電力系統(tǒng)對稱短路計算與仿真(1)

1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學學 電力系統(tǒng)分析電力系統(tǒng)分析課程設計（論文）課程設計（論文）題目：題目：電力系統(tǒng)對稱短路計算與仿真（電力系統(tǒng)對稱短路計算與仿真（1） 院（系）：院（系）： 工工 程程 技技 術術 學學 院院 專業(yè)班級：專業(yè)班級：電氣工電氣工 學學 號：號： 121 學生姓名：學生姓名： 指導教師：指導教師： 教師職稱：教師職稱： 起止時間起止時間： 15-06-15至15-06-26 遼 寧 工 業(yè) 大 學 課 程 設 計 說 明 書 （論文）課程設計（論文）任務及評語課程設計（論文）任務及評語 院（系）：工程技術學院 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G

2、GG4 4 L24 2 S2GL14 L12 G3 G 1 L13 1;K 3 S1 T S1 T 各元件參數(shù)標幺值如下：L12：電阻 0.1，電抗 0.4，對地容納 0.03；L14: 電阻 0.12，電抗 0.5，對地容納 0.04；L24: 電阻 0.08，電抗 0.4，對地容納 0.03；L13: 電阻 0，電抗 0.2，對地容納 0；T: 電阻 0，電抗 0.15，k=1.1；給定功率及電壓如下：S1=0.3+j0.18， S2=0.55+j0.13，G3 發(fā)出功率 S3=0.5+j0.09， V4=1.05. 任務要求：當節(jié)點 2 發(fā)生三相金屬性短路時， 1，計算短路點的電壓和電流

3、；2，計算其它各個節(jié)點的電壓和電流；3，計算各條支路的電壓和電流；4，忽略對地支路，重新進行 1、2 和 3 的計算；5，在系統(tǒng)正常運行方式下，對各種不同時刻三相短路進行 Matlab 仿真；6，將短路運行計算結果與各時刻短路的仿真結果進行分析比較，得出結論。指導教師評語及成績平時考核： 設計質量： 論文格式： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日本科生課程設計（論文）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。本次課程設計根據(jù)電力系統(tǒng)分析課程中所講的基于節(jié)點方程的三相短路計算的原理和方法。三相短路在

4、電力系統(tǒng)中雖然發(fā)生的概率很小，但是一旦發(fā)生產(chǎn)生的影響非常嚴重，電力系統(tǒng)中設備的動穩(wěn)定和熱穩(wěn)定校驗都要以三相短路電流為依據(jù)，因此本次課程設計非常有意義。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)運行影響較大的是系統(tǒng)中發(fā)生的各種故障。常見的故障有短路，斷線和各種復雜故障。因此，故障分析重點是對短路故障的分析。電力系統(tǒng)在正常運行時，除中性點以外，相與相，相與地之間是絕緣的，所謂短路是指相與相或相與地之間發(fā)生短接。利用金屬短路時短路點電壓為 0，對地電阻為 0，計算短路點電流；最后利用故障前節(jié)點電壓、節(jié)點阻抗和短路點電流求得短路后各節(jié)點電壓和各支路電流。防止諧波電流危害的方法，一是被動的防

5、御，即在已經(jīng)產(chǎn)生諧波電流的情況下，采用傳統(tǒng)的無源濾波的方法，由一組無源元件：電容、電抗器和電阻組成的調(diào)諧濾波裝置，減輕諧波對電氣設備的危害；另一種方法是主動的預防諧波電流的產(chǎn)生，即有源濾波法，其基本原理是利用關斷電力電子器件產(chǎn)生與負荷電流中諧波電流分量大小相等、相位相反的電流來消除諧波。關鍵詞：對稱短路；穩(wěn)態(tài)；金屬短路；濾波本科生課程設計（論文）I目 錄第 1 章 緒 論 .11.1 電力系統(tǒng)短路概況 .11.2 本文設計內(nèi)容 .1第 2 章 短路計算 .22.1 短路的一般概念 .22.1.1 電力系統(tǒng)短路計算的分類 .22.1.2 電力系統(tǒng)短路故障發(fā)生的原因 .22.1.3 短路故障的危害

