MATLAB 的電力系統(tǒng)仿真模塊集SimPowerSystemsBlockset( 以下簡稱 PSB) 進行仿真分析。圖 3.1 仿真電路圖本科生課程設計（論文）13.2 仿真結果圖 3.2 仿真圖本科生課程設計（論文）2第 4 章 仿真結果進行分析比較正序3141Z =0.46j Z =0.0004-0.02j21L24Z =Z=0.03+0.08j2241214131E =Z *E /(Z +Z )=1.05*(0.0004-0.02j)/(0.4

25、6j+0.0004-0.02j)=0.004-0.002j224131413121Z =Z *Z /(Z +Z )+Z =0.46j*(0.0004-0.02j)/(0.46j+0.0004-0.02j)+0.03+0.08j =0.02+0.0796j4122E =E =0.004-0.002j24B =-0.02j2322242422E =E *B /(B +Z )=(0.003-0.002j)*(-0.02j)/(-0.02j+0.02+0.0796j)=0.007+0.003j2322242422Z =Z *B /(B +Z )=(0.02+0.0796j)*(-0.02j)/(-0.

26、02j+0.02+0.0796j)=0.1596+0.278j負序1313E =1.05 Z =0.35j1413132323I =E /Z +E /Z =(1.05/0.35j+0.007+0.003j)/(0.1596+0.278j)=0.763-6.587j1413231323Z =(Z *Z )/(Z +Z )=0.35j*(0.1596+0.278j)/(0.35j+0.1596+0.278j)=0.017+0.104j2114I = I =0.763-6.587j零序T2Z =0.2jB24Z=-0.02jL24Z=0.03+0.08j21T2B24T2B24L24Z =Z *Z/(Z +Z)+Z=0.2j*(-0.02j)/ 0.2j+(-0.02j)+0.03+0.08j=0.03+0.058j24B =-0.02j2221242421Z =Z *B /(B +Z )=(0.03+0.058j)*(-0.02j)/(-0.02j+0.03+0.058j)=0.005-