電力系統(tǒng)單相短路計(jì)算與仿真

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué)電力系統(tǒng)分析課程設(shè)計(jì)（論文）題目： 電力系統(tǒng)單相短路計(jì)算與仿真（1）院（系）： 專業(yè)班級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 教師職稱： 起止時(shí)間：本科生課程設(shè)計(jì)（論文）課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ)G1 T1 1 L1 2 T2 G2 1:k k:1 L3 L2 3 S3 院（系）： 教研室： 課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)GG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=30MVA，VN=10.5kV，X=0.25；T1: SN=31.5MVA，Vs%=10， k=10.5/121kV,Ps=200kW, Po=35kW,Io%=0.9；YN/d-11T2:

2、SN=31.5MVA，Vs%=10.5， k=10.5/121kV,Ps=180kW, Po=30kW,Io%=0.8；YN/d-11L1:線路長(zhǎng)90km，電阻0.15/km，電抗0.41/km，對(duì)地容納2.8×10-6S/km；L2:線路長(zhǎng)80km，電阻0.18/km，電抗0.42/km，對(duì)地容納2.78×10-6S/km； L3: 線路長(zhǎng)70km，電阻0.2/km，電抗0.40/km，對(duì)地容納2.68×10-6S/km；負(fù)荷：S3=45MVA，功率因數(shù)均為0.9.任務(wù)要求（節(jié)點(diǎn)3發(fā)生A相金屬性短路時(shí)）：1 計(jì)算各元件的參數(shù)；2 畫出完整的系統(tǒng)等值電路圖；3 忽

3、略對(duì)地支路，計(jì)算短路點(diǎn)的A、B和C三相電壓和電流；4 忽略對(duì)地支路，計(jì)算其它各個(gè)節(jié)點(diǎn)的A、B和C三相電壓和支路電流；5 在系統(tǒng)正常運(yùn)行方式下，對(duì)各種不同時(shí)刻A相接地短路進(jìn)行Matlab仿真；6 將短路運(yùn)行計(jì)算結(jié)果與各時(shí)刻短路的仿真結(jié)果進(jìn)行分析比較，得出結(jié)論。指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī)平時(shí)考核： 設(shè)計(jì)質(zhì)量： 答辯： 總成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日注：成績(jī)：平時(shí)20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計(jì)算摘 要近年來(lái)，隨著我國(guó)工業(yè)化的推進(jìn)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)也快速的發(fā)展著，與此同時(shí)電力系統(tǒng)的規(guī)模變得越來(lái)越龐大，電力系統(tǒng)在人民的日常生活和工作中擔(dān)任的角色也越來(lái)越重要，因此，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行直接影響著人們的

4、日常生活。在電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，必須考慮到可能發(fā)生的故障和不正常的運(yùn)行情況，防止其破壞對(duì)用戶的供電和電氣設(shè)備的正常工作。從電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況看，這些故障多數(shù)是由短路引起的，因此除了對(duì)電力系統(tǒng)的短路故障有一較深刻的認(rèn)識(shí)外，還必須熟練掌握電力系統(tǒng)的短路計(jì)算。關(guān)鍵詞：?jiǎn)蜗喽搪冯娏?；單相短路電壓；仿真；?錄第1章 緒論11.1 電力系統(tǒng)短路計(jì)算概述11.2 本文設(shè)計(jì)內(nèi)容1第2章 電力系統(tǒng)不對(duì)稱短路計(jì)算原理22.1 對(duì)稱分量法基本原理22.2 三相序阻抗及等值網(wǎng)絡(luò)22.3 單相不對(duì)稱短路的計(jì)算步驟2第3章 電力系統(tǒng)單相短路計(jì)算33.1 系統(tǒng)等值電路及元件參數(shù)計(jì)算33.2 系統(tǒng)等值電路及其化簡(jiǎn)3

