25電力系統(tǒng)兩相接地短路計算與仿真

1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學學電力系統(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)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（2）院（系）：院（系）： 電電 氣氣 工工 程程 學學 院院 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 電氣電氣 112 學學 號：號： 110303057 學生姓名：學生姓名： 李曉冬李曉冬 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 孫麗穎孫麗穎 教師職稱：教師職稱： 教授教授 起止時間：起止時間：14-06-30 至至 14-07-11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）：電氣工程學院 教研室：電氣工程及其自動化課程設(shè)

2、計（論文）任務(wù)原始資料：系統(tǒng)如圖各元件參數(shù)如下（各序參數(shù)相同）：G1、G2：SN=35MVA，VN=10.5kV，X=0.33；T1: SN=31.5MVA，Vs%=10.5， k=10.5/121kV,Ps=180kW, Po=30kW,Io%=0.8；YN/d-11T2: SN=31.5MVA，Vs%=10， k=10.5/121kV,Ps=200kW, Po=33kW,Io%=0.9；YN/d-11L12:線路長 70km，電阻 0.2/km，電抗 0.41/km，對地容納 2.7810-6S/km；L23:線路長 75km，電阻 0.18/km，電抗 0.38/km，對地容納 2.98

3、10-6S/km； L13: 線路長 85km，電阻 0.18/km，電抗 0.4/km，對地容納 2.7810-6S/km；負荷：S3=45MVA，功率因數(shù)均為 0.9.任務(wù)要求（節(jié)點 2 發(fā)生 AC 兩相金屬性接地短路時）：1 計算各元件的參數(shù)；2 畫出完整的系統(tǒng)等值電路圖；3 忽略對地支路，計算短路點的 A、B 和 C 三相電壓和電流；4 忽略對地支路，計算其它各個節(jié)點的 A、B 和 C 三相電壓和支路電流；5 在系統(tǒng)正常運行方式下，對各種不同時刻 AC 兩相接地短路進行 Matlab 仿真；6 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 1 L12 2

4、T2 G2 1:k k:1 L13 L23 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 日注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計算本科生課程設(shè)計（論文）摘 要在電力系統(tǒng)的設(shè)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，防止其破壞對用戶的供電和電氣設(shè)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(shù)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(jù)對

5、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(yīng)用對稱分量法分析計算不對稱故障時必須首先作出電力系統(tǒng)的各序網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)化簡求出各序網(wǎng)絡(luò)對短路點的輸入電抗以及正序網(wǎng)絡(luò)的等值電勢，再根據(jù)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(guān)電力系統(tǒng)故障的基本概念及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(nèi)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。關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；短路；對稱分量本科生課程設(shè)計（論文）

6、目 錄第 1 章 緒論 .11.1 電力系統(tǒng)短路計算概述 .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) .52.3 兩相接地不對稱短路的計算步驟 .6第 3 章 電力系統(tǒng)兩相短路計算 .73.1 系統(tǒng)等值電路及元件參數(shù)計算 .73.2 系統(tǒng)等值電路及其化簡 .83.3 兩相接地短路計算 .9第 4 章 短路計算的仿真 .124.1 仿真模型的建立 .124.2 仿真結(jié)果及分析 .14第 5 章 總結(jié) .17參考文獻 .18本科生課程設(shè)計（論文）1第 1 章 緒論1.1 電力系統(tǒng)短路計算概述短路是電力系統(tǒng)的

7、嚴重故障。所謂短路，是指一切不正常的相與相之間或相與地發(fā)生通路的情況。產(chǎn)生短路的原因很多，主要有以下幾個方面：（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)展成短路等；（2）氣象條件惡化，例如雷擊造成的閃絡(luò)放電或避雷器動作，架空線路由于大風或?qū)Ь€覆冰引起電桿倒塌等；（3）違規(guī)操作，例如運行人員帶負荷拉刀閘，線路或設(shè)備檢修后未拆除接地線就加上電壓等；（4）其他，例如挖溝損傷電纜，鳥獸跨接在裸露的載流部分等。在三相系統(tǒng)中，可能發(fā)生的短路有：三相短路、兩相短路、兩相短路接地和單相接地短路。短路的后果可能只破壞局部地區(qū)的正常供電，也可能威脅整個系統(tǒng)地正常運行，短路的危險

