電力系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)

目錄TOC\o"1-5"\h\z課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)齊 （1）第一章.電力系統(tǒng)短路故障概述 （1）第二章、電力系統(tǒng)單相短路計(jì)算原理 （2）\o"CurrentDocument"2.1簡(jiǎn)單不對(duì)稱(chēng)故障的計(jì)算方法 （2）2.2對(duì)稱(chēng)分量法 （5）2.3基于matlab仿真 （6）第三章、電力系統(tǒng)短路故障計(jì)算實(shí)例 （7）3.1對(duì)稱(chēng)分量法應(yīng)用 （7）3.2基于matlab的仿真 （13）\o"CurrentDocument"3.2仿真結(jié)果分析 （15）3.3兩種方案對(duì)比 （16）結(jié)束語(yǔ) （19）參考文獻(xiàn) （20）第一章?電力系統(tǒng)短路故障概述1、 短路產(chǎn)生的原因有很多，主要有以下幾個(gè)方面：.元件損壞例如絕緣材料的自然老化，設(shè)計(jì)，安裝維護(hù)不良所帶來(lái)的設(shè)備缺陷發(fā)展成短路等，⑵?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，架空線路由于大風(fēng)或?qū)Ь€覆冰引起電桿倒塌.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；.其他，例如挖溝損傷電纜，鳥(niǎo)獸跨接在裸露的載流部分等。2、 短路的危害隨著短路類(lèi)型、發(fā)生地點(diǎn)和持續(xù)時(shí)間的不同，短路即能只破壞局部地區(qū)的正常供電，也能威脅整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。短路的危險(xiǎn)后果一般有以下的幾個(gè)方面：.短路故障使短路點(diǎn)附近的支路中出現(xiàn)比正常值大的電流，由于短路電流的電動(dòng)力效應(yīng)，導(dǎo)體間將產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力，使導(dǎo)體和它們的支架遭到破壞。.短路電流使設(shè)備發(fā)熱增加，短路持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，設(shè)備過(guò)熱以致?lián)p壞。.短路時(shí)系統(tǒng)電壓大幅度下降，對(duì)用戶(hù)影響很大。系統(tǒng)中最主要的電力負(fù)荷是異步電動(dòng)機(jī)，它的電磁轉(zhuǎn)矩同端電壓的平方成正比，電壓下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩顯著減小，轉(zhuǎn)速隨之下降。當(dāng)電壓大幅度下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)甚至可能停轉(zhuǎn)，造成產(chǎn)品報(bào)廢，設(shè)備損壞等嚴(yán)重后果。?當(dāng)短路發(fā)生地點(diǎn)離電源不遠(yuǎn)而持續(xù)時(shí)間又較長(zhǎng)時(shí)，并列運(yùn)行的發(fā)電廠可能失去同步，破壞系統(tǒng)穩(wěn)定，造成大片地區(qū)停電。這是短路故障的最嚴(yán)重后果。.發(fā)生不對(duì)稱(chēng)短路時(shí)，不平衡電流能產(chǎn)生足夠的磁通在鄰近的電路內(nèi)感應(yīng)出很大的電動(dòng)勢(shì)，這對(duì)于架設(shè)在高壓電力線路附近的通訊線路或鐵道訊號(hào)系統(tǒng)等會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。3、 ?短路故障分析的內(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(jì)算、短路容量的計(jì)算、故障后系統(tǒng)中各點(diǎn)電壓的計(jì)算以及其他的一些分析和計(jì)算，如故障時(shí)線路電流與電壓之間的相位關(guān)系等。