電力系統(tǒng)兩相短路計(jì)算與仿真(2)

1、本科生課程設(shè)計(jì)（論文）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)兩相短路計(jì)算與仿真（2） 院（系）： 工程技術(shù)學(xué)院 專業(yè)班級： 電氣工程及其自動化 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 王 教師職稱 起止時(shí)間： 15-06-15至15-06-26 課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評語院（系）：工程技術(shù)學(xué)院 教研室：電氣教研室課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)原始資料：系統(tǒng)如圖各元件參數(shù)標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)變比側(cè)YN接線，非標(biāo)準(zhǔn)變比側(cè)接線；T2：電阻0.01，電抗0.15，k=1.05，標(biāo)準(zhǔn)變比側(cè)YN接線，非標(biāo)準(zhǔn)變比側(cè)接線；L24: 電

2、阻0.028，電抗0.08，對地容納0.03；L23: 電阻0.03，電抗0.07，對地容納0.028；L34: 電阻0.02，電抗0.06，對地容納0.03；G1和 G2：電阻0，電抗0.15，電壓1.05；負(fù)荷功率：S1=0.45+j0.2；任務(wù)要求：當(dāng)節(jié)點(diǎn)4發(fā)生B、C兩相金屬性短路時(shí)，1 計(jì)算短路點(diǎn)的A、B和C三相電壓和電流；2 計(jì)算其它各個節(jié)點(diǎn)的A、B和C三相電壓和電流；3 計(jì)算各條支路的電壓和電流；4 在系統(tǒng)正常運(yùn)行方式下，對各種不同時(shí)刻BC兩相短路進(jìn)行Matlab仿真；5 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)教師評語及成績平時(shí)考核： 設(shè)計(jì)質(zhì)量： 論文

3、格式： 總成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日I摘 要目前，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和電能需求的日益增長，電力系統(tǒng)規(guī)模越來越龐大，電力系統(tǒng)在人民的生活和工作中擔(dān)任重要的角色，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行直接影響人們的日常生活，因此，關(guān)于電力系統(tǒng)的短路計(jì)算與仿真也越來越重要。本論文首先介紹有關(guān)電力系統(tǒng)短路故障的基本概念及短路電流的基本算法，主要講解了對稱分量法在不對稱短路計(jì)算中的應(yīng)用。其次，通過具體的簡單環(huán)網(wǎng)短路實(shí)例，對兩相接地短路進(jìn)行分析和計(jì)算。最后，通過MATLAB軟件對兩相接地短路故障進(jìn)行仿真，觀察仿真后的波形變化，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。關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)分析；兩相接

4、地短路；MATLAB仿真目 錄第1章 緒 論11.1 短路的原因、類型及后果11.1.1電路系統(tǒng)中的短路11.1.1 短路的后果11.2 短路計(jì)算的目的2第2章 電力系統(tǒng)不對稱短路計(jì)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)32.3 兩相不對稱短路的計(jì)算步驟42.4 兩相（b相和c相）短路4第3章 電力系統(tǒng)兩相短路計(jì)算73.1 系統(tǒng)等值電路的化簡73.2 兩相短路計(jì)算9第4章 短路計(jì)算的仿真114.1 仿真模型的建立114.2 仿真結(jié)果及分析11第5章 總結(jié)14參考文獻(xiàn)15第1章 緒 論1.1 短路的原因、類型及后果1.1.1電路系統(tǒng)中的短路在電力系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，時(shí)常會

5、發(fā)生各種故障，對系統(tǒng)危害最大，而且發(fā)生概率最高的是短路故障(簡稱短路)。所謂短路，是指電力系統(tǒng)正常運(yùn)行情況以外的相與相或相與地(或中性線)之間的連接。在正常運(yùn)行時(shí)，除中性點(diǎn)外，相與相或相與地之間是絕緣的。產(chǎn)生短路的主要原因是電氣設(shè)備載流部分的相間絕緣或相對地絕緣被破壞。正常運(yùn)行時(shí)電力系統(tǒng)各部分絕緣是足以承受所帶電壓的，且具有一定的裕度。但架空輸電線路的絕緣子可能由于受到過電壓(例如由雷擊引起)而發(fā)生閃絡(luò)或者由于空氣的污染使絕緣子表面在正常工作電壓下放電；其它電氣設(shè)備如發(fā)電機(jī)、變壓器、電纜等載流部分的絕緣材料在運(yùn)輸、安裝及運(yùn)行中削弱或損壞，造成帶電部分的相與相或相與地形成通路；運(yùn)行人員在設(shè)備(線