8、后果一般有以下幾個方面：（1）短路故障使短路點附近的支路中出現(xiàn)比正常值大許多倍的電流，由于短路電流的電動力效應(yīng)，導(dǎo)體間將產(chǎn)生很大的機械效應(yīng)力，可能使導(dǎo)體和它們的支架遭到破壞。 （2）短路電流使設(shè)備發(fā)熱增加，短路持續(xù)時間較長時，設(shè)備可能過熱以致?lián)p壞。 （3）短路時系統(tǒng)電壓大幅度下降，對用戶影響很大，電動機可能停轉(zhuǎn)，造成產(chǎn)品報廢，設(shè)備損壞等嚴重后果。 （4）當短路發(fā)生地點離電源不遠而持續(xù)時間又較長時，并列運行的發(fā)電廠可能失去同步，破壞系統(tǒng)穩(wěn)定，造成大片地區(qū)停電。 （5）對于架設(shè)在高壓電力線路附近的通訊線路或鐵道通訊系統(tǒng)等產(chǎn)生嚴重影響。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

9、所不可缺少的基本計算，這些問題主要是：（1）選擇有足夠機械穩(wěn)定度和熱穩(wěn)定度的電氣設(shè)備；（2）為了合理地配置各種繼電保護和自動裝置并正確整定其參數(shù)，必須對電力網(wǎng)中發(fā)生的各種短路進行計算和分析；（3）在設(shè)計和選擇發(fā)電廠和電力系統(tǒng)電氣主接線時確定是否需要采取限制短路電流的措施等；（4）進行電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定計算，研究短路對用戶工作的影響等。本科生課程設(shè)計（論文）21.2 本文設(shè)計內(nèi)容本次課設(shè)研究電力系統(tǒng)兩相接地短路的計算與仿真。任務(wù)要求（節(jié)點 2 發(fā)生 AC 兩相金屬性接地短路時）：1 計算各元件的參數(shù)；2 畫出完整的系統(tǒng)等值電路圖；3 忽略對地支路，計算短路點的 A、B 和 C 三相電壓和電流；4

10、忽略對地支路，計算其它各個節(jié)點的 A、B 和 C 三相電壓和支路電流；5 在系統(tǒng)正常運行方式下，對各種不同時刻 AC 兩相接地短路進行 Matlab仿真；6 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。本科生課程設(shè)計（論文）3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對稱分量法是分析不對稱故障的常用方法，根據(jù)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。一臺發(fā)電機接于空載輸電線路，發(fā)電機中性點經(jīng)阻抗接地。在線路某處 fnZ點發(fā)生單相（例如 a 相）短路，使故障點出現(xiàn)了不對稱的情況。a 相對地阻抗為零（不計電弧等電阻） ，a

11、相對地電壓=0，而 b、c 兩相的電faV?，F(xiàn)在在原短路點人為地接入一組三相不對稱的電勢源，電勢0,0fcfbVV源的各相電勢與上述各相不對稱電壓大小相等，方向相反。圖 2.1.(1) 單相接地短路這種情況與發(fā)生不對稱故障時等效的，也就是說，網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生的不對稱故障，可以用在故障點接入一組不對稱的電勢源來代替。這組不對稱的電勢源可分解為正序、負序和零序三組對稱分量，根據(jù)疊加原理，簡化為各序的一相等值網(wǎng)絡(luò)。注意，在一相得零序網(wǎng)絡(luò)中，中性點接地阻抗必須增大為三倍。這是因為接地阻抗上的電壓降是由三倍的一相零序電流產(chǎn)生的，從等值觀點看，也可以nZ認為是一相零序電流在三倍中型電阻抗上產(chǎn)生的壓降。acbLf

12、aEbEcE+-+aIbIcI圖3.1 簡單系統(tǒng)的單相短路本科生課程設(shè)計（論文）4圖 2.1(2) 簡化網(wǎng)絡(luò)圖雖然實際的電力系統(tǒng)接線復(fù)雜，發(fā)電機的數(shù)目也很多，但通過網(wǎng)絡(luò)化簡，任然可以得到與以上相識的的各序電壓方程式)1()1()1(fafaffeqVIZE)0()0()0(0fafaffVIZ式中，為正序網(wǎng)絡(luò)中相對于短路點的戴維南等值電勢，eqE.)1(ffZ)2(ffZ分別為正序、負序和零序網(wǎng)絡(luò)中的短路點電流的輸入阻抗，,)0(ffZ)1(faI)2(faI分別為短路點電流的正序、負序和零序分量，分別為短)0(.faI)1(faV)2(faV)0(faV路點電壓的正序、負序和零序分量。)2(

13、)2()2(0fafaffVIZ本科生課程設(shè)計（論文）5Z1Z2Z3Z4Z5B24B23B23B34B24B34Z6Z7Va(2)z8Z2Z3Z4Z5B24B23B23B34B24B34Z6Va(0)z82.2 三相序阻抗及等值網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用對稱分量法分析不對稱故障時，首先必須做出電力系統(tǒng)各序網(wǎng)絡(luò)。為此應(yīng)根據(jù)電力系統(tǒng)的接線圖、中性點接地情況等原始資料，在故障點分別施加各序電動勢，從故障點開始，逐步查明個序電流流通情況。凡是某一序電流能流通的原件，都必須包括在該序的網(wǎng)絡(luò)中，并用相應(yīng)的序參數(shù)和等值電路表示，根據(jù)上述原則，我們制定各序網(wǎng)絡(luò)圖。圖 2.2(1) 正序網(wǎng)絡(luò)圖圖 2.2(2) 負序網(wǎng)絡(luò)圖圖 2.