短路電流計(jì)算與分析的主要目的在于應(yīng)用這些計(jì)算結(jié)果進(jìn)行繼電保護(hù)設(shè)計(jì)和整定值計(jì)算，開(kāi)關(guān)電器、串聯(lián)電抗器、母線、絕緣子等電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)，制定限制短路電流的措施和穩(wěn)定性分析等。第二章、電力系統(tǒng)單相短路計(jì)算原理2.1簡(jiǎn)單不對(duì)稱(chēng)故障的計(jì)算方法在電力系統(tǒng)的故障中，僅在一處發(fā)生不對(duì)稱(chēng)短路或斷線的故障稱(chēng)為簡(jiǎn)單不對(duì)稱(chēng)故障。它通常分為兩類(lèi)，一類(lèi)叫橫向不對(duì)稱(chēng)故障，包括兩相短路，單相接地短路以及兩相接地短路三種類(lèi)型。這種故障發(fā)生在系統(tǒng)中某一點(diǎn)的一些相之間或相與地之間，是處于網(wǎng)絡(luò)三相支路的橫向，故稱(chēng)為橫向不對(duì)稱(chēng)故障，其特點(diǎn)是由電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的某一點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)）和公共參考點(diǎn)（地接點(diǎn)）之間構(gòu)成故障端口。該端口一個(gè)是高電位點(diǎn)，另一個(gè)是零電位點(diǎn)。另一類(lèi)故障時(shí)發(fā)生在網(wǎng)絡(luò)沿三相支路的縱向，叫縱向不對(duì)稱(chēng)故障，它包括一相斷相和兩相斷相兩種基本類(lèi)型，其特點(diǎn)是由電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)高電位之間構(gòu)成故障端口。分析計(jì)算不對(duì)稱(chēng)故障的方法很多，如對(duì)稱(chēng)分量法、0分量法以及在abc坐標(biāo)系統(tǒng)中直接進(jìn)行計(jì)算等。此外，matlab仿真也常用于短路故障計(jì)算。目前實(shí)際中用的最多的和最基本的方法仍是對(duì)稱(chēng)分量法和matlab仿真，現(xiàn)在就重點(diǎn)介紹這兩種方法，其他方法只做簡(jiǎn)略的介紹。2.2對(duì)稱(chēng)分量法分析簡(jiǎn)單不對(duì)稱(chēng)故障對(duì)稱(chēng)分量法是分析不對(duì)稱(chēng)故障的常用方法，根據(jù)對(duì)稱(chēng)法，一組不對(duì)稱(chēng)的三相量可以分解為正序、負(fù)序、零序三相對(duì)稱(chēng)的三相量?？梢哉f(shuō)對(duì)稱(chēng)分量法解決四種常有的不對(duì)稱(chēng)故障是非常有效的。下面就用對(duì)稱(chēng)分量法分析單相（a相）接地短路為例。單相接地短路時(shí)的系統(tǒng)接線圖如圖2-1所示。單相接地短路時(shí)的系統(tǒng)接線圖2-1

假定a相接地短路，短路處以相量表示的邊界條件方程為U二o；i二I二oka kbkc轉(zhuǎn)換為對(duì)稱(chēng)分量關(guān)系UJ二UJ +UJ二UJ +UJ +UJ 二O或U} 二—ka kal ka2i=i=ikalka2kaOkaOka1（Uika2+UkJ由上式可以推出:Ika1二Ika1X+X+Xka2kaO

lS 2SOS從而確定短路點(diǎn)電流和電壓的各序分量如下：I=I=Ikal ka2 kaOuj =-i x =-i xka2 ka22S kal2Suj =-i x =-i xkaO kaOOS kalOSUi =-（UJ +UJ ）=-i（X+X）=E-1Xkal ka2kaO kal 2S OS alSkal1S電壓和電流的各序分量，也可直接用復(fù)合序網(wǎng)來(lái)求得。根據(jù)故障處各序量之間的關(guān)系，構(gòu)成復(fù)合序網(wǎng)如圖2-2：??