6、路)檢修后未拆除地線就加電壓或者帶負(fù)荷拉刀閘等誤操作也會引起短路故障；此外，鳥獸跨接在裸露的載流部分以及大風(fēng)或?qū)Ь€覆冰引起架空線路桿塔倒塌所造成的短路也屢見不鮮。短路故障分為三相短路、兩相短路、兩相接地短路和單相接地短路四種。三相短路時(shí)三相系統(tǒng)仍然保持對稱，故稱為對稱短路，其余三種類型的短路發(fā)生時(shí)，三相系統(tǒng)不再對稱，故稱不對稱短路。1.1.1 短路的后果（1） 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。（2） 短路電流使設(shè)備發(fā)熱增加，短路持續(xù)時(shí)間較長時(shí)，設(shè)備可能過熱以致?lián)p壞。短路時(shí)系統(tǒng)電壓大幅度

7、下降，對用戶影響很大。系統(tǒng)中最主要的電力負(fù)荷是異步電動機(jī)，電壓下降時(shí)，電動機(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。（3） 當(dāng)短路地點(diǎn)離電源不遠(yuǎn)而持續(xù)時(shí)間又較長時(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)重的后果。第1章 TC01.2 短路計(jì)算的目的在電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，短路計(jì)算是解決一系列技術(shù)問題所不可缺少的基本運(yùn)算，這些問題主要是：（1） 選擇足夠機(jī)械穩(wěn)定度和熱穩(wěn)定度的電氣設(shè)備，例如斷路器、互感器、瓷瓶、母線、電纜等，必須以短路計(jì)算作為依據(jù)。這里包括計(jì)算沖擊電流以校驗(yàn)設(shè)備的電

8、動力穩(wěn)定度；計(jì)算若干時(shí)刻的短路電流周期分量以校驗(yàn)設(shè)備的熱穩(wěn)定度；計(jì)算指定時(shí)刻的短路電流有效值以校驗(yàn)斷路器的斷流能力等。（2） 為了合理的配置各種繼電保護(hù)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(jìn)行計(jì)算和分析。（3） 在設(shè)計(jì)和選擇發(fā)電廠和電力系統(tǒng)電氣主接線時(shí)，為了比較各種不同方案的接線圖，確定是否需要采取限制電流的措施等，都要進(jìn)行必要的短路電流計(jì)算。（4） 進(jìn)行電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算，研究短路對用戶工作的影響等，也包含有一部分短路計(jì)算的內(nèi)容。（5） 確定輸電線路對通訊的干擾，對已發(fā)生故障進(jìn)行分析，都必須進(jìn)行短路計(jì)算。第2章 電力系統(tǒng)不對稱短路計(jì)算原理2.1 對稱分量法基本原理對稱分

9、量法是分析不對稱故障的常用方法，根據(jù)不對稱分量法，一組不對稱的三相量可以分解為正序、負(fù)序和零序三相對稱的三相量。在不同序列的對稱分量作用下，電力系統(tǒng)的各元件可能呈現(xiàn)不同的特性。2.2 三相序阻抗及等值網(wǎng)絡(luò)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(dāng)選擇a相作為基準(zhǔn)時(shí)，三相相量與其對稱分量之間的關(guān)系為： （2-1）式中，運(yùn)算子，且有；、分別為a向電流的正序、負(fù)序和零序分量，并且有： （2-2） 由上式可以做出三向量的三組對稱分量。我們看到，正序分量的相序與正常對稱運(yùn)行下的相序相同，而負(fù)序分量的相序則與正序相反，零序分量則三相同相位。將一組不對稱的三向量

