電力系統(tǒng)對(duì)稱短路計(jì)算與仿真1

1、070303140郝 強(qiáng)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ)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)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(biāo)幺值如下：L12：電阻0.1，電抗0.4，對(duì)地容納0.03；L14: 電阻0.12，電抗0.5，對(duì)地容納0.04；L24: 電阻0.08，電抗0.4，對(duì)地容納0.03；L13: 電阻0，電抗0.2，對(duì)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(diǎn)2發(fā)生三相金屬性短路時(shí)，1，計(jì)算短路點(diǎn)的電壓和電流；2，計(jì)算其它各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓和電流；3，計(jì)算各條支路的電壓和電流；4，忽略對(duì)地支路，重新進(jìn)行1、2和3的計(jì)算；5，在系統(tǒng)正常運(yùn)行方式下，對(duì)各種不同時(shí)刻三相短路進(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： 論文格式： 總成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日摘 要本次課程設(shè)計(jì)根據(jù)電力系統(tǒng)分析課程中所講的基于節(jié)點(diǎn)方程的三相短路計(jì)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(yán)重，電力系統(tǒng)中設(shè)備的動(dòng)穩(wěn)

3、定和熱穩(wěn)定校驗(yàn)都要以三相短路電流為依據(jù)，因此本次課程設(shè)計(jì)非常有意義。電力系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中常常會(huì)受到各種擾動(dòng),其中對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行影響較大的是系統(tǒng)中發(fā)生的各種故障.常見(jiàn)的故障有短路,斷線和各種復(fù)雜故障.因此,故障分析重點(diǎn)是對(duì)短路故障的分析. 電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí),除中性點(diǎn)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(shí)短路點(diǎn)電壓為0，對(duì)地電阻為0，計(jì)算短路點(diǎn)電流；最后利用故障前節(jié)點(diǎn)電壓、節(jié)點(diǎn)阻抗和短路點(diǎn)電流求得短路后各節(jié)點(diǎn)電壓和各支路電流。防止諧波電流危害的方法， 一是被動(dòng)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(wú)源濾波的方法， 由一組無(wú)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(duì)電氣設(shè)備的危害; 另一種方法是主動(dòng)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(fù)荷電流中諧波電流分量大小相等、相位相反的電流來(lái)消除諧波。關(guān)鍵詞：對(duì)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(jì)內(nèi)容1第二章 短路計(jì)算22.1 短路的一般概念2電力系統(tǒng)短路計(jì)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(jì)算分析的內(nèi)容和目的42.2 短路計(jì)算的方法42.3 短路的計(jì)算4計(jì)算短路點(diǎn)的電壓和電流4計(jì)算各節(jié)點(diǎn)電壓7計(jì)算各支路電流8忽略對(duì)地支路，節(jié)點(diǎn)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(xiàn)13緒論電力系統(tǒng)短路概況短路是電力系統(tǒng)的嚴(yán)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(duì)稱短路，系統(tǒng)各項(xiàng)與正常運(yùn)行時(shí)一樣仍處于對(duì)稱狀態(tài)。三相短路電流計(jì)算是電力系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行中必須進(jìn)行的計(jì)算分析工作。目前，三相短 路電流超標(biāo)問(wèn)題已成為困擾國(guó)內(nèi)許多電網(wǎng)運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題。然而，在進(jìn)行三相短路電流計(jì)算時(shí)，各設(shè)計(jì)、運(yùn)行和研究部門采用的計(jì)算方法各不相同，這就有可能造成短路

6、電流計(jì)算結(jié)論 的差異和短路電流超標(biāo)判斷的差異，以及短路電流限制措施的不同。本文設(shè)計(jì)內(nèi)容 本次課程設(shè)計(jì)研究的是三相對(duì)稱短路，根據(jù)給定的系統(tǒng)圖及各個(gè)元件參數(shù)，計(jì)算短路點(diǎn)的電壓和電流。然后依次計(jì)算其他各節(jié)點(diǎn)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(jì)算各個(gè)支路的短路點(diǎn)呀和電流。忽略對(duì)地支路，重新計(jì)算各短路點(diǎn)的短路電壓和電流，其他各個(gè)節(jié)點(diǎn)及支路的電壓和電流。在系統(tǒng)正常運(yùn)行方式下，對(duì)各種不同時(shí)刻三相短路進(jìn)行Matlab仿真，最后將短路運(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。第二章 短路計(jì)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(yán)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(diǎn)、短路持續(xù)的時(shí)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(jì)算的分類電力系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中常常會(huì)受到各種擾動(dòng),其中對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行影響較大的是系統(tǒng)中發(fā)生的各種故障.常見(jiàn)的故障有短路,斷線和各種復(fù)雜故障.因此,故障分析重點(diǎn)是對(duì)短路故障的分析。電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí),除中性點(diǎn)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(jiǎn)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(duì)稱的,其他三

