電力系統(tǒng)單相短路計算與仿真

1、遼寧工業(yè)大學(xué)電力系統(tǒng)分析課程設(shè)計（論文）題目： 電力系統(tǒng)單相短路計算與仿真（1）院（系）:專業(yè)班級：學(xué) 號：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：教師職稱：起止時間：Word資料Word資料課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語教研室:原始資料：系統(tǒng)如圖Word資料課程設(shè)計1論文>任務(wù)各元件參數(shù)如下（各序參數(shù)相同）：G1、G2: Sn=30MVA , VN=10.5kV, X=0.25 ;T1: Sn=31.5MVA , Vs%=10,k=10.5/121kV, Ps=200kW, Po=35kW,Io%=0.9 ;YN/d-11T2: Sn=31.5MVA , Vs%=10.5,k=10.5/121kV, Ps=1

2、80kW, Po=30kW,Io%=0.8 ;YN/d-11L1:線路長 90km ,電阻 0.15 Q/km,電抗 0.41 Q/km ,對地容納 2.8 xi0-6S/km ;L2:線路長 80km ,電阻 0.18 Q/km ,電抗 0.42 Q/km ,對地容納 2.78 X10-6S/km ；L3:線路長 70km,電阻 0.2Q/km,電抗 0.40 Q/km,對地容納 2.68 X10-6S/km ； 負(fù)荷：S3=45MVA ,功率因數(shù)均為 0.9.任務(wù)要求（節(jié)點(diǎn)3發(fā)生A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(diǎn)的A、B和C三

3、相電壓和電流；4 忽略對地支路，計算其它各個節(jié)點(diǎn)的A、B和C三相電壓和支路電流；5 在系統(tǒng)正常運(yùn)行式下，對各種不同時刻 A相接地短路進(jìn)行 Matlab仿真;6將短路運(yùn)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： 年月日 注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20%以百分制計算近年來，隨著我國工業(yè)化的推進(jìn)，國民經(jīng)濟(jì)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(dān)任的角色也 越來越重要，因此，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行直接影響著人們的日常生活。在電力系統(tǒng)的設(shè)計和運(yùn)行中，必須考

4、慮到可能發(fā)生的故障和不正常的運(yùn)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(yùn)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(rèn)識外，還必須熟練掌握電力系統(tǒng)的短路計算。關(guān)鍵詞：單相短路電流；單相短路電壓；仿真；第1章緒論錯誤未定義書簽1.1 電力系統(tǒng)短路計算概述 錯誤!未定義書簽1.2 本文設(shè)計容錯誤.!未定義書簽第2章 電力系統(tǒng)不對稱短路計算原理 錯誤!未定義書簽2.1 對稱分量法基本原理錯誤.!.未定義書簽2.2 三相序阻抗及等值網(wǎng)絡(luò) 錯誤:未定義書簽2.3 單相不對稱短路的計算步驟 錯誤!未定義書簽第3章 電力系統(tǒng)單相短路計算 錯

5、誤.未定義書簽3.1 系統(tǒng)等值電路及元件參數(shù)計算 錯誤!未定義書簽3.2 系統(tǒng)等值電路及其化簡 錯誤!未定義書簽3.3 單相短路計算錯誤.!.未定義書簽第4章短路計算的仿真 錯誤!未定義書簽4.1 仿真模型的建立 錯誤!未定義書簽4.2 仿真結(jié)果及分析 錯誤!未定義書簽第5章總結(jié)錯誤.未定義書簽參考文獻(xiàn)錯誤!未定義書簽第1章緒論1.1 電力系統(tǒng)短路計算概述電力系統(tǒng)在運(yùn)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(diǎn)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(diǎn)是對短路故障

6、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(diǎn)接地的系統(tǒng)）發(fā)生通路的情況。在三相系統(tǒng)中可能發(fā)生的短路有：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，其他類型的短路都是不對稱的。在各種短路類型中， 單相短路占大多數(shù)，兩相短路較少，三相短路的機(jī)會最少。三相短路雖然很少發(fā) 生，但情況較重，應(yīng)給予足夠的重視。短路故障時短路點(diǎn)附近的支路中出現(xiàn)比正常值大多倍的電流，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。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(fù)荷是 異步電動機(jī)，電壓下降時，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)