圖2—2單相接地短路時(shí)的復(fù)合序網(wǎng)圖根據(jù)據(jù)對(duì)稱(chēng)分量的合成公式，可得各相電流、電壓為i二i+1 +i二3i二3i二3ikaka1ka2kaO ka1 ka2 kaO>i=(a2+a+1)i =i=0TOC\o"1-5"\h\zkb ka1kc 丿U=U+U+U=0ka ka1ka2 kaO+(a2-1)X]>o工+(a-1)X]0工丿U +(a2-1)X]>o工+(a-1)X]0工丿kb ka1 ka2kaOka1 2工U 二aU +a2U +U 二i [(a-a2)Xkc ka1 ka2kaOka1 2工因i=i=i，作出電流相量關(guān)系如圖2-3(b)所示。ka1ka2kaO假定z和z得阻抗角相等(或?yàn)榧冸娍?，由U=-iX,0工 2工 ka2 ka22工U二-ix可知，U滯后i的相位角為90o,U滯后i的相角為90o，kaOkaO0工 ka2 ka2 kaO kaO又U=-(U+U)，作出故障點(diǎn)電壓相量圖如圖2-3(a)所示。圖中示出的ka1 ka2kaO電壓相量關(guān)系對(duì)應(yīng)的是X〉X的情況，根據(jù)式(4-21)，此時(shí)9<120o。0工2工 ulaIlaI圖2-3單相接地短路處的電壓電流相量圖從以上的分析計(jì)算可知，單相接地短路有以下一些基本特點(diǎn):(1)短路處出現(xiàn)了零序分量。短路處故障中的各序電流大小相等，方向相同，故障相中的電i二ka3i=3i=3i，而兩個(gè)非故障相中的電流均為零。ka1ka2kaO短路處正序電流的大小與在短路點(diǎn)原正序網(wǎng)絡(luò)上增加一個(gè)附加阻抗Z(1)二X+X而發(fā)生三相短路時(shí)的電流相等。A 2工 0工(4)短路點(diǎn)故障相的電壓等于零。在假定X和X的阻抗角相等的情況下，兩個(gè)非故障相電壓的幅值總TOC\o"1-5"\h\z0工 2EX X等,相位差角0的大小決定于良的比值，當(dāng)紅比值在0X范圍內(nèi)變化時(shí),u X X2工 2工X X0的變化范圍為60。＜0 180。，60o對(duì)應(yīng)oe比值為*的情況，180。對(duì)應(yīng)、嚴(yán)比值接u u X X2E 2E近于零的情況。2.3基于matlab仿真方法Matlab在電力系統(tǒng)建模和仿真的應(yīng)用主要由電力系統(tǒng)仿真模塊(PowerSystemBlockse,t簡(jiǎn)稱(chēng)PSB)來(lái)完成.PSB程序庫(kù)含有代表電力網(wǎng)絡(luò)中一般部件和設(shè)備的Simulink程序塊，通過(guò)PSB可以迅速建立模型，并立即仿真.PSB程序塊程序庫(kù)中的測(cè)量程序和控制源起到電信號(hào)與Simulink程序之間的連接作用.Simpowersystem的界面如2-4圖Library:SimPowerSystemsSearchResults:(none)Measurements陽(yáng)竄黑E Ul EEbQ如LT回MgmesMeasurementsII.pa^sr^ulIpowersuiElectronics 圖2-4Simpowersystem的界面使用matlab仿真時(shí)首先要做的是搭建系統(tǒng)圖，在搭建好系統(tǒng)系統(tǒng)圖后，我們需要對(duì)各模塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。這些做好以后就可以開(kāi)始仿真了。進(jìn)行系統(tǒng)仿真與穩(wěn)態(tài)分析：按Startsimulation按鈕進(jìn)行仿真，在仿真進(jìn)行期間，可以打開(kāi)Vs模塊對(duì)話框修改幅值，觀察兩個(gè)示波器的效果,同樣的，你也可以修改頻率和相位等其它參數(shù)。在示波器窗口里，你可以對(duì)波形中感興趣的區(qū)域利用鼠標(biāo)左鍵選擇進(jìn)行縮放。在仿真中采用的算法是ode45，然而，在更多的仿真應(yīng)用中，系統(tǒng)里含有很多的斷路器和非線性模型，你就必須選用特定的算法。為了更方便的對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)進(jìn)行分析，將powerlib庫(kù)中的powergui模塊復(fù)制到circuitl中。雙擊該模塊打開(kāi)它，從powergui的分析工具菜單里選擇穩(wěn)態(tài)電壓/電流選項(xiàng)，測(cè)量模塊所測(cè)量到的穩(wěn)態(tài)相量以極坐標(biāo)的形式顯示出來(lái)。