兩相接地短路計(jì)算分析

1、 1 / 17遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué)電力系統(tǒng)計(jì)算電力系統(tǒng)計(jì)算課程設(shè)計(jì)（論文）課程設(shè)計(jì)（論文）題目：題目： 電力系統(tǒng)兩相接地短路計(jì)算與仿真（電力系統(tǒng)兩相接地短路計(jì)算與仿真（4 4） 院（系）：院（系）： 電電 氣氣 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 專業(yè)班級(jí)：專業(yè)班級(jí)： 電電 氣氣 081081 班班 學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)： 080303023080303023 學(xué)生：學(xué)生： 董董 奧奧 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師：教師職稱：教師職稱：起止時(shí)間：起止時(shí)間：11-06-2611-06-26 至至 11-07-0211-07-02 I / 17GG課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語院（系）：電氣

2、工程學(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 0.1，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：電阻 0，電抗 0.15，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；L24: 電阻 0.026，電抗 0.08，對(duì)地容納 0.033；L23: 電阻 0.015，電抗 0.08，對(duì)地容納 0.028；L34: 電阻 0.02，電抗 0.06，對(duì)地容納 0.03；G1 和 G2：電阻 0，電抗 0.15，電壓 1.05；負(fù)荷功率：S1=0.45+j0.15；任

3、務(wù)要求：當(dāng)節(jié)點(diǎn) 4 發(fā)生 B、C 兩相金屬性接地短路時(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 兩相接地短路進(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G1 T1 2 L24 4 T2 G2G G 1:k k:1 L23 L34 3 S1 II / 17摘 要目前，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和電能需求的日益增長，電力系統(tǒng)規(guī)模越來

4、越龐大，電力系統(tǒng)在人民的生活和工作中擔(dān)任重要的角色，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行直接影響人們的日常生活，因此，關(guān)于電力系統(tǒng)的短路計(jì)算與仿真也越來越重要。本論文首先介紹有關(guān)電力系統(tǒng)短路故障的基本概念及短路電流的基本算法，主要講解了對(duì)稱分量法在不對(duì)稱短路計(jì)算中的應(yīng)用。其次，通過具體的簡(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 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 III / 17目 錄第 1 章 緒論 11.1 短路概述 11.1.1 短路的類

5、型及原因 11.1.2 短路的危害 11.1.3 短路計(jì)算的目的 11.1.4 短路計(jì)算的假設(shè)和近似處理 21.2 電力系統(tǒng)各序網(wǎng)絡(luò)的制訂 31.3 兩相接地短路計(jì)算的數(shù)學(xué)模型 4第 2 章 短路計(jì)算 62.1 繪制短路各序網(wǎng)絡(luò) 62.2 對(duì)各序網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行化簡(jiǎn) 72.3 計(jì)算短路點(diǎn)的 A、B 和 C 三相電壓和電流 82.4 計(jì)算其它各個(gè)節(jié)點(diǎn)的 A、B 和 C 三相電壓和電流 92.5 計(jì)算各條支路的電壓和電流 9第 3 章 MATLAB 仿真 113.1 MATLAB 仿真 113.2 仿真結(jié)果 123.3 仿真結(jié)果比較分析 13第 4 章 課程設(shè)計(jì)總結(jié) 14參考文獻(xiàn) 15 1 / 17第 1

6、 章 緒論1.1 短路概述1.1.1 短路的類型及原因電力系統(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。三相短路是稱對(duì)稱短路，其余三類均屬不對(duì)稱短路。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)生短路的原因很多，主要有如下幾個(gè)方面：(1)元件損壞，例如絕緣材料的自然老化，設(shè)計(jì)、安裝及維護(hù)不良所帶來的設(shè)備缺陷發(fā)展成短路等；(2)氣象條件惡化，例如雷擊造成的閃絡(luò)放電或避雷器動(dòng)作

7、，架空線路由于大風(fēng)或?qū)Ь€覆冰引起電桿倒塌等；(3)違規(guī)操作，例如運(yùn)行人員帶負(fù)荷拉刀閘，線路或設(shè)備檢修后未拆除接地線就加上電壓等；(4)其它，例如挖溝損傷電纜，鳥獸跨接在裸露的載流部分等。1.1.2 短路的危害短路電流值遠(yuǎn)大于額定電流。短路點(diǎn)的電弧可能燒毀電氣設(shè)備，導(dǎo)體會(huì)受到很大的電動(dòng)力沖擊，導(dǎo)致導(dǎo)體變形甚至損壞。短路還會(huì)引起電網(wǎng)中電壓降低，使部分 用戶的供電受到破壞。系統(tǒng)短路相當(dāng)于改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，引起系統(tǒng)中功率變化，嚴(yán)重 時(shí)引起并列的發(fā)電機(jī)失步，大面積停電。不對(duì)稱短路引起的不平衡電流產(chǎn)生不平衡 磁通，對(duì)通信造成干擾。1.1.3 短路計(jì)算的目的在電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，短路計(jì)算是解決一系

