電力系統(tǒng)對稱短路計算與仿真1

1、070303140郝 強課程設(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GGG4 4 L24 2 S2 L14 L12 G3 1 L13 1:k 3 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，

2、 V4=1.05.任務(wù)要求：當(dāng)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；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(jié)果與各時刻短路的仿真結(jié)果進行分析比較，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： 論文格式： 總成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日摘 要本次課程設(shè)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(shè)備的動穩(wěn)

3、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(shè)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(fù)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:

4、 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(shè)備的危害; 另一種方法是主動的預(yù)防諧波電流的產(chǎn)生， 即有源濾波法， 其基本原理是利用關(guān)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(guān)鍵詞：對稱短路；穩(wěn)態(tài)；金屬短路；濾波目 錄第1章 緒論11.1 電力系統(tǒng)短路概況11.2 本文設(shè)計內(nèi)容1第二章 短路計算22.1 短路的一般概念2電力系統(tǒng)短路計算的分類2電力系統(tǒng)短路故障發(fā)生的原因2短路故障的危害3短路計算分析的內(nèi)容和目的42.2 短路計算的方法42.3 短路的計算4計算短路點的電壓和電流4計算各節(jié)點電壓7計算各支路電流8忽略對地支路，節(jié)點3發(fā)生三相金屬短路

5、8第3章 系統(tǒng)的調(diào)試與仿真9第4章 總結(jié)12參考文獻13緒論電力系統(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。三相短路也成為對稱短路，系統(tǒng)各項與正常運行時一樣仍處于對稱狀態(tài)。三相短路電流計算是電力系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)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(guān)鍵問題。然而，在進行三相短路電流計算時，各設(shè)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

6、電流計算結(jié)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。本文設(shè)計內(nèi)容 本次課程設(shè)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(jié)果與各時刻短路的仿真結(jié)果進行分析比較。第二章 短路計算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面之間的通路。短路是電力系統(tǒng)中

7、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(shè)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，這種危害可能是局部的，也可能是全局性的。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(fù)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。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

8、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。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(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相同。但是,根本原因是電器設(shè)備載流部分相與相之間或相與地之間的絕緣遭到破壞。例如,架空線路的絕緣子可能由于受到雷電過電壓而發(fā)生閃絡(luò),或者由于絕緣子表面的污穢而在正常工作電壓下放電。再如發(fā)電機,變壓器,電纜等設(shè)備中載流部分的絕緣材料載運性中損壞.有時因鳥獸跨接在裸

9、露的載流部分,或者因為大風(fēng)或在導(dǎo)線上覆冰,引起架空線路干塔倒塌而造成短路。此外,線路檢修后,在未拆除地線的情況下運行人員就對線路送電而發(fā)生的誤操作,也會引起短路故障。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。短路故障的危害短路對電器設(shè)備和電力系統(tǒng)的正常運行都有很大的危害.發(fā)生短路后,由于電源供電回路阻抗的減小以及產(chǎn)生的暫態(tài)過程,是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。短路點據(jù)發(fā)電機的電氣距

10、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。在短路點出產(chǎn)生的電弧可能會燒壞設(shè)備,而且短路電流流過導(dǎo)體時,所產(chǎn)生的熱量可能會引起導(dǎo)體或絕緣損壞。另外,導(dǎo)體可能會受到很大的電動力沖擊,致使其變形甚至損壞。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,是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(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比,當(dāng)電壓降低時,電磁轉(zhuǎn)矩將顯著減小,使電動機轉(zhuǎn)速變慢或甚至完全停轉(zhuǎn),從而造成廢品及設(shè)備損壞等嚴重后果。短路故障可能引起系統(tǒng)失去穩(wěn)

11、定。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(jié)果在臨近的通信線路中可能感應(yīng)出相當(dāng)大的感應(yīng)電動勢,造成對通信系統(tǒng)的干擾,甚至危機通信設(shè)備和人身安全。在電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備和運行中，短路計算是解決一系列技術(shù)問題所不可缺少的 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(shè)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(shè)備的點動力穩(wěn)定度；計算若干時刻的短路電流周期分量以校驗設(shè)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)

12、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(luò)中的分布情況。有時還要知道系統(tǒng)中某些節(jié)點的電壓值。（3）在設(shè)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。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

13、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(guān)系等。短路電流計算與分析的主要目的在于應(yīng)用這些計算結(jié)果進行機電保護設(shè)計和整定值計算,開關(guān)電器,串聯(lián)電抗器,母線,絕緣子等電器設(shè)備的設(shè)計,制定限制短路電流的措施和穩(wěn)定性分析等。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： 不考慮非旋轉(zhuǎn)負載的運行數(shù)據(jù)和發(fā)電機勵磁方

14、式； 忽略線路電容和非旋轉(zhuǎn)負載的并聯(lián)導(dǎo)納； 具有分接開關(guān)的變壓器，其開關(guān)位置均視為在主分接位置 ； 不計弧電阻； 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(shè)備的最高運行電壓。 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(jié)果進行適當(dāng)?shù)募庸?。有?/p>

15、商業(yè)軟件也提供了靈活的短路電流計算條件設(shè)置功能。2.3 短路的計算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：GGG4 4 L24 2 S2L14 L12 G3 1 L13 1:k 3 S1 T 圖2.1系統(tǒng)圖原系統(tǒng)的等效電路圖如圖2.2所示： 圖2.2系統(tǒng)等效電路圖考慮對地支路，當(dāng)節(jié)點2發(fā)生三相金屬短路時，系統(tǒng)等效網(wǎng)絡(luò)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 圖 2.3(c)最簡圖由圖2.3(a)所示可求： 將對地容納合并成和 將等值電路中、星角變換成、 E=1 短路電壓V=0短路電流計算各節(jié)點電壓由圖2.3(a) 結(jié)點4和結(jié)點2的電壓為 根據(jù)戴

16、維南定理 計算各支路電流由圖2.3(a)可求得：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(dāng)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 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(jié)合MATLAB所學(xué)知識，對系統(tǒng)進行了調(diào)試與仿真仿真模型如圖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0.在0.001s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

17、器再次斷開，相當(dāng)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(jié)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。 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

18、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。還可以通過向量選擇器分別選擇電流負序分量和零序分量進行分析。圖3.4 短路點正序分量波形第4章 總結(jié)設(shè)計過程中，為了對自己要設(shè)計的課題有一個深入地了解，我進行了大量的有關(guān)短路計算的知識充分利用了學(xué)校為我們提供寶貴的知識資源，使我對短路計算的認識程度大大加深了。找到自己需要的資料后，并不是照搬照抄，而是根據(jù)所得資料學(xué)會如何把他們綜合在一起，理解并融會，并應(yīng)用到自己的課題設(shè)計中來。這是一個學(xué)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(xué)習(xí)機會。在這次課程設(shè)計中，我將所獲取的資源真正轉(zhuǎn)化為自己的知識，同時通過對這些資料的學(xué)習(xí)和運用，我提高了自學(xué)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(dāng)自己真正要用一個軟件時就必須把它弄懂，這樣才能提高效率，并達到最優(yōu)效果。如果在網(wǎng)上找別人制做好的電路圖再進行修改，雖然簡單可行，但始終是