6、 .32.1.4 短路計算分析的內(nèi)容和目的 .32.2 短路計算的方法 .42.3 短路的計算 .52.3.1 計算短路點的電壓和電流 .52.3.2 計算各節(jié)點電壓 .92.3.3 計算各支路電流 .102.3.4 忽略對地支路，節(jié)點 3 發(fā)生三相金屬短路 .10第 3 章 系統(tǒng)的調(diào)試與仿真 .11第 4 章 總 結 .14參考文獻 .15本科生課程設計（論文）0第 1 章 緒 論1.1 電力系統(tǒng)短路概況短路是電力系統(tǒng)的嚴重故障。所謂短路，是指一切不正常的相與相之間或相與地（對于中性點接地的系統(tǒng)）發(fā)生通路的情況。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。在三相系統(tǒng)中，可能

7、發(fā)生的短路有：三相短路、兩相短路、兩相短路接地、單相接地短路。三相短路也稱為對稱短路，系統(tǒng)各項與正常運行時一樣仍處于對稱狀態(tài)。其他類型的短路都不是對稱短路。電力系統(tǒng)的運行實驗表明，在各種類型的短路中，單相短路占大多數(shù)，兩相短路較少，三相短路的機會最少。三相短路雖然很少發(fā)生，但情況較嚴重，應給以足夠的重視。況且，從短路計算方法來看，一切不對稱短路的計算，在采用對稱分量法后都歸結為對稱短路的計算。因此對三相短路的研究是有其重要意義的。 三相短路電流計算是電力系統(tǒng)規(guī)劃、設計、運行中必須進行的計算分析工作。目前，三相短路電流超標問題已成為困擾國內(nèi)許多電網(wǎng)運行的關鍵問題。然而，在進行三相短路電流計算時，

8、各設計、運行和研究部門采用的計算方法各不相同，這就有可能造成短路電流計算結論的差異和短路電流超標判斷的差異，以及短路電流限制措施的不同。1.2 本文設計內(nèi)容本次課程設計研究的是三相對稱短路，根據(jù)給定的系統(tǒng)圖及各個元件參數(shù)，計算短路點的電壓和電流。然后依次計算其他各節(jié)點的電壓和電流。畫出系統(tǒng)的等效電路圖，根據(jù)此等效電路圖分別計算各個支路的短路點呀和電流。忽略對地支路，重新計算各短路點的短路電壓和電流，其他各個節(jié)點及支路的電壓和電流。在系統(tǒng)正常運行方式下，對各種不同時刻三相短路進行 Matlab 仿真，最后將短路運行計算結果與各時刻短路的仿真結果進行分析比較。本科生課程設計（論文）1第 2 章 短

9、路計算2.1 短路的一般概念所謂短路是指一切不正常的相與相之間或相與地（對于中性點接地的系統(tǒng)）發(fā)生通路的情況。短路是電力系統(tǒng)中最嚴重的故障。短路發(fā)生的原因是多種多樣的。其中主要的原因是電氣設備載流部分的絕緣損壞。短路發(fā)生的地點、短路持續(xù)的時間、短路發(fā)生的種類直接決定了短路危害的程度，短路的后果可能只破壞局部地區(qū)的正常供電，也可能威脅整個系統(tǒng)的安全運行。2.1.1 電力系統(tǒng)短路計算的分類電力系統(tǒng)在運行過程中常常會受到各種擾動，其中對電力系統(tǒng)運行影響較大的是系統(tǒng)中發(fā)生的各種故障。常見的故障有短路，斷線和各種復雜故障。因此，故障分析重點是對短路故障的分析。電力系統(tǒng)在正常運行時，除中性點以外，相與相，

10、相與地之間是絕緣的，所謂短路是指相與相或相與地之間發(fā)生短接。簡單短路故障共有四種類型：三相短路，兩相短路，單相短路接地和兩相短路接地。三相短路是對稱的，其他三種短路都是不對稱的。在四種短路類型中，單相短路接地故障發(fā)生的概率最高，可達 65%，兩相短路約占 10%，兩相短路接地約占 20%，三相短路約占 5%。雖然三相短路發(fā)生的概率最小，但他對電力系統(tǒng)的影響最嚴重。2.1.2 電力系統(tǒng)短路故障發(fā)生的原因電力系統(tǒng)短路發(fā)生的原因有很多，既有客觀的，也有主觀的，而且由于設備的結構和安裝地點的不同，引發(fā)短路故障的原因也不相同。但是，根本原因是電器設備載流部分相與相之間或相與地之間的絕緣遭到破壞。主要有如