5、3.3 單相短路計(jì)算3第4章 短路計(jì)算的仿真44.1 仿真模型的建立44.2 仿真結(jié)果及分析4第5章 總結(jié)5參考文獻(xiàn)6第1章 緒論1.1電力系統(tǒng)短路計(jì)算概述電力系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中常常會(huì)受到各種擾動(dòng)，其中，對(duì)電力系統(tǒng)影響較大的是系統(tǒng)中發(fā)生的各種故障。常見(jiàn)的故障有短路、斷線和各種復(fù)雜故障（即在不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生短路或斷線），而最為常見(jiàn)和對(duì)電力系統(tǒng)影響最大的是短路故障。因此，故障分析重點(diǎn)是對(duì)短路故障的分析。所謂短路，是指一切不正常的相與相之間或相與地之間（對(duì)于中性點(diǎn)接地的系統(tǒng)）發(fā)生通路的情況。 在三相系統(tǒng)中可能發(fā)生的短路有：三相短路,兩相短路,單相短路接地和兩相短路接地。 三相短路是對(duì)稱的,其他類型的短

6、路都是不對(duì)稱的。在各種短路類型中，單相短路占大多數(shù)，兩相短路較少，三相短路的機(jī)會(huì)最少。三相短路雖然很少發(fā)生，但情況較嚴(yán)重，應(yīng)給予足夠的重視。短路故障時(shí)短路點(diǎn)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(dòng)力效應(yīng)，導(dǎo)體間將產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力，可能使導(dǎo)體和它們的支架遭到破壞。短路時(shí)系統(tǒng)電壓大幅度下降，對(duì)用戶影響很大。系統(tǒng)中最主要的電力負(fù)荷是異步電動(dòng)機(jī)，電壓下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩顯著減少，轉(zhuǎn)速隨之下降。當(dāng)電壓大幅下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)甚至可能停轉(zhuǎn)，造成產(chǎn)品報(bào)廢，設(shè)備損壞等嚴(yán)重后果。當(dāng)短路地點(diǎn)離電源不遠(yuǎn)而持續(xù)時(shí)間又較長(zhǎng)時(shí)，并列運(yùn)行的發(fā)電廠可能失去同步，破壞系統(tǒng)穩(wěn)定，造成大片區(qū)停電。這是短路故障最嚴(yán)

7、重的后果。發(fā)生不對(duì)稱短路時(shí)，不平衡電流能產(chǎn)生足夠的磁通在鄰近的電路內(nèi)感應(yīng)出很大的電動(dòng)勢(shì)，這對(duì)于架設(shè)在高壓電力線路附近的通訊線路或鐵道訊號(hào)系統(tǒng)等會(huì)產(chǎn)生重大影響。 1.2本文設(shè)計(jì)內(nèi)容本科設(shè)主要計(jì)算單相短路及其仿真分析，具體設(shè)計(jì)安排如下：1 計(jì)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(duì)地支路，計(jì)算短路點(diǎn)的A、B和C三相電壓和電流；4 忽略對(duì)地支路，計(jì)算其它各個(gè)節(jié)點(diǎn)的A、B和C三相電壓和支路電流；5 在系統(tǒng)正常運(yùn)行方式下，對(duì)各種不同時(shí)刻A相接地短路進(jìn)行Matlab仿真；6 將短路運(yùn)行計(jì)算結(jié)果與各時(shí)刻短路的仿真結(jié)果進(jìn)行分析比較，得出結(jié)論。第2章 電力系統(tǒng)不對(duì)稱短路計(jì)算原理 2.1對(duì)稱分量法

8、基本原理所謂對(duì)稱分量法，即將三個(gè)相量分解為對(duì)稱的分量組，用于分析三相電路不對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài)的一種方法。對(duì)稱分量法是電工中分析對(duì)稱系統(tǒng)不對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài)的一種基本方法。廣泛應(yīng)用于三相交流系統(tǒng)參數(shù)對(duì)稱、運(yùn)行工況不對(duì)稱的電氣量計(jì)算。 電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)可認(rèn)為是對(duì)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(yùn)行方式的破壞主要與不對(duì)稱故障或者斷路器的不對(duì)稱操作有關(guān)。由于整個(gè)電力系統(tǒng)中只有個(gè)別點(diǎn)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(duì)稱電路的方法，而采用更簡(jiǎn)單的對(duì)稱分量法進(jìn)行分析。 電工中分析對(duì)稱系統(tǒng)不對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài)的一種基本方法。電力系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)、變壓器、電抗

