電力系統(tǒng)兩相接地短路計(jì)算與仿真(共26頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué)電力系統(tǒng)計(jì)算課程設(shè)計(jì)（論文）題目： 電力系統(tǒng)兩相接地短路計(jì)算與仿真（3）院（系）： 電 氣 工 程 學(xué) 院 專業(yè)班級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 教師職稱： 講師 起止時(shí)間：12-07-02至12-07-13專心-專注-專業(yè)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ)G1 T1 1 L12 2 T2 G2 1:k k:1 L13 L23 3 S3 院（系）：電氣工程學(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)GG原始資料：系統(tǒng)如圖各元件參數(shù)如下（各序參數(shù)相同）：G1、G2：SN=35MVA，VN=10.5kV，X=0.35；T1: SN=31.5M

2、VA，Vs%=10， k=10.5/121kV,Ps=180kW, Po=30kW,Io%=0.8；YN/d-11T2: SN=31.5MVA，Vs%=10， k=10.5/121kV,Ps=170kW, Po=33kW,Io%=0.8；YN/d-11L1:線路長(zhǎng)60km，電阻0.25/km，電抗0.41/km，對(duì)地容納3.00×10-6S/km；L2:線路長(zhǎng)100km，電阻0.15/km，電抗0.38/km，對(duì)地容納2.78×10-6S/km； L3: 線路長(zhǎng)80km，電阻0.18/km，電抗0.4/km，對(duì)地容納2.78×10-6S/km；負(fù)荷：S3=50MV

3、A，功率因數(shù)均為0.85.任務(wù)要求（節(jié)點(diǎn)3發(fā)生AC兩相金屬性接地短路時(shí)）：1 計(jì)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(duì)地支路，計(jì)算短路點(diǎn)的A、B和C三相電壓和電流；4 忽略對(duì)地支路，計(jì)算其它各個(gè)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)行方式下，對(duì)各種不同時(shí)刻AC兩相接地短路進(jìn)行Matlab仿真；6 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(yǔ)及成績(jī)平時(shí)考核： 設(shè)計(jì)質(zhì)量： 答辯： 總成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日注：成績(jī)：平時(shí)20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計(jì)算摘 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(zhǎng)，電力系

4、統(tǒng)規(guī)模越來(lái)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(lái)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(guò)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(guò)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仿真目 錄第1章 緒論1.1 電力系統(tǒng)短路計(jì)算概述1.1.1 電力系統(tǒng)短路計(jì)算的目的

5、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)算是解決一系列技術(shù)問(wèn)題所不可缺少的基本計(jì)算，這些問(wèn)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)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

6、線圖，確定是否需要采取限制短路電流的措施等，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)算的內(nèi)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。1.1.2 短路計(jì)算的處理方法(1)簡(jiǎn)單三相電路中發(fā)生突然對(duì)稱短路的暫態(tài)過(guò)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(wú)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(wú)功變化量遠(yuǎn)小于電源的無(wú)功功率）； 電源內(nèi)阻抗為0，電壓恒定。實(shí)際上真正的無(wú)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

7、內(nèi)阻抗小于短路回路總阻抗的10%時(shí)候，可認(rèn)為電源為無(wú)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

8、相對(duì)稱短路故障。(6)各元件的電阻略去不計(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。1.2 本文設(shè)計(jì)內(nèi)容本文根據(jù)所給的數(shù)據(jù)，進(jìn)行電力系統(tǒng)兩相接地短路計(jì)算與仿真，根據(jù)要求完成：1 計(jì)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(duì)地支路，計(jì)算短路點(diǎn)的A、B和C三相電壓和電流；4 忽略對(duì)地支路，計(jì)算其它各個(gè)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)行方式下，對(duì)各種不同時(shí)刻AC兩相接地短路進(jìn)行Matlab仿真；6 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

9、進(jìn)行分析比較，得出結(jié)論。第2章 電力系統(tǒng)不對(duì)稱短路計(jì)算原理2.1 對(duì)稱分量法基本原理對(duì)稱分量法是分析不對(duì)稱故障的常用方法，根據(jù)不對(duì)稱分量法，一組不對(duì)稱的三相量可以分解為正序、負(fù)序和零序三相對(duì)稱的三相量。在不同序別的對(duì)稱分量作用下，電力系統(tǒng)的各元件可能呈現(xiàn)不同的特性，因此我們首先來(lái)介紹發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路和符合的各序參數(shù)，特別是電網(wǎng)元件的零序參數(shù)及其等值電路。一、不對(duì)稱三相量的分解在三相電路中，對(duì)于任意一組不對(duì)稱的三相相量（電流或電壓），可以分解為三組三相對(duì)稱的相量，當(dāng)選擇a相作為基準(zhǔn)相時(shí)，三相相量與其對(duì)稱分量之間的關(guān)系（如電流）為 （2-1）式中，預(yù)算子，且有1+a+a2 =0,a3 =1

10、；、分別為a相電流的正序、負(fù)序和零序分量，并且有 （2-2）由上式可以作出三相量的三組對(duì)稱分量如圖2.1所示。（a） （b） （c）圖2.1 三相量的對(duì)稱分量（a）正序分量；（b）負(fù)序分量（c）零序分量我們看到，正序分量的相序與正常對(duì)稱情況下的相序相同，而負(fù)序分量的相序則與正序相反，零序分量則三相同相位。將一組不對(duì)稱的三相量分解為三組對(duì)稱分量，這種分解是一種坐標(biāo)變換，如同派克變換一樣。把式（2-1）寫成 （2-3）矩陣S稱為分量變換矩陣。當(dāng)已知三相不對(duì)稱的相量時(shí)，可由上式求得各序?qū)ΨQ分量。已知各序?qū)ΨQ分量時(shí)，也可以用反變換求出三相不對(duì)稱的相量，即 （2-4）式中 （2-5）展開(kāi)式（2-4）并計(jì)