7、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)備損壞等重后果。當(dāng)短路地點(diǎn)離電源不遠(yuǎn)而持續(xù)時間又較長時，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。這是短路故障最重的后果。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感應(yīng)出很大 的電動勢，這對于架設(shè)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。1.2 本文設(shè)計容本科設(shè)主要計算單相短路及其仿真分析，具體設(shè)計安排如下：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(diǎn)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(diǎn)的 A、B和C三相

8、電壓和支路電流；5在系統(tǒng)正常運(yùn)行式下，對各種不同時刻 A相接地短路進(jìn)行Matlab仿真;6將短路運(yùn)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。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所謂對稱分量法，即將三個相量分解為對稱的分量組，用于分析三相電路不 對稱運(yùn)行狀態(tài)的一種法。對稱分量法是電工中分析對稱系統(tǒng)不對稱運(yùn)行狀態(tài)的一種基本法。廣泛應(yīng)用于三相交流系統(tǒng)參數(shù)對稱、運(yùn)行工況不對稱的電氣量計算。電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時可認(rèn)為是對稱的，即各元件三相阻抗相同，各自三 相電壓、電流大小相等，具有正常相序。電力系統(tǒng)正常運(yùn)行式的破壞主要與 不對稱故障或者斷路器的不對稱操作有關(guān)。由于整個電力

9、系統(tǒng)中只有個別點(diǎn)是三相阻抗不相等，所以一般不使用直接求解復(fù)雜的三相不對稱電路的法， 而采用更簡單的對稱分量法進(jìn)行分析。電工中分析對稱系統(tǒng)不對稱運(yùn)行狀態(tài)的一種基本法。電力系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)、變壓器、電抗器、電動機(jī)等都是三相對稱元件，經(jīng)過充分換位的輸電線 基本上也是三相對稱的。對于這種三相對稱系統(tǒng)的分析計算可以便地用單相 電路的法求解。對稱分量法是分析不對稱故障的常用法，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，三相相量與其對稱分量之間的關(guān)系 （如電流

10、）為。1a1 a a2 I3(2-1)I aI a(3)分別為a相?1 .2?I a (2)3 1 a a I b?111?I a(3)1 c式中運(yùn)算子aej120。且有1 a a2 0, a3 1; 1a電流的正序、負(fù)序和零序分量并且有2a I a(1), I c(1) a I a(1)?(2-2)2a I a(2) , I c(2) a I a(2)I b(0) I c(0) I a(0)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(2-3)I abc S I120式中(2-4)111S 1a2a 1aa21圖2.1三相量的對稱分

11、量展開(2-3)并計及式(2-2)有I a I a(1) I a(2) I a(0)Ib(1)Ib(2)Ib(0)?Ic(1)Ic(2)Ic(0)(2-5)?2?Iba I a(1) a Ia(2)Ia(0)?IcaI a(1) a Ia (2)Ia(0)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2.2三相序阻抗及等值網(wǎng)絡(luò)短路故障的計算與分析，主要是短路電流的大小及其變化規(guī)律不僅與短路故 障的類型有關(guān)，而且與電源特性，網(wǎng)絡(luò)元件的電磁參數(shù)有關(guān)。不對稱短路時故障處的短路電流和電壓網(wǎng)絡(luò)的故障處，對稱分量分解后可用 序電壓程表示為幾種主要的序網(wǎng)。為使電路簡化，需要將線路的三角形連接轉(zhuǎn)化為星形連接