14、2(3) 零序網(wǎng)絡(luò)圖Z1Z2Z3E1Z4Z5B24B23B23B34B24B34Z6Z7E2Va(1)z8本科生課程設(shè)計（論文）62.3 兩相接地不對稱短路的計算步驟圖 2.3 兩相接地短路課設(shè)要求 AC 兩相接地，邊界要求為：用序量表示邊界條件： 計算步驟：1 計算各元件的參數(shù)；2 畫出完整的系統(tǒng)等值電路圖；3 忽略對地支路，計算短路點的 A、B 和 C 三相電壓和電流；4 忽略對地支路，計算其它各個節(jié)點的 A、B 和 C 三相電壓和支路電流；0fbI0faV0fcV0) 0 () 2 () 1 (fbfbfbIII) 0 () 2 () 1 (fbfbfbVVV本科生課程設(shè)計（論文）7第

15、3 章 電力系統(tǒng)兩相短路計算3.1 系統(tǒng)等值電路及元件參數(shù)計算圖3.1 等值電路圖輸電線路的電阻、等值電抗和電納分別為：142 . 07012RL7 .2841. 07012XLSBL101066126 .19478. 2705 .1318. 07523RL5 .2838. 07523XLSBL101066235 .22398. 2753 .1518. 08531RL344 . 08531XLSBL101066313 .25398. 285jxG 1jxT1jxL13jxL23jxL12jxT2jxG 2jxS3Y 13Y 13Y 23Y 23Y 12Y 12+-E1E2E3.本科生課程設(shè)計（

16、論文）8變壓器 T1變壓器T2 3.2 系統(tǒng)等值電路及其化簡該系統(tǒng)中沒有中性點接地的阻抗、空載線路以及空載變壓器，所以正序網(wǎng)絡(luò)包含所有元件。令所有電源的負序電勢為零，就得到了負序網(wǎng)絡(luò)。因G1、G2中性點沒接地，因此沒有零序電流流過，所以零序網(wǎng)絡(luò)中不包含它們。系統(tǒng)的各序網(wǎng)絡(luò)如圖所示。jxG 1(1)jxT1jxL12jxT2jxG 2(1)jxL13jxS3jxL23+-+E1E2.圖3.2.(1) 正序網(wǎng)絡(luò)02. 0105 .315 .1018010232321NNSTSVPR35. 010105 .315 .101010%3221NNSTSVVX02. 0105 .315 .10170102

17、32322NNSTSVPR35. 010105 .315 .101010%3222NNSTSVVX本科生課程設(shè)計（論文）9jxG 1(2)jxT1jxL12jxT2jxG 2(2)jxL13jxS3jxL23.圖3.2.(2) 負序網(wǎng)絡(luò)jxT1jxL12jxT2jxL13jxS3jxL23.圖3.2.(3) 零序網(wǎng)絡(luò)3.3 兩相接地短路計算取全系統(tǒng)的基準功率 。基準電壓等于各級平均額定電壓。各元件等值電抗的標幺值計算如下： 299. 010033. 05 .102)1(xG299. 010033. 05 .102)2(xG32. 05 .101005 .315 .1010010100%2221

18、211BBNNSTVSSVVxAMVSB100本科生課程設(shè)計（論文）1032.05.101005.315.1010010100%2222222BBNNSTVSSVVx217. 010041. 07011521xL215. 010038. 07511522xL257. 010040. 08511523xl179.081.079.081.0eqE50. 081. 0179. 011)1(ffX50. 081. 0179. 011)2(ffX29. 040. 0138. 0111 . 0)0(ffX短路點故障相的電流即 A、C 相電流為：jjXXXjIffffffffbV46. 1)29. 0/5

19、. 05 . 0 (1)/() 0 () 2 () 1 () 0 () 1 (jjIXXXIfbfffffffb54. 046. 129. 05 . 029. 0) 1 () 0 () 2 () 0 () 2 (jjIXXXIfbfffffffb92. 046. 129. 05 . 05 . 0) 1 () 0 () 2 () 2 () 0 (本科生課程設(shè)計（論文）11根據(jù)上式可以求得兩相短路接地時故障相電流即 A、C 相電流的絕對值為：短路點非故障相電壓即 B 點電壓為：80. 007. 0)46. 1()29. 05 . 029. 05 . 0()(120240) 1 () 0 () 2

