電力系統(tǒng)兩相短路計(jì)算與仿真(4)

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)兩相短路計(jì)算與仿真（4） 院（系）： 工 程 技 術(shù) 學(xué) 院 專(zhuān)業(yè)班級(jí)：電氣工程及其自動(dòng)化12 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 教師職稱(chēng)： 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(píng)語(yǔ)院（系）：工程技術(shù)學(xué)院 教研室：電氣工程及其自動(dòng)化課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)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(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0.16，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；T2：電

2、阻0，電抗0.2，k=0.95，標(biāo)準(zhǔn)變比側(cè)YN接線，非標(biāo)準(zhǔn)變比側(cè)接線；L24: 電阻0.03，電抗0.07，對(duì)地容納0.03；L23: 電阻0.025，電抗0.06，對(duì)地容納0.028；L34: 電阻0.015，電抗0.06，對(duì)地容納0.03；G1和 G2：電阻0，電抗0.07，電壓1.03；負(fù)荷功率：S1=0.5+j0.18；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(gè)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(duì)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

3、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： 論文格式： 總成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日摘 要 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)短路故障有較深刻的認(rèn)識(shí)外，還必須熟練賬務(wù)電力系統(tǒng)的短路計(jì)算。這里著重接好電力系統(tǒng)兩相短路計(jì)算方法，主要講解了對(duì)稱(chēng)分量法在不對(duì)稱(chēng)短路計(jì)算中的應(yīng)用。其次，通過(guò)具體的簡(jiǎn)單環(huán)網(wǎng)短路實(shí)例，對(duì)兩相接地短路進(jìn)行分析和計(jì)算。最后，通過(guò)MATLAB軟件對(duì)兩相接地短路故障進(jìn)行仿真，觀察仿真后的波形

4、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；兩相接地短路；MATLAB仿真11 目 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2第2章 電力系統(tǒng)不對(duì)稱(chēng)短路原理32.1 分量發(fā)的基本原理32.1.1 電力系統(tǒng)不對(duì)稱(chēng)短路分析方法32.1.2 對(duì)稱(chēng)分量法基本概念32.2三相序阻抗及等值網(wǎng)絡(luò)52.3兩相不對(duì)稱(chēng)短路的計(jì)算步驟52.4兩相（b相和c相）短路6第3章 電力系統(tǒng)兩相短路計(jì)算83.1 系統(tǒng)等值電路及其簡(jiǎn)化83.2 兩相短路計(jì)算10第4章 仿真124.1 建立仿真模型124.2 仿真結(jié)果及其分析13第5章 總結(jié)14參考文獻(xiàn)15

5、11第1章 緒論1.1 電力系統(tǒng)短路計(jì)算概述電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行情況以外 ，相與相之間或相與地（或中性線）之間發(fā)生 非正常連接叫做短路。三相系統(tǒng)中發(fā)生的短路有 4 種基本類(lèi)型:三相短路、兩相短路、單相接地短路和兩相接地短路。三相短路是稱(chēng)對(duì)稱(chēng)短路，其余三類(lèi)均屬不對(duì)稱(chēng)短路。在中性點(diǎn)接 地的電力網(wǎng)絡(luò)中，以一相對(duì)地的短路故障最多，約占全部故障的 90。在中性點(diǎn) 非直接接地的電力網(wǎng)絡(luò)中，短路故障主要是各種相間短路。產(chǎn)生單路的原因有很多，如元件損壞，氣象條件惡化，違規(guī)操作等等。目前，三相短 路電流超標(biāo)問(wèn)題已成為困擾國(guó)內(nèi)許多電網(wǎng)運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題。然而，在進(jìn)行三相短路電流計(jì)算時(shí)，各設(shè)計(jì)、運(yùn)行和研究部門(mén)采用的計(jì)算方

6、法各不相同，這就有可能造成短路電流計(jì)算結(jié)論 的差異和短路電流超標(biāo)判斷的差異，以及短路電流限制措施的不同。短路電流計(jì)算與分析的主要目的在于應(yīng)用這些計(jì)算結(jié)果進(jìn)行繼電保護(hù)設(shè)計(jì)和整定值計(jì)算，開(kāi)關(guān)電器、串聯(lián)電抗器、母線、絕緣子等電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)，制定限制短路電流的措施和穩(wěn)定性分析等。短路的危害性：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(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。2）短路電流使設(shè)備發(fā)熱增加，短路持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，設(shè)備可能過(guò)熱以致?lián)p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

