電力系統(tǒng)兩相接地短路計算與仿真

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上©遼 寧 工 業(yè) 大 學電力系統(tǒng)分析課程設計（論文）題目： 電力系統(tǒng)兩相接地短路計算與仿真（1）院 （系）： 工程技術(shù)學院 專業(yè)班級： 電氣工程及其自動化 學 號： 學生姓名： 指導教師： 教師職稱： 助教 起止時間：2015-06-15至2015-06-26專心-專注-專業(yè)課程設計（論文）任務及評語院（系）：工程技術(shù)學院 教研室：電氣教研室課程設計（論文）任務原始資料：系統(tǒng)如圖G1 T1 2 L24 4 T2 G2 1:k k:1 L23 L34 3 S1 GG各元件參數(shù)標幺值如下（各元件及電源的各序阻抗均相同）：T1：電阻0，電抗0.2，k=1.1，標準

2、變比側(cè)YN接線，非標準變比側(cè)接線；T2：電阻0，電抗0.15，k=1.05，標準變比側(cè)YN接線，非標準變比側(cè)接線；L24: 電阻0.03，電抗0.08，對地容納0.04；L23: 電阻0.023，電抗0.068，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0.15，電壓1.1；負荷功率：S1=0.5+j0.2；任務要求：當節(jié)點2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

3、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。指導教師評語及成績平時考核： 設計質(zhì)量： 論文格式： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日摘 要近年來，隨著我國工業(yè)化的推進，國民經(jīng)濟也快速的發(fā)展著，與此同時電力系統(tǒng)的規(guī)模變得越來越龐大，電力系統(tǒng)在人民的日常生活和工作中擔任的角色也越來越重要，因此，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行直接影響著人們的日常生活。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，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(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

4、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作出電力系統(tǒng)的各序網(wǎng)絡，通過網(wǎng)絡化簡求出各序網(wǎng)絡對短路點的輸入電抗以及正序網(wǎng)絡的等值電勢，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。關鍵詞：短路計算；對稱分量法；MATLAB仿真；兩相短路接地。目 錄第1章 緒論1.1短路故障計算的原因電力系統(tǒng)在運行過程中常常會受到各種擾動，其中，對電力系統(tǒng)影響較大的是系統(tǒng)中發(fā)生的各種故

5、障。常見的故障有短路、斷線和各種復雜故障（即在不同地點同時發(fā)生短路或斷線），而最為常見和對電力系統(tǒng)影響最大的是短路故障。因此，故障分析重點是對短路故障的分析。所謂短路，是指一切不正常的相與相之間或相與地之間（對于中性點接地的系統(tǒng)）發(fā)生通路的情況。1.2 短路發(fā)生的原因電力系統(tǒng)短路故障發(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(jié)構(gòu)和安裝地點的不同，引發(fā)短路故障的原因也不同。但是，根本原因是電氣設備載流部分相與相之間或相與地之間的絕緣遭到破壞。主要有：元件損壞，氣象條件惡化，違規(guī)操作和其他,例如挖溝損壞電纜，鳥獸跨接在裸露的載流部分等。1.3短路的危害（1）短路故障時短路點附近的支路中

6、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，導體間將產(chǎn)生很大的機械應力，可能使導體和它們的支架遭到破壞。（2）短路電流使設備發(fā)熱增加，短路持續(xù)時間較長時，設備可能過熱以致?lián)p壞。短路時系統(tǒng)電壓大幅度下降，對用戶影響很大。系統(tǒng)中最主要的電力負荷是異步電動機，電壓下降時，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩顯著減少，轉(zhuǎn)速隨之下降。當電壓大幅下降時，電動機甚至可能停轉(zhuǎn)，造成產(chǎn)品報廢，設備損壞等嚴重后果。（3）當短路地點離電源不遠而持續(xù)時間又較長時，并列運行的發(fā)電廠可能失去同步效果，破壞系統(tǒng)穩(wěn)定，造成大片區(qū)停電。這是短路故障最嚴重的后果。（4）發(fā)生不對稱短路時，不平衡電流能產(chǎn)生足夠的磁通在鄰近的電路內(nèi)感應出很大的

7、電動勢，這對于架設在高壓電力線路附近的通訊線路或鐵道訊號系統(tǒng)等會產(chǎn)生重大影響。第2章 數(shù)學模型在電力系統(tǒng)的電氣計算中，常用等值電路來描述系統(tǒng)元件的特性。電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)基本上是三相對稱的或者可化為三相對稱。因此，等值電路中的參數(shù)是涉及了其余兩相影響的的一相等值參數(shù)。2.1架空輸電線的等值電路和參數(shù)設有長度為L的輸電線路，其參數(shù)沿線均勻分布單位長度的阻抗和導納分別為, 。在距末端x處取一段dx，可作出等值電路如圖2.1所示。圖2.1 長線等值電路在正弦電壓下處于穩(wěn)態(tài)時，x=L時，可得到線路首端電壓和電流與線路末端電壓和電流的關系如下：稱為線路的傳播常數(shù)，稱為線路的波阻抗。對于高壓架空線路，略去