11、下幾個方面：（1）元件損壞，例如絕緣材料的自然老化，設計、安裝及維護不良所帶來的設備缺陷發(fā)展成短路等；本科生課程設計（論文）2（2）氣象條件惡化，例如雷擊造成的閃絡放電或避雷器動作，架空線路由于大風或導線覆冰引起電桿倒塌等；（3）違規(guī)操作，例如運行人員帶負荷拉刀閘，線路或設備檢修后，未拆除接地線就加上電壓等；（4）其他，例如挖溝損傷電纜，鳥獸跨接在裸露的載流部分等；2.1.3 短路故障的危害短路對電器設備和電力系統(tǒng)的正常運行都有很大的危害。主要有如下幾個方面：（1）在短路發(fā)生后，由于電源供電回路阻抗的減小以及產(chǎn)生的暫態(tài)過程，使短路回路中的電流急劇增加，其數(shù)值可能超過該回路額定電流的許多倍。短路

12、點據(jù)發(fā)電機的電氣距離越近，短路電流越達。例如發(fā)電機端發(fā)生短路時，流過定子繞組的短路電流最大順時值可能達到發(fā)電機額定電流的 1015 倍。再大容量的電力系統(tǒng)中，短路電流可達幾萬安，甚至幾十萬安。（2）在短路點出產(chǎn)生的電弧可能會燒壞設備，而且短路電流流過導體時，所產(chǎn)生的熱量可能會引起導體或絕緣損壞。另外，導體可能會受到很大的電動力沖擊，致使其變形甚至損壞。（3）短路將引起電網(wǎng)中的電壓降低，特別是靠近短路點處的電壓下降最多，使部分用戶的供電受到影響。例如，負荷中的異步電動機，由于其電磁轉矩與電壓的平方成正比，當電壓降低時，電磁轉矩將顯著減小，使電動機轉速變慢或甚至完全停轉，從而造成廢品及設備損壞等嚴

13、重后果。（4）短路故障可能引起系統(tǒng)失去穩(wěn)定，這一方向的情況。（5）不對稱接地短路所引起的不平衡電流將在線路周圍產(chǎn)生不平衡磁通，結果在臨近的通信線路中可能感應出相當大的感應電動勢，造成對通信系統(tǒng)的干擾，甚至危機通信設備和人身安全。2.1.4 短路計算分析的內(nèi)容和目的短路故障分析的主要內(nèi)容包括故障后電流的計算，短路容量(短路電流與故障前電壓的乘積)的計算，故障后系統(tǒng)中各點電壓的計算以及其他的一些分析和計算，如故障時線路電流與電壓之間的相位關系等。短路電流計算與分析的主要目的在于應用這些計算結果進行機電保護設計和整定值計算，開關電器，串聯(lián)電抗器，母線，絕緣子等電器設備的設計，制定限制短路電流的措施和

14、穩(wěn)定性分析等。在電力系統(tǒng)和電氣設備的設計和運行中，短路計算是解決一系列技術問題所本科生課程設計（論文）3不可缺少的基本計算，這些問題主要是：（1）選擇有足夠機械穩(wěn)定度和熱穩(wěn)定度的電氣設備，例如斷路器、互感器、瓷瓶、母線、電纜等，必須以短路計算作為依據(jù)。這里包括計算沖擊電流以校驗設備的電動力穩(wěn)定度；計算若干時刻的短路電流周期分量以校驗設備的熱穩(wěn)定度；計算指定時刻的短路電流有效值以校驗斷路器的斷流能力等。（2）為了合理地配置各種繼電保護和自動裝置并正確整定其參數(shù)，必須對電力網(wǎng)中發(fā)生的各種短路進行計算和分析。在這些計算中不但要知道故障支路中的電流值，還必須知道電流在網(wǎng)絡中的分布情況。有時還要知道系統(tǒng)

15、中某些節(jié)點的電壓值。（3）在設計和選擇發(fā)電廠和電力系統(tǒng)電氣主接線時，為了比較各種不同方案的接線圖，確定是否需要采取限制短路電流的措施等，都要進行必要的短路電流計算。（4）進行電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定計算，研究短路對用戶工作的影響等，也包含有一部分短路計算的內(nèi)容。此外，在確定輸電線路對通訊的干擾，對已經(jīng)發(fā)生故障進行分析，都必須進行短路計算。2.2 短路計算的方法經(jīng)典的短路電流計算方法為：取變比為 1.0，不考慮線路充電電容和并聯(lián)補償，不考慮負荷電流和負荷的影響，節(jié)點電壓取 1.0，發(fā)電機空載。短路電流計算的標準主要有 IEC 標準和 ANSI 標準，中國采用的是 IEC 標準。國標規(guī)定了短路電流的計算方