8、列技術(shù)問題所不可缺少的基本計(jì)算，這些問題主要是：(1)選擇有足夠機(jī)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(jì)算作為依據(jù)。這里包括計(jì)算沖擊電流以校驗(yàn)設(shè)備的電動(dòng)力穩(wěn)定度；計(jì)算若干時(shí)刻的短路電流周期分量以校驗(yàn)設(shè)備的熱穩(wěn)定度。 2 / 17(2)為了合理地配置各種繼電保護(hù)和自動(dòng)裴置并正確整定其參數(shù)，必須對(duì)電力網(wǎng)中發(fā)生的各種短路進(jìn)行計(jì)算和分析。在這些計(jì)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(shí)還要知道系統(tǒng)中某些節(jié)點(diǎn)的電壓值。(3)在設(shè)計(jì)和選擇發(fā)電廠和電力系統(tǒng)電氣主接線時(shí)，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

9、等，都要進(jìn)行必要的短路電流計(jì)算。(4)進(jìn)行電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算，研究短路時(shí)用戶工作的影響等，也包含有一部分短路計(jì)算的容。此外，確定輸電或路對(duì)通訊的干擾，對(duì)己發(fā)生故障進(jìn)行分析，都必須進(jìn)行短路計(jì)算。1.1.4 短路計(jì)算的假設(shè)和近似處理(1)簡(jiǎn)單三相電路中發(fā)生突然對(duì)稱短路的暫態(tài)過程中，假設(shè)電源電壓的復(fù)制和 頻率均保持不變，在這種電源稱為無限大功率電源，其特點(diǎn)是: 頻率恒定（有功變 化量遠(yuǎn)小于電源的有功功率） ； 電壓恒定（無功變化量遠(yuǎn)小于電源的無功功率） ； 電源阻抗為 0，電壓恒定。實(shí)際上真正的無限大電源不存在，常用的判斷依據(jù)是當(dāng)功率變化量小于 3%電源功率，或者電源阻抗小于短路回路總阻抗的 10

10、%時(shí)候，可認(rèn)為電源為無限大電源。(2)在計(jì)算高壓電器中的短路電流時(shí),只需考慮發(fā)電機(jī)、變壓器、電抗器的電抗, 而忽略其電阻；對(duì)于架空線和電纜,只有當(dāng)其電阻大于電抗 1/3 時(shí)才需計(jì)入電阻,一般也只計(jì)電抗而忽略電阻。(3)短路電流計(jì)算公式或計(jì)算圖表,都以三相短路為計(jì)算條件。因?yàn)閱蜗喽搪坊?二相短路時(shí)的短路電流都小于三相短路電流.能夠分?jǐn)嗳喽搪冯娏鞯碾娖?一定能 夠分?jǐn)鄦蜗喽搪冯娏骰蚨喽搪冯娏鳌?4)磁路的飽和、磁滯忽略不計(jì)。系統(tǒng)中各元件的參數(shù)便都是恒定的，可以運(yùn) 用疊加原理。(5)不對(duì)稱短路故障可以用對(duì)稱分量法轉(zhuǎn)化成對(duì)稱零、正、負(fù)三組對(duì)稱短路故 障進(jìn)行分析，仿照三相對(duì)稱短路故障。(6)各元件的

11、電阻略去不計(jì)。如果短路是發(fā)生在電纜線路或截面較小的架空線 上時(shí)，特別在鋼導(dǎo)線上時(shí)，電阻便不能忽略。此外，在計(jì)算暫態(tài)電流的衰減時(shí)間常 數(shù)時(shí)，微小的電阻也必須計(jì)及。(7)短路為金屬性短路。 3 / 171.2 電力系統(tǒng)各序網(wǎng)絡(luò)的制訂應(yīng)用對(duì)稱分量法分析計(jì)算不對(duì)稱故障時(shí)，首先必須作出電力系統(tǒng)的各序網(wǎng)絡(luò)。為此，應(yīng)根據(jù)電力系統(tǒng)的接線圖、中性點(diǎn)接地情況等原始資料，在故障點(diǎn)分別施加各序電勢(shì)，從故障點(diǎn)開始，逐步查明各序電流流通的情況。凡是某一序電流能流通的元件，都必須包括在該序網(wǎng)絡(luò)中，并用相應(yīng)的序參數(shù)和等值電路表示。根據(jù)上述原則，我們結(jié)合圖 1.1。來說明各序網(wǎng)絡(luò)的制訂。圖 1.1 正序、負(fù)序網(wǎng)絡(luò)的制訂（a）電