10、分解為三組對稱分量，這種分解，如同派克變換一樣，也是一種坐標(biāo)變換。把式（2-1）寫成 （2-3） 矩陣S稱為對稱分量變換矩陣。當(dāng)已知三相不對稱的向量時(shí)，可由上式所得各序?qū)ΨQ分量。已知各序?qū)ΨQ分量時(shí)，也可以也可以用反變換求出三相不對稱的向量，即： (2-4) 展開式（2-4）并計(jì)及式（2-2）有： （2-5） 電壓的三相向量與其對稱分量之間的關(guān)系也與電流的一樣。2.3 兩相不對稱短路的計(jì)算步驟 （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。 （3）畫等值電路，計(jì)算參數(shù)。 （4）網(wǎng)絡(luò)化簡，分

11、別求出短路點(diǎn)至各等值電源點(diǎn)之間的總電抗，分別畫出各段路點(diǎn)對應(yīng)的等值電路，星角變化。應(yīng)用對稱分量法分析各種簡單不對稱短路時(shí)，都可以寫出各序網(wǎng)絡(luò)故障點(diǎn)的電壓方程式。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的各元件都只用電抗表示時(shí)，上述方程式可以寫成： （2-6） 式中，既是短路發(fā)生前故障點(diǎn)的電壓。這三個方程式包含了6個未知數(shù)。因此，還需根據(jù)不對稱的具體邊界條件寫出三個方程式，才能求解。2.4 兩相（b相和c相）短路 兩相短路時(shí)故障點(diǎn)處的三個邊界邊界條件為： 用對稱分量法表示后整理可得： （2-7） 根據(jù)這些條件，我們可以用正序網(wǎng)絡(luò)和負(fù)序網(wǎng)絡(luò)組成兩相短路的復(fù)合序網(wǎng)，如圖2-1所示。因?yàn)榱阈螂娏鞯扔诹悖詮?fù)合序網(wǎng)中沒有零序網(wǎng)絡(luò)。圖（

12、2-1） 兩相短路的符合序網(wǎng)利用這個復(fù)合序網(wǎng)絡(luò)可以求出： （2-8）以及 （2-9）短路點(diǎn)故障相的電流為： （2-10）短路點(diǎn)各相對地電壓為： （2-11） 從以上的分析計(jì)算可知，兩相短路有以下幾個基本特點(diǎn)：（1） 短路電流及電壓中不存在零序分量。（2） 可見，兩相短路電流為正序電流的倍；短路點(diǎn)非故障相電壓為正序電壓的兩倍，而故障相電壓只有非故障相電壓的一半而且方向相反。（3） 短路時(shí)非故障相電壓在短路前后不變，兩故障相電壓總是大小相等，數(shù)值上為非故障相電壓的一半，兩故障相電壓相位上總是同相，但與非故障相電壓方向相反。9第3章 電力系統(tǒng)兩相短路計(jì)算3.1 系統(tǒng)等值電路的化簡本課設(shè)的電路圖如圖3

13、.1所示。圖3.1 原電路圖由于電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要受影響的系統(tǒng)的電抗，故正序圖中只體現(xiàn)電抗的標(biāo)幺值，其余忽略不計(jì)，將系統(tǒng)圖轉(zhuǎn)換為正序網(wǎng)絡(luò)圖如圖3.2所示。圖3.2 正序網(wǎng)絡(luò)由于正序網(wǎng)絡(luò)中存在角型連接，需進(jìn)行星-角變換，轉(zhuǎn)化為星型連接進(jìn)行計(jì)算得出變化后的電路圖如圖3.3所示。圖3.3 變換后的正序網(wǎng)絡(luò)將正序網(wǎng)絡(luò)合并電抗后得到圖3.4。圖3.4 合并后的正序網(wǎng)絡(luò) 因?yàn)樵紨?shù)據(jù)的正序、負(fù)序的系數(shù)相同，那么負(fù)序網(wǎng)絡(luò)與正序網(wǎng)絡(luò)類似。負(fù)序網(wǎng)絡(luò)圖如圖3.5所示。圖3.5 負(fù)序網(wǎng)絡(luò)合并電抗之后得到圖3.6。圖3.6 合并后的負(fù)序網(wǎng)絡(luò)由于系統(tǒng)發(fā)生兩相短路，非接地，則不存在零序，在此不必畫出零序網(wǎng)絡(luò)。3.2 兩相短