在該窗口中，還可以選擇顯示電源和各元件狀態(tài)變量的穩(wěn)態(tài)值。此外，從powergui的工具菜單中選擇初始狀態(tài)設(shè)置可以對(duì)狀態(tài)變量的初始值進(jìn)行設(shè)定。第三章、電力系統(tǒng)短路故障計(jì)算實(shí)例例：如圖3-1所示的系統(tǒng)中，在母線L上發(fā)生三種金屬性不對(duì)稱(chēng)，短路故障，試分別計(jì)算短路瞬間故障點(diǎn)的短路電流和各相電壓。已知參數(shù)如下：發(fā)電機(jī)G:Sn=30MV0.2變壓器T-l:S=發(fā)電機(jī)G:Sn=30MV0.2變壓器T-l:S=30MV-A,V=10.5%N S變壓器T-2：S=30MV-A,V=10.5%N S線路L:l=60km,x=0.40/km,x=3x(1)(0)(1)。負(fù)荷51和SLD2的容量為25MV-A。3?1對(duì)稱(chēng)分量法分析解：(1)由圖(a)所示的線路圖可知，線路的正序，負(fù)序，零序電路圖如下:圖3-1系統(tǒng)線路jXTl.ljXSLl.ljXG1.2圖(a)線路的正序電路jXTl.2jXL1.2jXT2.2jXSLl.2圖(b)線路的負(fù)序電路jXTl.ljXSLl.ljXG1.2圖(a)線路的正序電路jXTl.2jXL1.2jXT2.2jXSLl.2圖(b)線路的負(fù)序電路圖(c)線路零序電路⑵求各元件參數(shù)的標(biāo)幺值，選取基準(zhǔn)值如下：S=30MV-A,U=UB B av發(fā)電機(jī)：Sx=x"=0.2亠=0.2⑵dSGN變壓器T-1:TOC\o"1-5"\h\zV% S 30x=—s *」=0.105x=0.105\o"CurrentDocument"T1.1 100S 30TNx=x=xT1.1 T1.2 T1.0同理變壓器T-2有：T2.1TT2.1T2.2xT2.0=0.105線路：TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"S 30x=x=x*l*蟲(chóng)=0.4x60x=0.0544l1.1 l1.2 1 U21152Bx=3x=0.1632l1.0 l1.1負(fù)荷SLD1：TOC\o"1-5"\h\zS 30x=1.2*亠=1.2x=1.44S11.1 S 25LDS 30x=0.35*亠=0.35x=0.42sl1.2 U2 25B同理負(fù)荷SLD2有：x=1.44,x=0.42sl2.1 sl2.2各序網(wǎng)絡(luò)的等值參數(shù)為：正序電抗：x=[(x //x )+x+x]//(x +x)=0.2731T G1.1 sl1.1 T1.1 11.1 T2.1sl2.1負(fù)序電抗：x =[(x //x)+x+x]//(x +x)=0.1882z G1.2 sl1.2T1.2 11.2 T2.2si2.2零序電抗：x=(x +x)//(x)=0.0750工 T1.0 11.0 T2.0(3)計(jì)算各序電氣量及各向量a:單相(a相)接地短路以c相為基準(zhǔn)相的邊界條件為：I=I=IU=U+U+U=0kc1 kc2 kc0;kc kc1 kc2kc0根據(jù)這些邊界條件，可得：(1)由復(fù)合序網(wǎng)求故障點(diǎn)處的各序電流電壓：1.957i=i=i= uk = j10 1.957kc1 kc2 kc0X+X+Xj(0.188+0.273+0.075)1E 2E 0EU =-jl X =-j1.957X0?075=-j0?147kc0 kc0 0eU =-jl x =-j1.957X0.188=-j0.368kc2 kc22eU =-(U +U)=-j0?515kc1 'kc2 kc0丿(2)求故障點(diǎn)的各相電流、電壓。I=I=0kakbI=31 =3xl.957=5.871kc kclU=a2(j0.515)+a(-jO.368)+(-jO.147)=0.765-j0?293kaU=a(jO.515)+a2(-jO.368)+(-j0?147)=—0.765-j0?293kbU=0kc(3)求各電氣量的有名值：短路點(diǎn)所在電壓等級(jí)的電壓、電流基準(zhǔn)值為：115 30U二 二66.4(KV),I二 二0.151(KA)B芒 BJ3x115I=I=5.871x0.151=0.887(KA)所以有：短路電流KKCU=U=0.819x66.4=54.38(KV)ka kbb:兩相(b相和c相)短路：此時(shí)以a相為基準(zhǔn)相的邊界條件為：I-二0,I-+1-二0,U 二Uka0 ka1 ka2 ka1 ka2根據(jù)這些邊界條件，可得：(1)由復(fù)合序網(wǎng)求故障點(diǎn)處的各序電流電壓：I= UK = j1.