8、種短路都是不對(duì)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(dá)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(duì)電力系統(tǒng)的影響最嚴(yán)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(diǎn)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(guò)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(jī),變壓器,電纜等設(shè)備中載流部分的絕緣材料載運(yùn)性中損壞.有時(shí)因鳥獸跨接在裸

9、露的載流部分,或者因?yàn)榇箫L(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(yùn)行人員就對(duì)線路送電而發(fā)生的誤操作,也會(huì)引起短路故障。三相短路是對(duì)稱的,其他三種短路都是不對(duì)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(dá)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(duì)電力系統(tǒng)的影響最嚴(yán)重。短路故障的危害短路對(duì)電器設(shè)備和電力系統(tǒng)的正常運(yùn)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(guò)程,是短路回路中的電流急劇增加,其數(shù)值可能超過(guò)該回路額定電流的許多倍。短路點(diǎn)據(jù)發(fā)電機(jī)的電氣距

10、離越近,短路電流越達(dá)。例如發(fā)電機(jī)端發(fā)生短路時(shí),流過(guò)定子繞組的短路電流最大順時(shí)值可能達(dá)到發(fā)電機(jī)額定電流的1015倍.再大容量的電力系統(tǒng)中,短路電流可達(dá)幾萬(wàn)安,甚至幾十萬(wàn)安。在短路點(diǎn)出產(chǎn)生的電弧可能會(huì)燒壞設(shè)備,而且短路電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí),所產(chǎn)生的熱量可能會(huì)引起導(dǎo)體或絕緣損壞。另外,導(dǎo)體可能會(huì)受到很大的電動(dòng)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(diǎn)處的電壓下降最多,是部分用戶的供電受到影響。例如,負(fù)荷中的異步電動(dòng)機(jī),由于其電磁轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比,當(dāng)電壓降低時(shí),電磁轉(zhuǎn)矩將顯著減小,使電動(dòng)機(jī)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(yán)重后果。短路故障可能引起系統(tǒng)失去穩(wěn)

11、定。不對(duì)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(dòng)勢(shì),造成對(duì)通信系統(tǒng)的干擾,甚至危機(jī)通信設(shè)備和人身安全。在電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備和運(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)備的點(diǎn)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；計(jì)算指定時(shí)刻的短路電流有效值以校驗(yàn)斷路器的斷流能力等。（2）為了合理地配置各種繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置并正確整定其參數(shù)，必須對(duì)電力網(wǎng)

12、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，研究短路對(duì)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，在確定輸電線路對(duì)通訊的干擾，對(duì)已經(jīng)發(fā)生故障進(jìn)行分析，都必須進(jìn)行短路計(jì)算。短路計(jì)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(jì)算,短路容量(短路電流與故障前電壓的乘積)的計(jì)算,故障后系統(tǒng)中各點(diǎn)電壓的計(jì)算以及

13、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)行機(jī)電保護(hù)設(shè)計(jì)和整定值計(jì)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(jì),制定限制短路電流的措施和穩(wěn)定性分析等。2.2 短路計(jì)算的方法經(jīng)典的短路電流計(jì)算方法為：取變比為1.0，不考慮線路充電電容和并聯(lián)補(bǔ)償，不考慮負(fù)荷電流和負(fù)荷的影響，節(jié)點(diǎn)電壓取1.0，發(fā)電機(jī)空載。 短路電流計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)主要有IEC標(biāo)準(zhǔn)和ANSI標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)采用的是IEC標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)標(biāo)規(guī)定了短路電流的計(jì)算方法、計(jì)算條件。國(guó)標(biāo)推薦的三相短路電流計(jì)算方法是等值電壓源法，其計(jì)算條件為： 不考慮非旋轉(zhuǎn)負(fù)載的運(yùn)行數(shù)據(jù)和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁方