12、，轉(zhuǎn)化后其正序、負(fù)序和零序網(wǎng)絡(luò)圖如下圖2.3負(fù)序網(wǎng)絡(luò)J整兜圖2.4零序網(wǎng)絡(luò)對正序、負(fù)序和零序網(wǎng)絡(luò)電抗進(jìn)行 Y轉(zhuǎn)換計算如下XiX 34 X 24X24X34 X 230.06 0.080.08 0.06 0.0680.023X2X 34 X 23X 24 X 34 X 230.06 0.0680.08 0.06 0.0680.020X3X 23 X 24X 24 X 34 X 230.068 0.080.0260.08 0.06 0.068三相序阻抗化簡，其等值網(wǎng)絡(luò)圖如下。la (1)01圖2.5正序等值網(wǎng)絡(luò)1ft (2)02圖2.6負(fù)序等值網(wǎng)絡(luò)la (0)Oo圖2.7零序等值網(wǎng)絡(luò)對等效電抗進(jìn)行

13、計算(1)正序jX G1(1) jXj0.15 j0.15j0.3jX2jXSM1)jX3j0.020 j0.2j0.026j0.246jXT2jXG2 jX1j0.15 j0.15j 0.023j0.323jX ff(i)j0.869(2)負(fù)序jXGi jXTi j0.15 j0.15j0.3jX2jXsi(2)jX3j0.021j0.2j0.026j0.247jXT2jXG2 jX1j0.2 j0.15j0.023j0.373jX ff(2)1111jX G1(2) jXT1 jX2 jXS1(2) jX3 jXT2 jXG2(2) jX11 F1-J0.0994j0.3 j0.247 j

14、0.373(3)零序JXff(0)JXT1 JX 3(0)JX 2(0)JX1(0)JXT2J0.104J0.2 J0.026 J0.021 J0.023 J0.15 J 0.226 J0.1942.3單相不對稱短路的計算步驟1 .確定計算條件，畫計算電路圖1)計算條件：系統(tǒng)運(yùn)行式，短路地點(diǎn)、短路類型和短路后采取的措施。2)運(yùn)行式：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 問的連接情況。根據(jù)計算目的確定系統(tǒng)運(yùn)行式，畫相應(yīng)的計算電路圖。選電氣設(shè)備：選擇正常運(yùn)行式畫計算圖；短路點(diǎn)取使被選擇設(shè)備通過的短路電流最大的點(diǎn)。繼電保護(hù)整定：比較不同運(yùn)行式，取最重的。2 .畫等值電路，計算參數(shù)；

15、分別畫各段路點(diǎn)對應(yīng)的等值電路。標(biāo)號與計算圖中的應(yīng)一致。3 .網(wǎng)絡(luò)化簡，分別求出短路點(diǎn)至各等值電源點(diǎn)之間的總電抗。等值電源歸算(1)同類型且至短路點(diǎn)的電氣距離大致相等的電源可歸并；(2)至短路點(diǎn)距離較遠(yuǎn)的同類型或不同類型的電源可歸并；(3)直接連于短路點(diǎn)上的同類型發(fā)電機(jī)可歸并；第3章電力系統(tǒng)單相短路計算3.1系統(tǒng)等值電路及元件參數(shù)計算單相接地短路時，故障處的三個邊界條件為Va0,Ib 0,Ic 0,經(jīng)過整理后便得到用序量表示的邊界條件為Vfa +Vfa(2) +Vfa(0) = 0fa(1) fa2 fa(0)(3-1)短路點(diǎn)電流和電壓的各序分量為1 fa(1)1 fa(2)1 fa(0)V f

16、a(1) Vf(0) - jX ff (1)1 fa(i)Vfa(2) jX ff (2) I fa(1)Vfa(0)- jX ff (0)I fa(3-2)電壓和電流的各序分量，也可以直接應(yīng)用復(fù)合序網(wǎng)來求得。根據(jù)故障處各序 分量之間的關(guān)系，將各序網(wǎng)絡(luò)在故障端口聯(lián)接起來構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)稱為復(fù)合序網(wǎng)。用 復(fù)合序網(wǎng)進(jìn)行計算，可以得到同樣結(jié)果。短路點(diǎn)的故障相電流為1 f (1)1 fa 1 fa(1)1 fa(2)1 fa(0)31 fa (1)(3-3)3V f (0)j (X ff (1) X ff X ff (0)(3-4)帶入式(3-4)各個數(shù)據(jù)，得,3Vf(0)3 131 f(1)j(Xff(1