16、法、計算條件。國標推薦的三相短路電流計算方法是等值電壓源法，其計算條件為：（1） 不考慮非旋轉負載的運行數(shù)據(jù)和發(fā)電機勵磁方式；（2） 忽略線路電容和非旋轉負載的并聯(lián)導納；（3） 具有分接開關的變壓器，其開關位置均視為在主分接位置 ；（4） 不計弧電阻；（5） 35 kV 及以上系統(tǒng)的最大短路電流計算時，等值電壓源取標稱電壓的1 .1（計算中額定電壓的 1.05 pu），但不超過設備的最高運行電壓。采用 IEC 標準進行短路電流計算時，允許用戶任意設定短路電流計算的初值條件?？稍O定的選項包括：(1)變比選擇：1.0 或正常變比；(2)考慮充電電容與否；本科生課程設計（論文）4(3)計及并聯(lián)補償與

17、否；(4)節(jié)點電壓值；(5)發(fā)電機功率因素。 對于電網(wǎng)規(guī)劃、運行部門，三相最大短路電流計算是主要的計算內(nèi)容。計算中，各電網(wǎng)、電網(wǎng)內(nèi)的不同部門可能采用不同的計算條件。差別主要集中在變壓器變比、節(jié)點電壓的選取上 。變壓器變比有取 1.0，有取實際運行變比的；節(jié)點電壓可能取 1.0，也可能取 1.05。這兩者的不同組合均有所采用。若了解短路電流計算的要求，計算人員可以對所得的計算結果進行適當?shù)募庸?。有的商業(yè)軟件也提供了靈活的短路電流計算條件設置功能。2.3 短路的計算2.3.1 計算短路點的電壓和電流原始給出的系統(tǒng)圖如圖 2.1 所示。 圖 2.1 系統(tǒng)圖GG4 4 L24 2 S 2G L14 L

18、12 G G3 1 L13 1:K 3 S1 T 本科生課程設計（論文）5原系統(tǒng)的等效電路圖如圖 2.2 所示。圖 2.2 系統(tǒng)等效電路圖本科生課程設計（論文）6考慮對地支路，當節(jié)點 2 發(fā)生三相金屬短路時，系統(tǒng)等效網(wǎng)絡化簡過程圖如圖 2.3 所示。圖 2.3（a）系統(tǒng)等效圖圖 2.3(b)忽略對地支路Z7Z3Z5S2VG4VG3.Z4Z13Z2ZT2341VG4VG3.z s1Z3Z5S2Z1S12ZffS2E.本科生課程設計（論文）7圖 2.3(c)最簡圖由 2.2 所示可求，線路電阻，電容忽略不計，節(jié)點導納矩陣各個元素如下：jYjYjjYjjYjYjYjjYjYjYjYjYjYjjYjj

19、Y4 . 01 . 014 . 01 . 0135. 014 . 01 . 0135. 014 . 01 . 014 . 008. 014 . 008. 014 . 01 . 014 . 008. 0115. 012. 015 . 012. 0135. 0135. 0135. 0135. 015 . 012. 014 . 008. 015 . 012. 012112322342242214413113331144節(jié)點導納矩陣：jjjjjjjjjjjjjj5127.09346.04038.24808.08911.14538.08571.20000.02100.55882.08571.20000.

20、04038.24808.02100.55882.07567.40690.13529.25882.08911.14538.08571.20000.03529.25882.07482.44535.0本科生課程設計（論文）8由圖 2.3(a)所示可求：將對地容納合并成和1Z2Z 將等值電路中、星角變換成、14Z24Z12Z3Z4Z5Z E=1 短路電壓 V=0短路電流67.16j3.00 j3.00 j1yy121111Z29.14j04. 003. 01jyy1j31122Z1539. 0 j032. 04 . 0 j.104 . 0 j.0805 . 0 j2.104 . 0 j.080)5 .

21、 0 j2.10(12241424143）（ZZZZZZ538.10 j39.004 . 0 j.104 . 0 j.0805 . 0 j2.104 . 0 j.105 . 0 j2.1012241412144）（）（ZZZZZZ23.10 j27.004 . 01 . 04 . 008. 05 . 012. 0)4 . 01 . 0()4 . 008. 0(12241412245jjjjjZZZZZZ095. 0 j026. 02438. 0 j97.001539. 0 j032. 02438. 0 j97.001539. 0 j032. 0/(7438）（）（）ZZZZ47. 1 j-5.