12、力系統(tǒng)接線圖（b） 、 （c）正序網(wǎng)絡(luò)（d） 、 （e）負(fù)序網(wǎng)絡(luò)一、正序網(wǎng)絡(luò)一、正序網(wǎng)絡(luò)正序網(wǎng)絡(luò)就是通常計(jì)算對(duì)稱短路時(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。例如，圖1.1（b）所示的正序網(wǎng)絡(luò)就不包括空載的線路 L-3 和變壓器 T-3。所有同步發(fā)電機(jī)和調(diào)相機(jī)，以及個(gè)別的必須用等值電源支路表示的綜合符合，都是正序網(wǎng)絡(luò)中的電源。此外，還須在短路點(diǎn)引入代替故障條件的不對(duì)稱電勢(shì)源中的正序分量。正序網(wǎng)絡(luò)中的短路點(diǎn)用 f1表示，零電位點(diǎn)用 o1表示。從 f1o1即故障端口看正序網(wǎng)絡(luò)，

13、它是一個(gè)有源網(wǎng)絡(luò)，可以用戴維南定理簡(jiǎn)化為圖 1.1（c）的形式。二、負(fù)序網(wǎng)絡(luò)二、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)稱電勢(shì)源中的負(fù)序分量，便得到負(fù)序網(wǎng)絡(luò)，如圖1.1（d）所示。負(fù)序網(wǎng)絡(luò)中的短路點(diǎn)用 f2表示，零電位點(diǎn)用 o2表示。從 f2o2端口看進(jìn)去，負(fù)序網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)無源網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)簡(jiǎn)化后的負(fù)序網(wǎng)絡(luò)示于圖 1.1（e） 。 4 / 17abcf bf cVf c=0Vf b=0三、零序網(wǎng)絡(luò)三、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

14、相位相同，他們必須經(jīng)過（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。為了更清楚地看到零序電流流通的情況，在圖 1.2（a）中，畫出了電力系統(tǒng)三線接線圖，圖中剪頭表示零序電流流通的方向。相應(yīng)的零序網(wǎng)絡(luò)也畫在同一圖上。比較正（負(fù)）序和零序網(wǎng)絡(luò)可以看到，雖然圖 1.2 零序網(wǎng)絡(luò)的制訂（a）零序電流的通路（b） 、 （c）零序網(wǎng)絡(luò)線路 L-4 和變壓器 T-4 以及負(fù)荷 LD 均包括在正（負(fù)）序網(wǎng)絡(luò)中，但因變壓器 T-4 中性點(diǎn)未接地，不能流通零序電流，所以它們不包括在零序網(wǎng)絡(luò)中。相反，線路 L-3 和變壓器 T-3 因?yàn)榭蛰d不能流通正（負(fù)）序

15、電流兒不包括在正（負(fù)）序網(wǎng)絡(luò)中，但因變壓器 T-3 中性點(diǎn)接地，故 L-3 和 T-3 能流通零序電流，所以它們應(yīng)包括在零序網(wǎng)絡(luò)中。從故障端口看零序網(wǎng)絡(luò)，也是一個(gè)無源網(wǎng)絡(luò)。簡(jiǎn)化后得零序網(wǎng)絡(luò)示于圖 1.2（c） 。1.3 兩相接地短路計(jì)算的數(shù)學(xué)模型兩相短路接地時(shí)故障點(diǎn)的情況如圖 1.3。故障處的三個(gè)邊界條件為:這些條件同單相短路的邊界條件極為相似，只要把單相短路邊界條件式中的電流換為電壓，電壓換為電流，用序量表示的邊界條件為：圖 1.3 兩相接地短路接地 5 / 17圖 1.4 兩相短路接地的復(fù)合序網(wǎng)根據(jù)邊界條件組成的兩相短路接地的復(fù)合序網(wǎng)如圖 1.4，由圖可得短路點(diǎn)故障相的電流為根據(jù)上式可以求

16、得兩相短路接地時(shí)故障相電流的絕對(duì)值為短路點(diǎn)非故障相電壓為 6 / 17Z1Z2Z3E1Z4Z5B24B23B23B34B24B34Z6Z7E2Va(1)z8第 2 章 短路計(jì)算短路計(jì)算的一般步驟如下：第一步，根據(jù)條件，按照各序網(wǎng)絡(luò)的訂制規(guī)則，畫出短路各序網(wǎng)絡(luò)圖。需要注意的是變壓器中性點(diǎn)有接地阻抗時(shí)候的零序等值電路。第二步，計(jì)算各序等值電路中各種電氣設(shè)備參數(shù)的標(biāo)幺值。第三步，對(duì)各序網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行化簡(jiǎn)，求得正序等值電勢(shì)和各序的輸入電抗。第四步，根據(jù)不同不對(duì)稱短路類型，計(jì)算短路點(diǎn)的 A、B 和 C 三相電壓和電流2.1 繪制短路各序網(wǎng)絡(luò)由原始資料可得線路等效電路圖，如圖 2.1 所示圖 2.1 線路等效電

