電力系統(tǒng)兩相短路計算與仿真

1、- 1 -遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué)電力系統(tǒng)計算電力系統(tǒng)計算課程設(shè)計（論文）課程設(shè)計（論文）題目：題目： 電力系統(tǒng)兩相短路計算與仿真（電力系統(tǒng)兩相短路計算與仿真（1）院（系）：院（系）： 電電 氣氣 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 092 班班 學(xué)學(xué) 號：號： 0903030 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 教師職稱：教師職稱： 起止時間：起止時間：12-07-02 至至 12-07-13本科生課程設(shè)計（論文）- 2 -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(xué)院 教研室：電氣工程及其自動化課程設(shè)計（論文）任務(wù)原始資料：系統(tǒng)如圖各

2、元件參數(shù)如下（各序參數(shù)相同）：G1、G2：SN=30MVA，VN=10.5kV，X=0.26；T1: SN=31.5MVA，Vs%=9.5， k=10.5/121kV,Ps=220kW, Po=33kW,Io%=0.9；YN/d-11T2: SN=31.5MVA，Vs%=10.5， k=10.5/121kV,Ps=180kW, Po=30kW,Io%=0.8；YN/d-11L1:線路長 80km，電阻 0.17/km，電抗 0.4/km，對地容納 2.7810-6S/km；L2:線路長 75km，電阻 0.2/km，電抗 0.42/km，對地容納 2.8810-6S/km； L3: 線路長 8

3、0km，電阻 0.17/km，電抗 0.4/km，對地容納 3.0810-6S/km；負(fù)荷：S3=45MVA，功率因數(shù)均為 0.9.任務(wù)要求（節(jié)點 3 發(fā)生 AC 相金屬性短路時）：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 兩相短路進(jìn)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(jìn)行分析比較，得出結(jié)論。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

4、 月 日G1 T1 1 L2 2 T2 G2 1:k k:1 L1 L3 3 S3 本科生課程設(shè)計（論文）- 3 -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）- 4 -摘 要電力系統(tǒng)自動化(automation of power systems) 對電能生產(chǎn)、傳輸和管理實現(xiàn)自動控制、自動調(diào)度和自動化管理。電力系統(tǒng)是一個地域分布遼闊，由發(fā)電廠、變電站、輸配電網(wǎng)絡(luò)和用戶組成的統(tǒng)一調(diào)度和運行的復(fù)雜大系統(tǒng)。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

5、由短路引起的，例如短路時電路的電壓驟降,嚴(yán)重影響電氣設(shè)備的正常運行，短路時保護(hù)裝置動作,如熔斷器的保險絲熔斷,將短路電路切除,這會造成停電，而且短路點越靠近電源,停電范圍越大,造成生活的不便和經(jīng)濟(jì)上的損失，嚴(yán)重的短路會影響電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性,可使并列運行的發(fā)電機(jī)組失去同步,造成系統(tǒng)解列，不對稱短路,像單相短路和兩相短路。因此除了對電力系統(tǒng)的短路故障有一較深刻的認(rèn)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。在應(yīng)用對稱分量法分析計算不

6、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。關(guān)鍵詞：兩相短路故障;短路計算;對稱分量法.本科生課程設(shè)計（論文）- 5 -目 錄第 1 章 緒論 .- 5 -1.1 電力系統(tǒng)短路計算概述 .- 5 -1.2 本文設(shè)計內(nèi)容 .- 5 -第 2 章 電力系統(tǒng)不對稱短路計算原理 .- 7 -2.1 對稱分量法基本原理 .- 7 -2.2 三相序阻抗及等值網(wǎng)絡(luò) .- 7 -2.3 兩相不對稱短路的計算步驟 .- 8 -第 3 章 電力系統(tǒng)兩相短路計算 .- 11 -

7、3.1 系統(tǒng)等值電路及元件參數(shù)計算 .- 11 -3.2 系統(tǒng)等值電路及其化簡 .- 13 -3.3 兩相短路計算 .- 15 -第 4 章 短路計算的仿真 .- 18 -4.1 仿真模型的建立 .- 18 -4.2 仿真結(jié)果及分析 .- 19 -第 5 章 總結(jié) .- 20 -參考文獻(xiàn) .- 21 -本科生課程設(shè)計（論文）- 6 -第 1 章 緒論1.1 電力系統(tǒng)短路計算概述電力系統(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)生的各種故障。常見的故障有短路、斷線和各種復(fù)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