8、電阻和電導時，便有將上述方程通網(wǎng)絡的通用方程：相比較，若取:輸電線路就是對稱的無源二端口網(wǎng)絡，并可用對稱的等值電路來表示，實際計算中大多采用型等值電路，如圖2.2所示。圖2.2令 分別代表全線的總阻抗和總導納，則： 式中 由此可見，將全線的總阻抗Z和總導納分別乘以修正系數(shù)，便可得型等值電路的精確參數(shù)。2.2變壓器等值電路和參數(shù)變壓器的參數(shù)一般指其等值電路，見圖2.3中的電阻、電抗、電導和電納。圖2.3 雙繞組變壓器變壓器的變比也是一個參數(shù)，變比。變壓器的前四個參數(shù)可以從出廠銘牌上代表電氣特性的四個數(shù)據(jù)計算得到。這四個數(shù)據(jù)時短路損耗，短路電壓，空載損耗，空載電流。前兩個數(shù)據(jù)由短路試驗得到，后兩個

9、數(shù)據(jù)由空載試驗得： 變壓器阻抗=是折算到原方的值，K=是變壓器的變比。變壓器型等值電路中三個阻抗（導納）都與變比K有關，型的兩個并聯(lián)支路的阻抗（導納）的符號總是相反的。三個支路阻抗之和等于零。變壓器型等值電路如圖2.4所示。圖2.4 變壓器型等值電路2.3不對稱分量的分解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。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：式中運算子，且有，：、 分別為a相電流的正序、負序和零序分量并

10、且有：，正序分量的相序與正常對稱運行下的相序相同，而負序分量的相序則與正序相反，零序分量則三相同相位。當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，也可以求出三相不對稱的相量，即 展開有 電壓的三相相量與其對稱分量之間的關系也與電流一樣。2.4兩相接地短路的數(shù)學分析在三相系統(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。三相短路也稱為對稱端粒，系統(tǒng)各相與正常運行時一樣仍出入對稱狀態(tài)。其他類型的短路都是不對稱短路。兩相（b相和c相）短路接地，兩相短路接地時故障處的情況示于圖2-1。故障處的三個邊界條件為：，圖2.5 兩相短路接地這些條件同單相短路

11、的邊界條件極為相似，只要把單相短路邊界條件式中的電流換成電壓，電壓換成電流就是了。根據(jù)邊界條件繪出復合序網(wǎng)如圖2.6所示.jXff(2)Ua(2)Ifa(2)jXff(0)Ua(0)Ifa(0)jXff(1)Ua(1)Ifa(1)Eeq+-.圖2.6 兩相短路接地的復合序網(wǎng)圖根據(jù)邊界條件組成的兩相短路接地的復合序網(wǎng)示于圖2-2 。由圖可得：短路點故障相得電流為根據(jù)上式可以得到兩相短路接地時故障相電流的絕對值為 短路點非故障相電壓為:第3 章 兩相短路接地計算3.1兩相短路接地各序網(wǎng)絡的制定應用對稱分量法分析計算不對稱故障時，首先必須作出電力系統(tǒng)的各序網(wǎng)絡。為此，應根據(jù)電力系統(tǒng)的接線圖、中性點接

12、地情況等原始資料，在故障點分別施加各序電勢，從故障點開始，逐步查明各序電流流通的情況。凡是某一序電流能流通的元件，都必須包括在該序網(wǎng)絡中，并用相應的序參數(shù)和等值電路表示。根據(jù)上述原則，我們結(jié)合圖3.1來說明各序網(wǎng)絡的制訂。圖3.1電力系統(tǒng)接線圖正序網(wǎng)絡就是通常計算對稱短路時所用的等值網(wǎng)絡。除了中性點接地阻抗、空載線路（不計導納）以及空載變壓器（不計勵磁電流）外，電力系統(tǒng)各元件均應包括在正序網(wǎng)絡中，并且用相應的正序參數(shù)和等值電路表示。正序網(wǎng)絡，如圖3.2所示。 +_+_+_圖3.2 正序等值電路圖根據(jù)星網(wǎng)變換和戴維寧定理將正序等值電路圖化簡求出正序等值阻抗，變換后如圖3.3（1）所示。圖3.3（