9、器、電動(dòng)機(jī)等都是三相對(duì)稱元件，經(jīng)過(guò)充分換位的輸電線基本上也是三相對(duì)稱的。對(duì)于這種三相對(duì)稱系統(tǒng)的分析計(jì)算可以方便地用單相電路的方法求解。 對(duì)稱分量法是分析不對(duì)稱故障的常用方法，根據(jù)不對(duì)稱分量法，一組不對(duì)稱的三相量可以分解為正序、負(fù)序和零序三相對(duì)稱的三相量。在三相電路中，對(duì)于任意一組不對(duì)稱的三相量（電流或電壓），可以分解為三相三組對(duì)稱的相量，當(dāng)選擇a相作為基準(zhǔn)時(shí)，三相相量與其對(duì)稱分量之間的關(guān)系(如電流)為。 (2-1)式中運(yùn)算子且有, ； 分別為a相電流的正序、負(fù)序和零序分量并且有。 (2-2)當(dāng)已知三相補(bǔ)對(duì)稱的相量時(shí)，可由上式求得各序?qū)ΨQ分量，已知各序?qū)ΨQ分量時(shí)，也可以求出三相不對(duì)稱的相量，即

10、(2-3)式中 (2-4)（a）（b）（c）圖2.1三相量的對(duì)稱分量展開(kāi)(2-3)并計(jì)及式(2-2)有 (2-5)電壓的三相相量與其對(duì)稱分量之間的關(guān)系也與電流一樣。2.2三相序阻抗及等值網(wǎng)絡(luò)短路故障的計(jì)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(duì)稱短路時(shí)故障處的短路電流和電壓網(wǎng)絡(luò)的故障處，對(duì)稱分量分解后可用序電壓方程表示為幾種主要的序網(wǎng)。為使電路簡(jiǎn)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)對(duì)正序、負(fù)序和零序網(wǎng)絡(luò)內(nèi)電抗進(jìn)行Y轉(zhuǎn)換計(jì)算如下。三

11、相序阻抗化簡(jiǎn)，其等值網(wǎng)絡(luò)圖如下。圖2.5正序等值網(wǎng)絡(luò)圖2.6負(fù)序等值網(wǎng)絡(luò)圖2.7零序等值網(wǎng)絡(luò)對(duì)等效電抗進(jìn)行計(jì)算（1）正序 （2）負(fù)序（3）零序2.3單相不對(duì)稱短路的計(jì)算步驟1確定計(jì)算條件，畫計(jì)算電路圖 1）計(jì)算條件：系統(tǒng)運(yùn)行方式，短路地點(diǎn)、短路類型和短路后采取的措施。 2）運(yùn)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(jì)算目的確定系統(tǒng)運(yùn)行方式，畫相應(yīng)的計(jì)算電路圖。選電氣設(shè)備：選擇正常運(yùn)行方式畫計(jì)算圖；短路點(diǎn)取使被選擇設(shè)備通過(guò)的短路電流最大的點(diǎn)。繼電保護(hù)整定：比較不同運(yùn)行方式，取最嚴(yán)重的。2畫等值電路，計(jì)算參數(shù)； 分別畫各段路點(diǎn)對(duì)應(yīng)的等值電路。標(biāo)號(hào)與計(jì)算圖中的

12、應(yīng)一致。3網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)，分別求出短路點(diǎn)至各等值電源點(diǎn)之間的總電抗。等值電源歸算（1）同類型且至短路點(diǎn)的電氣距離大致相等的電源可歸并；（2）至短路點(diǎn)距離較遠(yuǎn)的同類型或不同類型的電源可歸并；（3）直接連于短路點(diǎn)上的同類型發(fā)電機(jī)可歸并；第3章 電力系統(tǒng)單相短路計(jì)算3.1系統(tǒng)等值電路及元件參數(shù)計(jì)算單相接地短路時(shí)，故障處的三個(gè)邊界條件為，經(jīng)過(guò)整理后便得到用序量表示的邊界條件為 (3-1)短路點(diǎn)電流和電壓的各序分量為 (3-2)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(lái)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(lái)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)稱為復(fù)合序網(wǎng)。用復(fù)合序網(wǎng)進(jìn)行計(jì)算，可以得到同樣結(jié)果。短路點(diǎn)的故障