° =2.169ka1X+Xj(0.188+0.273)1工 2工I=—I =—2.169ka2 ka1U=0ka0U=—jxI =—j2.169X0.273=—j0.592kQJ408ka1 遼kQJ408U.=—jxIka2=jxka2 2zka2 2z(2)求故障點(diǎn)處的各相電流、電壓Ikb一用S一用x2.169一j3?757Ikc=-Ikb=jv"3Ika1=j3-757U=2U =j2x I=j2X0.188x2.169=0.816ka ka1 2zka11U_U=—0.408kb 2kaUkc=Ukb=—0.408(2)求各電氣量的有名值：同(a)單相短路的短路點(diǎn)的電壓、電流基準(zhǔn)值，此時(shí)的基準(zhǔn)值為:115 30U二 二66.4(KV),I二 二0.151(KA)B 73 B 呂x115

所以有:I=I=I=3.757x0.151=0.567(KA)kkbkcU=0.816x66.4=54.182(KV)kaU=0.408x66.4=27.091(KV)肋U=U=27.091(KV)kc kb3.2基于matlab的仿真用matlab中simulink的simpowersystem模塊搭建系統(tǒng)主電路圖見(jiàn)下圖3-2Scopel—AVabcConstantl10e3―ConstantContinuouspov/erguiThree-PhaseV-IMeasurementThree-PhaseSeriesRLCLoad2Three-PhaseTransformer(TwoWindings)2c也'TgAVabcConstantl10e3―ConstantContinuouspov/erguiThree-PhaseV-IMeasurementThree-PhaseSeriesRLCLoad2Three-PhaseTransformer(TwoWindings)2c也'Tg匚SimplifiedSynchronousMachineSIUnitsThree-PhaseFaultThree-PhaseTransformer(TwoWindings)!J?DistributedParametersLinelThree-PhaseSeriesRLCLoa圖3-2系統(tǒng)線路仿真線路3.3仿真結(jié)果及分析_u-605自3.3仿真結(jié)果及分析_u-605自0PP|圖3-3單相（c相）接地仿真圖1、單相接地短路分析改變?nèi)喽搪吩?shù)為c相接地短路，得到線路單相接地短路時(shí)，短路點(diǎn)的短路電壓和電流波形，如圖所示.在0—0.15s時(shí)線路逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，三相電流、電壓對(duì)稱(chēng)。在0.15s時(shí)發(fā)生C相接地短路，C相電壓大大減小，A、B相電壓也相對(duì)減少，故障相C相電流迅速上升為短路電流，C相電壓，A、B相電流應(yīng)該為0,但由于系統(tǒng)最后有負(fù)載，所以波形圖上顯示的C相電壓，A、B相電流不為零。在0.3s時(shí)，故障切除，三相電壓電流經(jīng)暫態(tài)后重新達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，恢復(fù)三相對(duì)稱(chēng)運(yùn)行的工作狀態(tài)。

圖3-4兩相（B圖3-4兩相（B、C相）短路仿真圖2、兩相短路分析改變?nèi)喽搪吩?shù)為B、C相間短路，得到線路兩相短路時(shí)，短路點(diǎn)的短路電壓和電流波形，如圖所示.在0—0.15s時(shí)線路逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，三相電流、電壓對(duì)稱(chēng)。在0.15s時(shí)發(fā)生B、C兩相短路，A相電壓基本不變。B、C相電壓減少，故障相B、C相電流迅