13、1）正序等值電路圖星角變換接下來對正序等值電路圖進行合并阻抗化簡，如圖3.3（2）所示。+_+_+_圖3.3（2）正序等值電路圖合并阻抗jXff(1)Ua(1)Ifa(1)Eeq+-.得出最簡電路圖并計算其元件參數(shù)，如圖3.3（3）所示。圖3.3（3）正序等效最簡電路圖其計算過程：其中：負序電流能流通的元件與正序電流的相同，但所有電源的負序電勢為零。因此，把正序網(wǎng)絡中各元件的參數(shù)都用負序參數(shù)代替，并令電源電勢等于零，而在短路點引入代替故障條件的不對稱電勢源中的負序分量，便得到負序網(wǎng)絡，如圖3.4所示。 圖3.4 負序等值電路圖+_+_+_接下來對負序等值電路圖進行合并阻抗化簡，如圖3.5（1）

14、所示。圖3.5（1）負序等值電路圖合并阻抗得出最簡電路圖并計算其元件參數(shù)，如圖3.5（2）所示。jXff(2)Ua(2)Ifa(2)圖3.5（2）負序等效最簡電路圖其計算過程：在短路點施加代表故障邊界條件的零序電勢時，由于三相零序電流大小及相位相同，他們必須經(jīng)過大地（或架空地線、電纜包皮等）才能構(gòu)成通路，而且電流的流通與變壓器中性點接地情況及變壓器的接法有密切的關系。零序等效電路如圖3.6所示。圖3.6 零序等值電路圖+_接下來對零序等值電路圖進行合并阻抗化簡，如圖3.7（1）所示。圖3.7（1）零序等值電路圖合并阻抗得出最簡電路圖并計算其元件參數(shù)，如圖3.7（2）所示。jXff(0)Ua(0

15、)Ifa(0)圖3.7（2）零序最簡等效電路其計算過程：兩相短路接地原始條件為：；。即： jXff(2)Ua(2)Ifa(2)jXff(0)Ua(0)Ifa(0)jXff(1)Ua(1)Ifa(1)Eeq+-.根據(jù)原始邊界條件組成的兩相短路接地的復合序網(wǎng)如圖3.7所示：圖3.7 兩相短路接地的復合序網(wǎng)應用對稱分量法分析各種簡單不對稱短路時，都可以寫出各序網(wǎng)絡故障點的電壓方程式： 其中，根據(jù)上面方程可以得出：=可以解出、：=0.0213 - j0.0957=0.0007 + j0.0215=-0.0171 + j0.1043=0.0069 - j0.0011短路點故障相電流為：根據(jù)以上式子可以求

16、得兩相短路接地時故障相電流的絕對值為：=3.105 - 0.3538j短路點非故障相電壓為：=0.0569 - 0.0039j3.2 其他節(jié)點電壓電流的計算節(jié)點3的相電流為:節(jié)點4的相電流為:節(jié)點3的相電壓為:節(jié)點4的相電壓為:第4章 計算機網(wǎng)絡仿真4.1仿真模型的建立本課設利用MATLAB進行電力系統(tǒng)兩相接地短路故障仿真，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、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。根據(jù)電力系統(tǒng)的特點，利用MATLAB的動態(tài)仿真軟件搭建了含發(fā)電機、變壓器

17、、輸電線路、無窮大電源等的系統(tǒng)仿真模型，得到了在該系統(tǒng)主供電線路電源發(fā)生兩相接地短路故障并由自動跳閘隔離故障的仿真結(jié)果，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，并分析了這一暫態(tài)過程。 圖4.1 仿真電路圖4.2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4.4故障B相電壓圖4.5 故障B相電流圖4.6 故

18、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BC相發(fā)生兩相接地短路時，BC兩相對地電壓劇降為零，A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，A相電流則保持原樣，B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)速升高而失去同步，破壞了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。故障后三相電壓、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

19、到新的穩(wěn)定狀態(tài)。以上仿真分析結(jié)果符合實際。第5章 課程設計總結(jié)本次課設通過對電力系統(tǒng)兩相接地短路計算的分析和設計，介紹了有關電力系統(tǒng)和電氣設備的設計，并介紹了故障計算的基本知識、分類、原因和故障分析的目的，其中，對給定的系統(tǒng)進行兩項接地短路不對稱故障的分析中，運用對稱分量法計算短路點電流電壓，在A、C相發(fā)生接地短路時，利用對稱分量法將不對稱系統(tǒng)分解為正序，負序和零序?qū)ΨQ的三向量，利用星角變化的方法化簡等值電路，并分別對正序，負序和零序網(wǎng)絡圖進行等效化簡，計算出各節(jié)點的電壓和電流，以及各個支路的電壓電流。首先，電力系統(tǒng)中存在很多不穩(wěn)定的因素，可能導致電力系統(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。 其次，應用對稱分量法分析不對稱故障時，首先必須