11、及式（2-2）有 （2-6）電壓的三相相量與其對(duì)稱分量之間的關(guān)系也與電流的一樣。2.2 三相序阻抗及等值網(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，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)，

12、它是一個(gè)有源網(wǎng)絡(luò)，可以用戴維南定理簡(jiǎn)化的形式。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)。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(wú)源網(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相位相同，他們必須經(jīng)過(guò)大地（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，電

13、力系統(tǒng)三線接線如圖2.2（a），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，如圖2.2（b）。從故障端口看零序網(wǎng)絡(luò)，也是一個(gè)無(wú)源網(wǎng)絡(luò)。簡(jiǎn)化后得零序網(wǎng)絡(luò)示如圖2.2（c）。圖2.2 零序網(wǎng)絡(luò)的制訂2.3 兩相接地不對(duì)稱短路的計(jì)算步驟在三相系統(tǒng)中，可能發(fā)生的短路有：三相短路、兩相短路、兩相短路接地和單相接地短路。三相短路也稱為對(duì)稱端

14、粒，系統(tǒng)各相與正常運(yùn)行時(shí)一樣仍出入對(duì)稱狀態(tài)。其他類型的短路都是不對(duì)稱短路。兩相（b相和c相）短路接地故障處的三個(gè)邊界條件為Ifa=0 , Vfa=0 , Vfc=0 （2-7）兩相接地短路示意圖如圖2.8所示： 圖2.3 兩相短路接地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成電壓，電壓換成電流就是了。用序量表示的邊界條件為 （2-8）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2.9所示：圖2.4 負(fù)荷序網(wǎng)圖由圖可得 （2-6）短路點(diǎn)故障相的電流為 （2-7）根據(jù)上式可以求得兩相短路接地時(shí)故障相電流的絕對(duì)值為 （2-8）短路點(diǎn)非故障相電壓為 （2-9）兩故障相電

15、流相量之間的夾角也與比值有關(guān)。當(dāng)時(shí)，其夾角等于60度。兩相短路，與反相。第3章 電力系統(tǒng)兩相短路計(jì)算3.1 系統(tǒng)等值電路及元件參數(shù)計(jì)算變壓器參數(shù)1線路L12線路L13線路L23標(biāo)幺值 由計(jì)算數(shù)據(jù)可得系統(tǒng)等值電路，如圖3.1所示：圖3.1 系統(tǒng)等值電路3.2 系統(tǒng)等值電路及其化簡(jiǎn)計(jì)算負(fù)荷的阻抗值由和可得：P=42.5MWQ=26.3Mvar計(jì)算其標(biāo)幺值可得：S=2.6+j4.3忽略系統(tǒng)對(duì)地支路，化簡(jiǎn)系統(tǒng)等值電路，如圖3.2所示：圖3.2 化簡(jiǎn)后系統(tǒng)等值電路3.3 兩相接地短路計(jì)算對(duì)等值電路中的的角形阻抗進(jìn)行變換，改為星形，可得如圖3.3所示:圖3.3 星角變換圖根據(jù)以上數(shù)據(jù)，繪出各序網(wǎng)絡(luò)，正序網(wǎng)

16、絡(luò)圖如圖3.4所示：圖3.4 正序網(wǎng)絡(luò)圖化簡(jiǎn)后如圖3.5所示：圖3.5 正序網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)圖負(fù)序網(wǎng)絡(luò)如圖3.6所示：圖3.6 負(fù)序網(wǎng)絡(luò)圖化簡(jiǎn)后如圖3.7所示：圖3.7 負(fù)序網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)圖零序網(wǎng)絡(luò)如圖3.8所示：圖3.8 零序網(wǎng)絡(luò)圖化簡(jiǎn)后如圖3.9所示：圖3.9 零序網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)圖綜上：當(dāng)節(jié)點(diǎn)3發(fā)生兩相金屬性短路時(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：A相正序、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： 3.4 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：節(jié)點(diǎn)3:3.5 計(jì)算各條支路的電壓和電流 (3-

17、1) (3-2)解得：所以節(jié)點(diǎn)1、2 的電壓：第4章 短路計(jì)算的仿真4.1 仿真模型的建立本課設(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(lái)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(wú)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MA

18、TLAB仿真，并分析了這一暫態(tài)過(guò)程。仿真圖如圖4.1所示：圖4.1 仿真電路圖通過(guò)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(guò)分析各個(gè)波形，了解了發(fā)生兩相接地短路故障時(shí)電力系統(tǒng)的詳細(xì)情況。圖4.2 故障A相電壓圖4.3 故障A相電流圖4.4故障B相電壓圖4.5 故障B相電流圖4.6 故障C相電壓圖4.7 故障C相電流4.2 仿真結(jié)果比較分析由圖所示波形可以發(fā)現(xiàn)，仿真開(kāi)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(méi)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(guò)渡過(guò)程中，這個(gè)過(guò)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(wú)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(shuō)明兩相接地短路為不對(duì)稱短路。故障切除后，三相電壓電流經(jīng)暫態(tài)后達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)