8、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。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(shè)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(shè)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)操作和其他短路的危害性：1）短路故障時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(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)時間較長時，設(shè)備可能過熱以致?lián)p壞。短路時系統(tǒng)電壓大幅度下

9、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，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，電動機(jī)甚至可能停轉(zhuǎn)，造成產(chǎn)品報廢，設(shè)備損壞等嚴(yán)重后果。3）當(dāng)短路地點離電源不遠(yuǎn)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，造成大片區(qū)停電。這是短路故障最嚴(yán)重的后果。本科生課程設(shè)計（論文）- 7 -1.2 本文設(shè)計內(nèi)容學(xué)習(xí)兩相短路故障的常用計算方法。對稱分量法是分析故障常用方法，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(fù)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

10、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。通過對系統(tǒng)的兩相短路故障的計算，認(rèn)識短路故障對電力系統(tǒng)的影響。為保證系統(tǒng)安全可靠地運行，減輕短路造成的影響，除在運行維護(hù)中應(yīng)努力設(shè)法消除可能引起短路的一切原因外，還應(yīng)盡快地切除短路故障部分，使系統(tǒng)電壓在較短的時間內(nèi)恢復(fù)到正常值。：本科生課程設(shè)計（論文）- 8 -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)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。2.2 三相序阻抗及等值網(wǎng)絡(luò)在三相電路中，對

11、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，三相相量與其對稱分量之間的關(guān)系；分別為 a 相電流的正序、負(fù)1, 0132aaa)0()2()1(aaaIII、序和零序分量并且有： )1()1()1(2)1(,acabIaIIaI )2(2)2()2()2(,acabIaIIaI （2-1） )0()0()0(cbaIII當(dāng)已知三相補(bǔ)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 (2-2）cbaaaaIIIaaaaIII111113122)0()2()1(本科生課程設(shè)計（論文）- 9 -展開（2-2

12、）有 電壓的三相相量與其對稱分量之間的關(guān)系也與電流一樣。2.3 兩相不對稱短路的計算步驟確定計算條件，畫出計算電路圖1.計算條件：系統(tǒng)運行方式，短路地點、短路類型和短路后采取的措施。2.運行方式：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，計算參數(shù)4.網(wǎng)絡(luò)化簡，分別求出短路點至各等值電源點之間的總電抗分別畫出各段路點對應(yīng)的等值電路，星角變化。兩相短路時，假定在 K 點發(fā)生 AC 兩相短路。這種情況下以相量表示的邊界條件方程如下： ； （2-1） 0fbIfafcII fbfcUU轉(zhuǎn)換為對稱分量：0)(3/10fbftfbfaIIII 3/)(3/1I21

13、ftftfbfafbjIaIIIa 3/)(3/1I22ftftfbfbIIaaI （2-2）可得： ， （2-3） 12fbfbII 00fbI即： （2-4） 12fbfbUU于是，以序分量表示的 AC 相短路的邊界條件為：； ； （2-5） 00fbI12fbfbII 12fbfbUU)0()2()1(aaaaIIII)0()2()1(ccccIIII)0()2()1(bbbbIIII本科生課程設(shè)計（論文）- 10 -應(yīng)當(dāng)注意，AC 相短路時選基準(zhǔn)相為 B 相，故障點基準(zhǔn)相的序電流、序電壓才有式（2-5）的關(guān)系，B 相和 C 相的序電流、序電壓就沒有這樣的關(guān)系。當(dāng)然AC 相短路時選 B

14、相為基準(zhǔn)相，AB 相短路時選 C 相為基準(zhǔn)相，其故障點的序電流、序電壓同樣有這一關(guān)系。與之間的相位差為：1fbU1fbI （2-6） 122kxtgR由此可知，等于系統(tǒng)負(fù)序阻抗的阻抗角。k短路點的各序復(fù)數(shù)功率按下列式進(jìn)行計算：正序功率： （2-7） 111fbfbfbSUI負(fù)序功率： （2-8） 222fbfbfbSUI式中 、-短路點的正序及負(fù)序電流的共軛值。1fbI2fbI故障處的各相電流、電壓序分量計算。 說明，如果故障點的（故障點遠(yuǎn)離電源） ，則兩側(cè)短路電21ZZ流等于該點三相短路電流的倍。2/3兩相短路（AC）故障處電流電壓向量圖如下： 1faI2fbI1fcI2faU1fcU fa