17、) Xff Xff(0)j(0.869 0.373 0.104)j1.346由式(3-3)和式(3-1)得I I 11 1I fa(1) I fa(2) I fa(0)- I f(1). .3 j1 .346由式(3-2)得j(Xff(2) Xff(0)Ia(1)(j0.09941j0.104) 0.15j1.346Va(2)jX ff (2) Ia (1)j0.0994jX ff (0)I a(1)j0.1041j 1.3461j1.346-0.074-0.077短路點(diǎn)非故障相的對地電壓V fb a3V fa(1) aVfa(2) Vfa(0) j( a22a) X ff (2)(a -1)

18、X ff (0) I fa(1)22j(a2-a)0.0994 (a2-1)0.104a(a 1)0.0994 (a2 1)0,104j1.3461.346VfcaVfa(1)a2Vfa(2)Vfa(2) j( a -a )X ff 21 (aj(a-a )0.0994 (a-1)0.104-j1.346(a -1)X ff (0) I fa(1)a2 )0.0994 (a 1)0.1041.3463.2系統(tǒng)等值電路及其化簡為使電路簡化，需要將線路的三角形連接轉(zhuǎn)化為星形連接，其轉(zhuǎn)化公式為。ZaZbZaZabZcaZab Zbc ZcaZbcZ abZabZbcZcaZcaZbcZabZbcZc

19、a在進(jìn)行電路化簡時，還需要對電源、阻抗進(jìn)行合并，其公式如下。E eqE1E2 E2E1Ei E2ZeqZ1Z2Z1 Z2代數(shù)得,ZbabZcaZab Zbc ZcabcZabZabZbcZcaZcZcaZbcZabZbcZcaj0.869 j0.104j0.869 j 0.0994 j0.104j0.0994 j0.869j0.869 j0.0994 j0.104j0.104 j0.0994j0.869 j0.0994 j0.1040.9070.9030.19對于正序圖,EeqE1E2E2E1E1 E21.1Zeqj05 j。5 0.075j0.15 j0.15Va=0laIb=0Ic=0圖3

20、.1單相接地短路Ifa1圖3.2單相短路的復(fù)合序網(wǎng)第4章短路計算的仿真4.1 仿真模型的建立當(dāng)A相發(fā)生接地短路時故障點(diǎn)A相電壓降為零，由于系統(tǒng)為不接地系統(tǒng)，即Xff無窮大，由公式可知，單項短路電流減為零，非故障相即BC兩項電壓上升為線電壓，其夾角為60。故障切除后各相電壓水平較原來升高，這是中性點(diǎn)電位升 高導(dǎo)致的。0.9 0J 0.203 0A 050.6時郵5圖4.1單項接地（A相）電壓圖4.2單項接地（A相）電流當(dāng)輸電線路發(fā)生A相接地短路時，B相、C相電流沒有變化，始終為00在 正常狀態(tài)時，三相短路故障發(fā)生器處于斷開狀態(tài)，A相電流為00在0.01s時，三相短路故障發(fā)生器閉合，此時 A相接地短路，其短路電流形發(fā)生了劇烈的變化， 但大體上仍呈現(xiàn)正弦規(guī)律變化。在 0.04s時，三相短路故障發(fā)生器打開，故障排 除，此時故障點(diǎn)A相電流迅速變?yōu)?0具體的仿真波形如圖所示：圖4.3單項（A相）接地各項電流波形4.2 仿真結(jié)果及分析系統(tǒng)采用中性點(diǎn)不接地式時，發(fā)生單相接地故障三相間線電壓仍然對稱，不 必馬上切除故障部分，提高了供電的可靠性。但是接地電流在故障處可能產(chǎn)生穩(wěn) 定或間歇性的電弧，將危害整個電網(wǎng)的安全運(yùn)行