20、() 0 () 2 (2) 0 () 2 () 1 (2jjeeIXXXaXaIIaIaIjjfbfffffffffbfbfbfaoo80. 007. 0)46. 1()29. 05 . 029. 05 . 0()(240120) 1 ()0()2()0(2)2()0()2(2) 1 (jjeeIXXXaXaIIaIaIjjfbfffffffffbfbfbfcoo22. 246. 129. 05 . 029. 05 . 013132) 1 (2) 2() 0 () 2() 0 () 1 , 1 (fbfffffffffcfafIXXXXIII81.033)1()0()2()0()2()1(fb

21、fffffffffbfbIXXXXjVV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(wǎng)絡(luò)、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(fù)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)定性的措施是多樣的,

22、 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SimPowerSystems。本科生課程設(shè)計（論文）13圖 4.1 仿真連線圖本科生課程設(shè)計（論文）144.2 仿真結(jié)果及分析通過建立電力系統(tǒng)的基本模型，參考實際電力系數(shù)參數(shù)，對系統(tǒng)的參數(shù)進行設(shè)置，模擬電力系統(tǒng)運行，對電力系統(tǒng)運行中出現(xiàn)的故障進行設(shè)置，模擬故障時系統(tǒng)狀態(tài)，得出各時段的電壓和電流波形圖，通過分析各個波形，了解了發(fā)生兩相接地短路故障時電力系統(tǒng)的詳細情況。圖 4.2 故障 A 相電壓圖 4.3 故障 A 相電流圖

23、4.4 故障 B 相電壓本科生課程設(shè)計（論文）15圖 4.5 故障 B 相電流圖 4.6 故障 C 相電壓圖 4.7 故障 C 相電流由圖所示波形可以發(fā)現(xiàn)，仿真開始時，系統(tǒng)工作在穩(wěn)定狀態(tài)，三相電壓、電流對稱，都按正弦波變化，當 AC 相發(fā)生兩相接地短路時，AC 兩相對地電壓劇降為零，B 相非故障相電壓基本沒有變化；再觀察電流，在故障發(fā)生前三相的對地電流都為零，兩相接地故障后，B 相電流則保持原樣，A 相和 C 相電流迅速增大為短路電流。便處于突然短路的過渡過程中，這個過程雖然短暫，但短路電流的峰值很大，可達額定電流的 10 倍以上。同時，發(fā)生突然短路時，電功率無法輸出，使發(fā)電機轉(zhuǎn)速升高而失去同

24、步，破壞了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。故障后三相電壓、本科生課程設(shè)計（論文）16電流不再對稱，說明兩相接地短路為不對稱短路。故障切除后，三相電壓電流經(jīng)暫態(tài)后達到新的穩(wěn)定狀態(tài)。以上仿真分析結(jié)果符合實際。在仿真過程中由于沒有足夠的參考已知值，大部分參數(shù)都是假定的，因此與實際的電力系統(tǒng)仿真有一定的差距。由于某些參數(shù)設(shè)置還是不厚理想，仿真結(jié)果誤差較大。本科生課程設(shè)計（論文）17第 5 章 總結(jié)本次課程設(shè)計主要是對我們課程的一個鞏固和深入的理解，從開始的茫然，到慢慢看書理解，再到自己獨立完成這個題目，從中學到了很多東西。首先，電力系統(tǒng)中存在很多不穩(wěn)定的因素，可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)故障，從而影響人們的正常生活甚至造成經(jīng)濟

25、或人身的重大傷害。而在這些故障里最容易發(fā)生的就是短路故障，讓我更清晰的認識為什么要做短路電流的計算，短路電流的危害，以及怎樣做短路電流的計算，還有實際電廠和變電站限制短路電流的方法。其次，我這次的題目是兩相接地短路電流的計算。這是一種多發(fā)的短路電流的形式，雖然危害比不上三相短路電流，但是也要引起重視。相比三相短路電流的計算來說，兩相接地短路的不同在于：要將不對稱短路轉(zhuǎn)換到對稱短路中進行計算，而其他都是大同小異。再者，我通過查閱資料和使用軟件對短路電流的計算更熟練，真正的才是直觀的認識到書本上學習的知識是需要實際的操作來強化的。本科生課程設(shè)計（論文）18參考文獻1 何仰贊，溫增銀. 電力系統(tǒng)分析(上冊)(第三版)