13、相電流為 (3-3)或 (3-4)帶入式(3-4)各個(gè)數(shù)據(jù)，得由式(3-3)和式(3-1)得由式(3-2)得短路點(diǎn)非故障相的對(duì)地電壓 3.2系統(tǒng)等值電路及其化簡(jiǎn)為使電路簡(jiǎn)化，需要將線路的三角形連接轉(zhuǎn)化為星形連接，其轉(zhuǎn)化公式為。在進(jìn)行電路化簡(jiǎn)時(shí)，還需要對(duì)電源、阻抗進(jìn)行合并，其公式如下。代數(shù)得，對(duì)于正序圖， 圖3.1 單相接地短路圖3.2 單相短路的復(fù)合序網(wǎng)第4章 短路計(jì)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(shí)故障點(diǎn)A相電壓降為零，由于系統(tǒng)為不接地系統(tǒng)，即Xff無(wú)窮大，由公式可知，單項(xiàng)短路電流減為零，非故障相即BC兩項(xiàng)電壓上升為線電壓，其夾角為60。故障切除后各相電壓水平較原來(lái)升高，這是中

14、性點(diǎn)電位升高導(dǎo)致的。 圖4.1 單項(xiàng)接地（A相）電壓圖4.2 單項(xiàng)接地（A相）電流當(dāng)輸電線路發(fā)生A相接地短路時(shí)，B相、C相電流沒(méi)有變化，始終為0。在正常狀態(tài)時(shí)，三相短路故障發(fā)生器處于斷開(kāi)狀態(tài)，A相電流為0。在0.01s時(shí)，三相短路故障發(fā)生器閉合，此時(shí)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(shí)，三相短路故障發(fā)生器打開(kāi)，故障排除，此時(shí)故障點(diǎn)A相電流迅速變?yōu)?。具體的仿真波形如圖所示： 圖4.3 單項(xiàng)(A相)接地各項(xiàng)電流波形4.2仿真結(jié)果及分析系統(tǒng)采用中性點(diǎn)不接地方式時(shí)，發(fā)生單相接地故障三相間線電壓仍然對(duì)稱，不必馬上切除故障部分，提高了供電的可靠性。但是接

15、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(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行。若系統(tǒng)改為直接接地，中性點(diǎn)會(huì)與故障點(diǎn)成短路回路，線路上將流過(guò)很大的短路電流，此時(shí)系統(tǒng)不能繼續(xù)運(yùn)行，需要迅速切除故障線路。若系統(tǒng)采用中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地，故障點(diǎn)電壓、電流波形均得到改善。系統(tǒng)采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地時(shí)，由于線圈可產(chǎn)生感性電流，與容性電流相互補(bǔ)償，減少故障的故障電流，可以提高供電的可靠性。電力系統(tǒng)中性點(diǎn)的接地方式涉及系統(tǒng)電壓等級(jí)，電力網(wǎng)結(jié)構(gòu)等諸多因素，需綜合考慮各接地方式的特點(diǎn)，結(jié)合具體情況進(jìn)行選擇，以提高系統(tǒng)安全運(yùn)行的水平。第5章 總結(jié)電力系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱短路后，由于短路點(diǎn)對(duì)地故障支路的不對(duì)稱，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)電流電壓三相不對(duì)稱：。本論文解決不對(duì)稱短路的問(wèn)題核心是對(duì)稱分量法。根據(jù)對(duì)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(gè)對(duì)稱序網(wǎng)，這三組對(duì)稱序分量可分別按對(duì)稱的三相電路分解。然后將其結(jié)果疊加起來(lái)。求解不對(duì)稱短路。首先應(yīng)該計(jì)算各原件的序參數(shù)和畫出等值電路。然后制定各序網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)不同的故障類型，確定出以相分量表示的邊界條件，進(jìn)而列出以序分量表示的邊界條件