14、路計(jì)算根據(jù)正序網(wǎng)絡(luò)圖，合并后計(jì)算、。 由此可得到正序圖如圖3.7所示。圖3.7 正序網(wǎng)絡(luò)等值電路負(fù)序網(wǎng)絡(luò)的等值電路如圖3.8所示。圖3.8 負(fù)序網(wǎng)絡(luò)等值電路根據(jù)公式2-7和2-8得出: 由公式2-9可得:由2-10可求出短路點(diǎn)故障相的電流：b、c兩相電流大小相等，方向相反。他們的絕對值為： 短路點(diǎn)各相對地電壓為： 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）第4章 短路計(jì)算的仿真4.1 仿真模型的建立根據(jù)以上數(shù)值的計(jì)算及系統(tǒng)等值電路，可建立仿真模型如圖4.1所示。圖4.1 仿真模型圖4.2 仿真結(jié)果及分析由上面的仿真電路圖分別得到以下的波形。圖4.2 故障點(diǎn)A相電流圖4.2 故障點(diǎn)B相電流圖4.4 故障點(diǎn)C相電流在

15、開始時(shí)，三相電路短路故障發(fā)生器閉合，此時(shí)電路發(fā)生B、C兩相短路，故障點(diǎn)B相電流發(fā)生變化，由于閉合時(shí)有初始輸入量和初始狀態(tài)量，因而波形下移，呈正弦波形變化。在0.04s時(shí)，三相電路短路故障發(fā)生器斷開，相當(dāng)于排除了故障。此時(shí)故障點(diǎn)B相電流迅速上升為0A。故障點(diǎn)C相電流與B相電流大小相等，方向正好相反。14第5章 總結(jié)本次設(shè)計(jì)研究的是兩相短路，根據(jù)給定的系統(tǒng)圖及各個元件參數(shù)，計(jì)算短路點(diǎn)的電壓和電流。在對不對稱故障的分析計(jì)算中，應(yīng)用了對稱分量變換、元件變壓器的序參數(shù)和兩相不對稱故障的分析計(jì)算。對給定的系統(tǒng)進(jìn)行兩項(xiàng)接地短路不對稱故障分析，運(yùn)用對稱分量法計(jì)算短路點(diǎn)電流電壓，當(dāng)4點(diǎn)的B、C相發(fā)生短路時(shí)，利用

16、對稱分量法將不對稱系統(tǒng)分解為正序，負(fù)序和零序?qū)ΨQ的三向量，分別對正序，負(fù)序和零序網(wǎng)絡(luò)圖進(jìn)行等效化簡，計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)的電壓和電流，以及各個支路的電壓電流，畫出系統(tǒng)的等效電路圖。最后，在MATLAB中建立了電力系統(tǒng)的基本模型，不斷地調(diào)整初始參數(shù)最終完成仿真，通過將仿真結(jié)果與運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行分析比較得出結(jié)論。 參考文獻(xiàn)1 電力系統(tǒng)計(jì)算M.水利電力出版社，1978.62 GB/T 15544-1995“三相交流系統(tǒng)短路電流計(jì)算”3 何仰贊，溫增銀.電力系統(tǒng)分析（上冊）.第三版.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002.14 謝玉地. 電力網(wǎng)三相短路電流計(jì)算程序J. 廣西水利水電, 1986,(Z1)5 西安交通大學(xué)等.電力系統(tǒng)計(jì)算M.北京：水利電力出版社，1993.12 6 陳衍.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析M.北京：水利電力出版社，2004.1 7 李光琦.電力系統(tǒng)暫態(tài)分析M.北京：水利電力出版社，2002.5 8 于永源.電力系統(tǒng)分析（第二