15、U1fbU faIfcIfcU2fbU fbU2faI1fbI2fcI2fcU1faU 圖 2.1 兩相短路（AC）故障處電流電壓向量圖 （2-12）本科生課程設(shè)計（論文）- 11 - 1fbI1jx + + (0)fbU1fbU- - 2fbI1jx + 2fbU -圖 2.2 a,c 兩相短路復(fù)合序網(wǎng)絡(luò)從以上的分析計算可知，兩相短路有以下幾個基本特點：（1）短路電流及電壓中不存在零序分量。（2） 兩故障相中的短路電流的絕對值相等，而方向相反，數(shù)值上為正序電流的倍。3（3）當(dāng)時，兩相短路的故障相電流為同一點發(fā)生三相短路時的12ZZ短路電流的倍，因此可以通過對序網(wǎng)進(jìn)行三相短路計算來近似求兩相短

16、路2/3的電流。（4）短路時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。本科生課程設(shè)計（論文）- 12 -第 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)計算系統(tǒng)各元件參數(shù)如下：發(fā)電機(jī) G1、G2：,MWSN031MWSN5 .10226. 0X 變壓器：T1 , MWSN5 .311KVKT121/5 .1015 .10%Vs220kwPsT2 MWSN5 .312,，KVKT121/5 .1025 .10%Vs180kwPs30kwP0線路 L: KmxkmKml/4.0,/17.0R

17、08111， KmxkmKml/24.0,/2.0R27522， KmxkmKml/4.0,/17.0R08333， 負(fù)荷：S3=45MVA，功率因數(shù)均為 0.9.解：1）計算各元件標(biāo)幺值（?。゛VBBVVAMVS,100發(fā)電機(jī) G1: 發(fā)電機(jī) G2: 變壓器 T1: 0.3331.5100*10010.5*100%X2221bbttsVSSVVX0.82510.5100*31.510.5*0.26*XX222221bbnnVSSVX0.82510.5100*31.510.5*0.26*XX222221bbnnVSSVX本科生課程設(shè)計（論文）- 13 -變壓器 T2: 線路 L1: 0.221

18、21100*80*4 . 0*X22121bbVSlXX 線路 L2: 0.215121100*75*24 . 0*X22221bbVSlXX 線路 L3: 0.22121100*80*4 . 0*X22121bbVSlXX 負(fù)荷 S3: 245100*9 . 0*X321SSXXb2）以 a 相為基準(zhǔn)相作出各序網(wǎng)絡(luò)圖求出各序的等值電抗 1)50. 0333. 015. 0175. 025. 0()15. 0175. 025. 0(*1)50. 0333. 0(*1jjjjjjEeq289. 0)50. 0333. 0(/)15. 0175. 025. 0()1(jjjXff388. 0)64

19、. 0333. 0(/)15. 0175. 032. 0()2(jjjXff196. 0333. 0/)3 . 0175. 0()0(jjjXff 4）求各相電流和電壓為0)0()2()1(fafafafaIIII 77.130)0()2() 1 (2642. 3jfafafafbeIIaIaI77.130)0()2(2) 1 (642. 3jfafafafbeIIaIaI933. 0) 0 () 2() 1 (jVVVVfafafafa0) 0 () 2() 1 (2fafafafbVVaVaV0) 0() 2(2) 1 (fafafafbVVaVaV0.3331.5100*10010.5*

20、100%X2221bbttsVSSVVX本科生課程設(shè)計（論文）- 14 -3.2 系統(tǒng)等值電路及其化簡本課設(shè)的電力系統(tǒng)接線圖如 3.4 所示圖 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，將系統(tǒng)圖轉(zhuǎn)換為正序網(wǎng)絡(luò)圖如圖 3.2 所示，1.01.0-+-E1E20.550.1590.0960.550.1040.1671.053Vb(1)+-0.102圖 3.2 正序網(wǎng)絡(luò)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)簡化網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)星角變化公式：cabcabcaabaZZZZZZ/ （3-1）cabcababbcbZZZZZZ/cabcabbccac