7、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。3）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)重的后果。1511.2 本文設(shè)計(jì)內(nèi)容本次課程設(shè)計(jì)研究的是兩相短路，根據(jù)給定的系統(tǒng)圖及各個(gè)元件參數(shù)，計(jì)算短路點(diǎn)的電壓和電流。然后依次計(jì)算其他各節(jié)點(diǎn)的電壓和電流。畫(huà)出系統(tǒng)的等效電路圖，根據(jù)此等效電路圖分別計(jì)算各個(gè)支路的短路電壓和電流。忽略對(duì)地支路，重新計(jì)算各短路點(diǎn)的短路電壓和電流，其他各個(gè)節(jié)點(diǎn)及支路的電壓和電流。在系統(tǒng)正常運(yùn)行方式下，對(duì)各種不同時(shí)刻三相短路進(jìn)行Matlab仿真，

8、最后將短路運(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。151第2章 電力系統(tǒng)不對(duì)稱(chēng)短路原理2.1 分量發(fā)的基本原理對(duì)稱(chēng)分量法是分析不對(duì)稱(chēng)故障的常用方法，根據(jù)不對(duì)稱(chēng)分量法，一組不對(duì)稱(chēng)的三相量可以分解為正序、負(fù)序和零序三相對(duì)稱(chēng)的三相量。 2.1.1 電力系統(tǒng)不對(duì)稱(chēng)短路分析方法在電力系統(tǒng)的故障中，僅在一處發(fā)生不對(duì)稱(chēng)短路或斷線的故障稱(chēng)為簡(jiǎn)單不對(duì)稱(chēng)故障。它通常分為兩類(lèi),一類(lèi)叫橫向不對(duì)稱(chēng)故障，包括兩相短路，單相接地短路以及兩相接地短路三種類(lèi)型。分析計(jì)算不對(duì)稱(chēng)故障的方法很多，目前實(shí)際中用的最多的和最基本的方法仍是對(duì)稱(chēng)分量法。應(yīng)用對(duì)稱(chēng)分量法分析計(jì)算簡(jiǎn)單不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)，對(duì)于各序分量的求解一般有兩種方法：一種是

9、直接聯(lián)立求解三序的電動(dòng)勢(shì)方程和三個(gè)邊界條件方程；另一種是借助于復(fù)合序網(wǎng)進(jìn)行求解，即根據(jù)不同故障類(lèi)型所確定的邊界條件，將三個(gè)序網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行適當(dāng)?shù)逆溄?，組成一個(gè)復(fù)合序網(wǎng)，通過(guò)對(duì)復(fù)合序網(wǎng)的計(jì)算，求出電流、電壓的各序?qū)ΨQ(chēng)分量。由于這種方法比較簡(jiǎn)單，又容易記憶，因此應(yīng)用較廣。2.1.2 對(duì)稱(chēng)分量法基本概念 正常運(yùn)行的電力系統(tǒng)，三相電壓、三相電流均應(yīng)基本為正相序，根據(jù)負(fù)荷情況（感性或容性），電壓超前或滯后電流1個(gè)角度（），如圖2.1。圖2.1151 對(duì)稱(chēng)分量法是分析電力系統(tǒng)三相不平衡的有效方法，其基本思想是把三相不平衡的電流、電壓分解成三組對(duì)稱(chēng)的正序相量、負(fù)序相量和零序相量，這樣就可把電力系統(tǒng)不平衡的問(wèn)題轉(zhuǎn)化

10、成平衡問(wèn)題進(jìn)行處理。在三相電路中，對(duì)于任意一組不對(duì)稱(chēng)的三相相量（電壓或電流），可以分解為3組三相對(duì)稱(chēng)的分量。在三相電路中，對(duì)于任意一組不對(duì)稱(chēng)的三相量（電流或電壓），可以分解為三相三組對(duì)稱(chēng)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(chēng)分量之間的關(guān)系(如電流)為： （2-1）上式中運(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(chēng)的相量時(shí)，可由上式求得各序?qū)ΨQ(chēng)分量，已知各序?qū)ΨQ(chēng)分量時(shí)，也可以求出三相不對(duì)稱(chēng)的相量，即 (2-3)展開(kāi)（2-3）并計(jì)及（2-2）有 電壓的三相相量與其對(duì)稱(chēng)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)（1）正序網(wǎng)絡(luò)正序網(wǎng)絡(luò)就是通