14、式； 忽略線路電容和非旋轉(zhuǎn)負(fù)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(jì)弧電阻； 35 kV及以上系統(tǒng)的最大短路電流計(jì)算時(shí)，等值電壓源取標(biāo)稱電壓的1 .1（計(jì)算中額定電壓的1.05 pu），但不超過(guò)設(shè)備的最高運(yùn)行電壓。 對(duì)于電網(wǎng)規(guī)劃、運(yùn)行部門，三相最大短路電流計(jì)算是主要的計(jì)算內(nèi)容。計(jì)算中，各電網(wǎng)、電網(wǎng)內(nèi)的不同部門可能采用不同的計(jì)算條件。差別主要集中在變壓器變比、節(jié)點(diǎn)電壓的選取上 。變壓器變比有取1.0，有取實(shí)際運(yùn)行變比的；節(jié)點(diǎn)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(jì)算的要求，計(jì)算人員可以對(duì)所得的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸ぁＳ械?/p>

15、商業(yè)軟件也提供了靈活的短路電流計(jì)算條件設(shè)置功能。2.3 短路的計(jì)算計(jì)算短路點(diǎn)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(duì)地支路，當(dāng)節(jié)點(diǎn)2發(fā)生三相金屬短路時(shí)，系統(tǒng)等效網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)過(guò)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(duì)地支路 圖 2.3(c)最簡(jiǎn)圖由圖2.3(a)所示可求： 將對(duì)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(jì)算各節(jié)點(diǎn)電壓由圖2.3(a) 結(jié)點(diǎn)4和結(jié)點(diǎn)2的電壓為 根據(jù)戴

16、維南定理 計(jì)算各支路電流由圖2.3(a)可求得：忽略對(duì)地支路，節(jié)點(diǎn)3發(fā)生三相金屬短路忽略對(duì)地支路，當(dāng)節(jié)點(diǎn)2 發(fā)生三相金屬短路時(shí)由圖2.3(b)，忽略對(duì)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(guò)對(duì)系統(tǒng)的分析以及計(jì)算結(jié)合MATLAB所學(xué)知識(shí)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(shí)，故障點(diǎn)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(shí)，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(diǎn)各相電流發(fā)生變化，由于閉合時(shí)有初始輸入量和初始狀態(tài)量。因而故障點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)電流波形在穩(wěn)態(tài)時(shí)，故障點(diǎn)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(shí)際上是加載在輸電線路L12上的電壓。在0.01s時(shí)，三相電路故障發(fā)生器閉合。因此發(fā)生三相短路，故障點(diǎn)三相電壓由于發(fā)生三相接地短路，此時(shí)三相電壓實(shí)際上是加載在輸電線L12上的電壓，發(fā)生暫態(tài)波動(dòng)。 圖3.3 節(jié)點(diǎn)2電壓波形在穩(wěn)態(tài)時(shí)，故障點(diǎn)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(shí)，三相電流短路故障發(fā)生器閉合，此時(shí)電路發(fā)生三相短路，故障點(diǎn)電流正序分

18、量得幅值下降，至0.06s時(shí)幅值為0，故障點(diǎn)電流正序分量的相角繼續(xù)下降，至0.06s時(shí)降為大約-180度。還可以通過(guò)向量選擇器分別選擇電流負(fù)序分量和零序分量進(jìn)行分析。圖3.4 短路點(diǎn)正序分量波形第4章 總結(jié)設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了對(duì)自己要設(shè)計(jì)的課題有一個(gè)深入地了解，我進(jìn)行了大量的有關(guān)短路計(jì)算的知識(shí)充分利用了學(xué)校為我們提供寶貴的知識(shí)資源，使我對(duì)短路計(jì)算的認(rèn)識(shí)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(huì)如何把他們綜合在一起，理解并融會(huì)，并應(yīng)用到自己的課題設(shè)計(jì)中來(lái)。這是一個(gè)學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的過(guò)程，也是一個(gè)難得的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。在這次課程設(shè)計(jì)中，我將所獲取的資源真正轉(zhuǎn)化為自己的知識(shí)，同時(shí)通過(guò)對(duì)這些資料的學(xué)習(xí)和運(yùn)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(huì)到當(dāng)自己真正要用一個(gè)軟件時(shí)就必須把它弄懂，這樣才能提高效率，并達(dá)到最優(yōu)效果。如果在網(wǎng)上找別人制做好的電路圖再進(jìn)行修改，雖然簡(jiǎn)單可行，但始終是