22、428.10 j.3011SZ091. 0 j59.0047. 1 j-5.42.150 j47. 1 j-5.42.150 j/)(1136）（STZZZZ09. 0058. 029.14091. 0059. 029.14)091. 059.00(/267jjjjjZZZ33. 4 j-053. 1218. 0 j053. 01fffZEI218. 0 j053. 023.10 j27.0095.00 j026. 058ffZZZ本科生課程設計（論文）92.3.2 計算各節(jié)點電壓由圖 2.3(a) 結點 4 和結點 2 的電壓為 05. 14V02V13V根據(jù)戴維南定理 2.3.3 計算各支

23、路電流由圖 2.3(a)可求得： 2.3.4 忽略對地支路，節(jié)點 3 發(fā)生三相金屬短路忽略對地支路，當節(jié)點 2 發(fā)生三相金屬短路時由圖 2.3(b)，忽略對地支路則：E=1 短路電壓 V=0 短路電流 68. 205. 1107. 0053. 01jjZEIfff0027. 0 j55. 023.10 j27.001539. 0 j032. 01539. 0 j032. 05.015.015331ZZZV52. 2 j-5 . 04 . 0 j08. 0005. 1242424ZVVI815.18j52. 45 . 0 j12. 00027. 0 j55. 0-5.01141414ZVVI29

24、5. 1 j317. 04 . 0 j1 . 000027. 0 j55. 0122112ZVVI85.21 j-007. 05.10 j2 . 0 j0027. 0 j55. 01131313TZZVVI095. 00264. 0244. 0098. 01539. 0032. 0)244. 0098. 0()1539. 0032. 0()/(6438jjjjjZZZZ107. 0 j0534. 023.10 j27.0095.00 j264.0058ffZZZ本科生課程設計（論文）10第 3 章 系統(tǒng)的調(diào)試與仿真通過對系統(tǒng)的分析以及計算結合 MATLAB 所學知識，對系統(tǒng)進行了調(diào)試與仿真仿真

25、模型如圖 3.1 所示。圖 3.1 仿真模型圖在穩(wěn)態(tài)時，故障點各相電流由于三相故障發(fā)生器處于斷開狀態(tài)，因而值都為本科生課程設計（論文）110。在 0.01s 時，三相短路故障發(fā)生器閉合，因此電路發(fā)生三相短路，故障點各相電流發(fā)生變化，由于閉合時有初始輸入量和初始狀態(tài)量。因而故障點各相電流波形上升或者下降。在 0.04s 后，由于三相短路故障發(fā)生器再次斷開，相當于故障排除，因此故障點各相電流迅速下降為 0。 電力系統(tǒng)三相短路仿真結果如圖 3.2 所示。圖 3.2 發(fā)生三相短路各點電流波形在穩(wěn)態(tài)時，故障點各相電流由于三相故障發(fā)生器處于斷開狀態(tài)，因而三相電壓實際上是加載在輸電線路 L12 上的電壓。在

26、 0.01s 時，三相電路故障發(fā)生器閉合。因此發(fā)生三相短路，故障點三相電壓由于發(fā)生三相接地短路，此時三相電壓實際上是加載在輸電線 L12 上的電壓，發(fā)生暫態(tài)波動。本科生課程設計（論文）12圖 3.3 節(jié)點 2 電壓波形在穩(wěn)態(tài)時，故障點電流正序分量由于三相電流短路故障發(fā)生器處于斷開狀態(tài)，因而幅值為 0。相角為 0。在 0.01s 時，三相電流短路故障發(fā)生器閉合，此時電路發(fā)生三相短路，故障點電流正序分量得幅值下降，至 0.06s 時幅值為 0，故障點電流正序分量的相角繼續(xù)下降，至 0.06s 時降為大約-180 度。圖 3.4 短路點正序分量波形本科生課程設計（論文）13 第 4 章 總 結課程的

27、設計的目的在于加強對電力系統(tǒng)短路基礎理論和基本知識理解，掌握運用電力系統(tǒng)短路的基礎理論知識解決一些簡單系統(tǒng)的短路方法。這次課程設計使我感受到了理論與實際的相結合，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)短路基礎知識有了更深刻的理解思考問題的能力。在做課程設計的過程中，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計。這是一個學會發(fā)現(xiàn)問題，分析問題和解決問題的過程，也是一個難得的學習機會。在這次課程設計中，我將所獲取的資源真正轉化為自己的知識，同時通過對這些資料的學習和運用，我提高了自學能力和專業(yè)技能，特別是用專業(yè)繪圖軟件 Protle99SE 畫電路圖。并深刻體會到當自己真正要用一個軟件時就必須把它弄