17、路圖根據(jù)線路等效電路圖，運(yùn)用對(duì)稱分量法可繪制各序網(wǎng)絡(luò)圖，如下所示：圖 2.2 正序網(wǎng)絡(luò)圖 7 / 17Z1Z2Z3Z4Z5B24B23B23B34B24B34Z6Z7Va(2)z8Z2Z3Z4Z5B24B23B23B34B24B34Z6Va(0)z8圖 2.3 負(fù)序網(wǎng)絡(luò)圖圖 2.4 零序網(wǎng)絡(luò)圖2.2 對(duì)各序網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行化簡(jiǎn)化簡(jiǎn)各序網(wǎng)絡(luò)圖并得到兩相接地短路的復(fù)合序網(wǎng)，如下圖：圖 2.5 各序網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)圖 圖 2.6 兩相接地短路復(fù)合序網(wǎng)圖其中：2.3 計(jì)算短路點(diǎn)的 A、B 和 C 三相電壓和電流當(dāng)節(jié)點(diǎn) 4 發(fā)生單相金屬性短路時(shí)，計(jì)算短路點(diǎn)的電壓和電流。A 相正序、負(fù)序、零序電流為： 8 / 17A 相

18、正序、負(fù)序、零序電壓為：B 相電流為： C 相電流為： A 相電壓為：所以：A 相電壓電流為：B 相電壓電流為：C 相電壓電流為：2.4 計(jì)算其它各個(gè)節(jié)點(diǎn)的 A、B 和 C 三相電壓和電流支路 L24：電壓： 9 / 17節(jié)點(diǎn) 3:2.5 計(jì)算各條支路的電壓和電流解得：所以節(jié)點(diǎn) 1、2 的電壓： 10 / 17第 3 章 MATLAB 仿真3.1 MATLAB 仿真本課設(shè)利用 MATLAB 進(jìn)行電力系統(tǒng)兩相接地短路故障仿真，MATLAB 以其強(qiáng)大的計(jì)算能力、友好的動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境和豐富的工具箱越來越成為從事包括電力網(wǎng)絡(luò)、電力電子和控制系統(tǒng)等電力系統(tǒng)學(xué)習(xí)和研究的重要仿真工具。電力系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定控制

19、是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的第一道防線。根據(jù)電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，利用 MATLAB 的動(dòng)態(tài)仿真軟件搭建了含發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路、無窮大電源等的系統(tǒng)仿真模型，得到了在該系統(tǒng)主供電線路電源發(fā)生兩相接地短路故障并由自動(dòng)跳閘隔離故障的仿真結(jié)果，在系統(tǒng)正常運(yùn)行方式下，對(duì)各種不同時(shí)刻 BC 兩相接地短路進(jìn)行 MATLAB 仿真，并分析了這一暫態(tài)過程。圖3.1 仿真電路圖 11 / 173.2 仿真結(jié)果通過建立電力系統(tǒng)的基本模型，參考實(shí)際電力系數(shù)參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，模擬電力系統(tǒng)運(yùn)行，對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的故障進(jìn)行設(shè)置，模擬故障時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)，得出各時(shí)段的電壓和電流波形圖，通過分析各個(gè)波形，了解了發(fā)生兩相接地短路

20、故障時(shí)電力系統(tǒng)的詳細(xì)情況。圖 3.2 故障 A 相電壓圖 3.3 故障 A 相電流圖 3.4 故障 B 相電壓圖 3.5 故障 B 相電流圖 3.6 故障 C 相電壓圖 3.7 故障 C 相電流3.3 仿真結(jié)果比較分析由圖所示波形可以發(fā)現(xiàn)，仿真開始時(shí)，系統(tǒng)工作在穩(wěn)定狀態(tài)，三相電壓、電流對(duì)稱，都按正弦波變化，當(dāng) BC 相發(fā)生兩相接地短路時(shí)，BC 兩相對(duì)地電壓劇降為零，A 相非故障相電壓基本沒有變化；再觀察電流，在故障發(fā)生前三相的對(duì)地電流都為零，兩相接地故障后，A 相電流則保持原樣，B 相和 C 相電流迅速增大為短路電流。便處于突然短路的過渡過程中，這個(gè)過程雖然短暫，但短路電流的峰值很大，可達(dá)額定電流的 10 倍以上。同時(shí)，發(fā)生突然短路時(shí)，電功率無法輸出，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高而失去同步，破壞了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。故障后三相電壓、電流不再對(duì)稱，說明兩相接地短路為不對(duì)