11、常計(jì)算對(duì)稱(chēng)短路時(shí)所用的等值網(wǎng)絡(luò)。除了中性點(diǎn)接地阻抗、空載線路（不計(jì)導(dǎo)納）以及空載變壓器（不計(jì)勵(lì)磁電流）外，電力系統(tǒng)各元件均應(yīng)包括在正序網(wǎng)絡(luò)中，并且用相應(yīng)的正序參數(shù)和等值電路表示。（2）負(fù)序網(wǎng)絡(luò)負(fù)序電流能流通的元件與正序電流的相同，但所有電源的負(fù)序電勢(shì)為零。因此，把正序網(wǎng)絡(luò)中各元件的參數(shù)都用負(fù)序參數(shù)代替，并令電源電勢(shì)等于零，而在短路點(diǎn)引入代替故障條件的不對(duì)稱(chēng)電勢(shì)源中的負(fù)序分量，便得到負(fù)序網(wǎng)絡(luò)。（3）零序網(wǎng)絡(luò)在短路點(diǎn)施加代表故障邊界條件的零序電勢(shì)時(shí)，由于三相零序電流大小及相位相同，他們必須經(jīng)過(guò)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(diǎn)接地情況及變壓器的接法有密切的關(guān)系

12、。2.3兩相不對(duì)稱(chēng)短路的計(jì)算步驟確定計(jì)算條件，畫(huà)出計(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(lèi)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(huà)等值電路，計(jì)算參數(shù)4.網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)，分別求出短路點(diǎn)至各等值電源點(diǎn)之間的總電抗分別畫(huà)出各段路點(diǎn)對(duì)應(yīng)的等值電路，星角變化。 應(yīng)用對(duì)稱(chēng)分量法分析各種簡(jiǎn)單不對(duì)稱(chēng)短路時(shí)，都可以寫(xiě)出各序網(wǎng)絡(luò)故障點(diǎn)的電壓方程式（2-3）.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(xiě)成 式中，既是短路發(fā)生前故障點(diǎn)的電壓。這三個(gè)方程式包含了6個(gè)未知數(shù)。因此，還需根據(jù)不對(duì)稱(chēng)的具體邊界條件寫(xiě)出三個(gè)方程式，才能求解。2.4

13、兩相（b相和c相）短路 兩相短路時(shí)故障點(diǎn)處的三個(gè)邊界邊界條件為 用對(duì)稱(chēng)分量法表示后整理可得 （2-5） 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(méi)有零序網(wǎng)絡(luò)。 利用這個(gè)復(fù)合序網(wǎng)絡(luò)可以求出 （2-6）以及 （2-7） 短路點(diǎn)故障相的電流為 （2-8） b、c兩相電流大小相等，方向相反。他們的絕對(duì)值為 （2-9）短路點(diǎn)各相對(duì)地電壓為 （2-10） 圖2.1從以上的分析計(jì)算可知，兩相短路有以下幾個(gè)基本特點(diǎn)：（1） 短路電流及電壓中不存在零序分量。（2） 可見(jiàn)，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

14、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。6第3章 電力系統(tǒng)兩相短路計(jì)算3.1 系統(tǒng)等值電路及其簡(jiǎn)化本課設(shè)的電力系統(tǒng)圖如3.1所示，電力系統(tǒng)的實(shí)物接線圖如3.2所示。 GG圖3.1 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)圖中出現(xiàn)角型連接，需將其裝換成星型才可以繼續(xù)簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)星角變化公式： 所以=0.02，=0.02，=0.02151 經(jīng)