21、ZZZZZZ/本科生課程設(shè)計（論文）- 15 -經(jīng)轉(zhuǎn)化后的正序網(wǎng)絡(luò)如圖 3.6 所示1.01.0-+-E1E20.550.1590.0320.550.0830.1671.053Vb(1)+-0.035圖 3.3 星角變換后正序網(wǎng)絡(luò)圖將正序圖合并電抗后為：0.7410.751.0881.01.0V b(1)+-+-E1Z1Z2E2Z3圖 3.4 合并后正序網(wǎng)絡(luò)因為原始數(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)類似，僅僅是負(fù)序中不存在。負(fù)序網(wǎng)絡(luò)圖如圖 3.5 所示本科生課程設(shè)計（論文）- 16 -圖 3.5 負(fù)序網(wǎng)絡(luò)將負(fù)序圖合并電抗后圖 3.6 所示0.7410.751.088Vb(2)+

22、-Z5Z6Z7圖 3.6 合并后負(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)。3.3 兩相短路計算根據(jù)圖 3.6 合并后的正序網(wǎng)絡(luò)計算和eqE)1(ffX175. 0741. 075. 01741. 01211221jjjjjjjZZZEZEEeq那么正序圖就可尤其等值電路代替，如圖 3.8 所示0.550.1590.0960.1020.1670.551.053Vb(2)+-0.104本科生課程設(shè)計（論文）- 17 -jXff(1)Eeq+-Ib(1)Vb(1)圖 3.8正序網(wǎng)絡(luò)等值電路461. 1088. 1373. 034)1(jjjZZZff373. 075

23、. 0741. 075. 0741. 012124jjjjjZZZZZ那么正序圖就可尤其等值電路代替，如圖 3.9 所示jXff(2)Ib(2)Vb(2)圖 3.9負(fù)序網(wǎng)絡(luò)等值電路461. 1088. 1373. 078)2(jjjZZZff將圖 3.8 和圖 3.9 合并成兩相短路復(fù)合序網(wǎng)如圖 3.10 所示本科生課程設(shè)計（論文）- 18 -jXff(1)Eeq+-Ib(1)Vb(1)jXff(2)Ib(2)Vb(2)圖 3.10 兩相短路復(fù)合序網(wǎng)利用這個復(fù)合序網(wǎng)可以求出5 . 0)1()2()2()2()2()1(fbfffbfffbfbIjXIjXVV短路點故障相的電流為592. 03)

24、1(fbfafcIjIIA,C 兩相電流大小相等，方向相反。它們的絕對值為592. 03)1()2(fbfcfafIIII短路點各相對地電壓為122)1()2()1()0()2()1(fbfffbfbfbfbfbIXjVVVVV342. 0)461. 1461. 1 (1)()2()1()1(jjXXjEIffffeqfb5 . 021)1(fbfbfaVVV5 . 021)1(fbfbfafcVVVV本科生課程設(shè)計（論文）- 19 -第 4 章 短路計算的仿真4.1 仿真模型的建立將三相電路短路故障發(fā)生器中的故障相選擇為 A 相和 C 相故障,即發(fā)生 A 相和 C 相兩相短路故障。本科生課程設(shè)計（論文）- 20 -4.2 仿真結(jié)果及分析本科生課程設(shè)計（論文）- 21 -第 5 章 總結(jié)此課程的設(shè)計的目的在于加強(qiáng)對電力系統(tǒng)短路基礎(chǔ)理論和基本知識理解，掌握運用電力系統(tǒng)短路的基礎(chǔ)理論知識解決一些簡單系統(tǒng)的短路方法。這次課程設(shè)計使我感受到了理論與實際相結(jié)合的，還提高了我動手查閱資料的能力還鍛煉了自己獨立目的及其重要意義，不但使我對所掌握電力系統(tǒng)短路基礎(chǔ)知識有了更深刻的理解思考問題的能力。在做課程設(shè)計的過程中，我查閱了很多參考書及運用自己所掌握的知識完成此次設(shè)計，在這里我也感謝所有給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)，希望以后有更多的機(jī)會來鍛煉自己，為以后的學(xué)習(xí)、生活打下良好的基礎(chǔ)。同時在