15、轉(zhuǎn)化后的正序網(wǎng)絡(luò)如圖3.3所示圖3.3 將正序網(wǎng)絡(luò)合并電抗后得到圖3-4圖3.4 原始數(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(lèi)似。負(fù)序網(wǎng)絡(luò)圖如圖3.5所示 圖3-5圖3.5 合并電抗之后得到圖3.6。151 圖3.6 因?yàn)槭莾上喽搪范皇莾上嘟拥囟搪?，所以不考慮零序。3.2 兩相短路計(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 負(fù)序網(wǎng)絡(luò)的等值電路如圖3.8所示圖3.8根據(jù)公式2-5和2-6得出根據(jù)公式2-7得出由2-9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(duì)值為 短路點(diǎn)各相對(duì)地電壓為第4章 仿真4.1 建立仿真模型短路計(jì)

16、算的仿真是指仿真軟件在電腦上復(fù)現(xiàn)設(shè)計(jì)即將完成的電路，并提供電路電源以及輸入信號(hào)，然后計(jì)算機(jī)屏幕上模擬示器波給出測(cè)試點(diǎn)波形或繪出相應(yīng)的故障點(diǎn)各相電流，電壓正序或負(fù)序過(guò)程。發(fā)生b，c兩相斷路故障，即如圖4.1。 圖4.1。114.2 仿真結(jié)果及其分析 圖4.2選擇故障點(diǎn)B相作為測(cè)量電氣量。激活仿真按鈕，則故障點(diǎn)B相電流波形如圖4.2所示。由該波形圖可以得出以下結(jié)論：在穩(wěn)態(tài)時(shí)，故障點(diǎn)B相處于斷開(kāi)狀態(tài)。因而電流幅值為0A。在0.01s時(shí)，處于閉合，B，C兩相放生短路。 圖4.3選擇故障點(diǎn)C相作為測(cè)量電氣量。激活仿真按鈕，則故障點(diǎn)C相電流波形如圖4.3所示。由該波形圖可以得出以下結(jié)論：當(dāng)電路發(fā)生B,C兩

17、相短路時(shí)，A相電流沒(méi)有變化，B相電流波形下移，C相電流波形上移。對(duì)比波形可知理論計(jì)算正確。151第5章 總結(jié)此課程設(shè)計(jì)實(shí)際是作為電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)。學(xué)生學(xué)完電力系統(tǒng)分析課程后，進(jìn)行的一次全面的綜合訓(xùn)練，其目的在于加深對(duì)電力系統(tǒng)短路和基本知識(shí)的理解，掌握運(yùn)用電力系統(tǒng)短路基礎(chǔ)綜合理論解決的基本短路的短路方法。雖說(shuō)整個(gè)過(guò)程遇到不少困難，可是我們也從中找到樂(lè)趣解除了實(shí)踐，以前不特別明白的地方通過(guò)實(shí)踐解決了很多問(wèn)題?？偟膩?lái)說(shuō)，這次課程設(shè)計(jì)對(duì)我來(lái)說(shuō)具有極其重要的意義。系統(tǒng)仿真技術(shù)是解決工程領(lǐng)域問(wèn)題的主要手段之一，尤其是在解決大系統(tǒng)和復(fù)雜問(wèn)題中，已經(jīng)成為不可缺少的技術(shù)工具。這里簡(jiǎn)述了MATLAB軟件在電

18、力系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用，并在仿真平臺(tái)上進(jìn)行電力系統(tǒng)輸電線模型、仿真和分析。在正確設(shè)置了仿真系統(tǒng)中各元件的參數(shù)后，得到了理想的仿真效果。此次設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單介紹電力系統(tǒng)行業(yè)目前狀況，而后說(shuō)明電力系統(tǒng)故障類(lèi)型，并對(duì)某些故障分析方法做了簡(jiǎn)單的闡述，對(duì)電力系統(tǒng)故障危害中的橫向故障出現(xiàn)B，C兩相間短路進(jìn)行了理論分析計(jì)算。接著對(duì)MATLAB所仿真的故障相電流電壓，BC相電流電壓序分量波形圖進(jìn)行分析，并與之前理論計(jì)算結(jié)論進(jìn)行比較，驗(yàn)證理論計(jì)算的正確性，得到了理想的仿真效果。參考文獻(xiàn)1電力系統(tǒng)計(jì)算M.水利電力出版社，1978.2GB/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(cè)）.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（第二版）M.北京：中國(guó)電力出版社，2004.39何仰贊等.