電力系統(tǒng)單相短路計算與仿真

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué)電力系統(tǒng)分析課程設(shè)計（論文）題目： 電力系統(tǒng)單相短路計算與仿真（1）院（系）： 專業(yè)班級： 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 教師職稱： 起止時間：本科生課程設(shè)計（論文）課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語G1 T1 1 L1 2 T2 G2 1:k k:1 L3 L2 3 S3 院（系）： 教研室： 課程設(shè)計（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=30MVA，VN=10.5kV，X=0.25；T1: SN=31.5MVA，Vs%=10， k=10.5/121kV,Ps=200kW, Po=35kW,Io%=0.9；YN/d-11T2:

2、SN=31.5MVA，Vs%=10.5， k=10.5/121kV,Ps=180kW, Po=30kW,Io%=0.8；YN/d-11L1:線路長90km，電阻0.15/km，電抗0.41/km，對地容納2.8×10-6S/km；L2:線路長80km，電阻0.18/km，電抗0.42/km，對地容納2.78×10-6S/km； L3: 線路長70km，電阻0.2/km，電抗0.40/km，對地容納2.68×10-6S/km；負(fù)荷：S3=45MVA，功率因數(shù)均為0.9.任務(wù)要求（節(jié)點3發(fā)生A相金屬性短路時）：1 計算各元件的參數(shù)；2 畫出完整的系統(tǒng)等值電路圖；3 忽

3、略對地支路，計算短路點的A、B和C三相電壓和電流；4 忽略對地支路，計算其它各個節(jié)點的A、B和C三相電壓和支路電流；5 在系統(tǒng)正常運行方式下，對各種不同時刻A相接地短路進(jìn)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(jìn)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： 答辯： 總成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計算摘 要近年來，隨著我國工業(yè)化的推進(jìn)，國民經(jīng)濟(jì)也快速的發(fā)展著，與此同時電力系統(tǒng)的規(guī)模變得越來越龐大，電力系統(tǒng)在人民的日常生活和工作中擔(dān)任的角色也越來越重要，因此，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行直接影響著人們的

4、日常生活。在電力系統(tǒng)的設(shè)計和運行中，必須考慮到可能發(fā)生的故障和不正常的運行情況，防止其破壞對用戶的供電和電氣設(shè)備的正常工作。從電力系統(tǒng)的實際運行情況看，這些故障多數(shù)是由短路引起的，因此除了對電力系統(tǒng)的短路故障有一較深刻的認(rèn)識外，還必須熟練掌握電力系統(tǒng)的短路計算。關(guān)鍵詞：單相短路電流；單相短路電壓；仿真；目 錄第1章 緒論11.1 電力系統(tǒng)短路計算概述11.2 本文設(shè)計內(nèi)容1第2章 電力系統(tǒng)不對稱短路計算原理22.1 對稱分量法基本原理22.2 三相序阻抗及等值網(wǎng)絡(luò)22.3 單相不對稱短路的計算步驟2第3章 電力系統(tǒng)單相短路計算33.1 系統(tǒng)等值電路及元件參數(shù)計算33.2 系統(tǒng)等值電路及其化簡3

5、3.3 單相短路計算3第4章 短路計算的仿真44.1 仿真模型的建立44.2 仿真結(jié)果及分析4第5章 總結(jié)5參考文獻(xiàn)6第1章 緒論1.1電力系統(tǒng)短路計算概述電力系統(tǒng)在運行過程中常常會受到各種擾動，其中，對電力系統(tǒng)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（即在不同地點同時發(fā)生短路或斷線），而最為常見和對電力系統(tǒng)影響最大的是短路故障。因此，故障分析重點是對短路故障的分析。所謂短路，是指一切不正常的相與相之間或相與地之間（對于中性點接地的系統(tǒng)）發(fā)生通路的情況。 在三相系統(tǒng)中可能發(fā)生的短路有：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,其他類型的短

6、路都是不對稱的。在各種短路類型中，單相短路占大多數(shù)，兩相短路較少，三相短路的機(jī)會最少。三相短路雖然很少發(fā)生，但情況較嚴(yán)重，應(yīng)給予足夠的重視。短路故障時短路點附近的支路中出現(xiàn)比正常值大許多倍的電流，由于短路電流的電動力效應(yīng)，導(dǎo)體間將產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力，可能使導(dǎo)體和它們的支架遭到破壞。短路時系統(tǒng)電壓大幅度下降，對用戶影響很大。系統(tǒng)中最主要的電力負(fù)荷是異步電動機(jī)，電壓下降時，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩顯著減少，轉(zhuǎn)速隨之下降。當(dāng)電壓大幅下降時，電動機(jī)甚至可能停轉(zhuǎn)，造成產(chǎn)品報廢，設(shè)備損壞等嚴(yán)重后果。當(dāng)短路地點離電源不遠(yuǎn)而持續(xù)時間又較長時，并列運行的發(fā)電廠可能失去同步，破壞系統(tǒng)穩(wěn)定，造成大片區(qū)停電。這是短路故障最嚴(yán)

7、重的后果。發(fā)生不對稱短路時，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)出很大的電動勢，這對于架設(shè)在高壓電力線路附近的通訊線路或鐵道訊號系統(tǒng)等會產(chǎn)生重大影響。 1.2本文設(shè)計內(nèi)容本科設(shè)主要計算單相短路及其仿真分析，具體設(shè)計安排如下：1 計算各元件的參數(shù)；2 畫出完整的系統(tǒng)等值電路圖；3 忽略對地支路，計算短路點的A、B和C三相電壓和電流；4 忽略對地支路，計算其它各個節(jié)點的A、B和C三相電壓和支路電流；5 在系統(tǒng)正常運行方式下，對各種不同時刻A相接地短路進(jìn)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(jìn)行分析比較，得出結(jié)論。第2章 電力系統(tǒng)不對稱短路計算原理 2.1對稱分量法

8、基本原理所謂對稱分量法，即將三個相量分解為對稱的分量組，用于分析三相電路不對稱運行狀態(tài)的一種方法。對稱分量法是電工中分析對稱系統(tǒng)不對稱運行狀態(tài)的一種基本方法。廣泛應(yīng)用于三相交流系統(tǒng)參數(shù)對稱、運行工況不對稱的電氣量計算。 電力系統(tǒng)正常運行時可認(rèn)為是對稱的，即各元件三相阻抗相同，各自三相電壓、電流大小相等，具有正常相序。電力系統(tǒng)正常運行方式的破壞主要與不對稱故障或者斷路器的不對稱操作有關(guān)。由于整個電力系統(tǒng)中只有個別點是三相阻抗不相等，所以一般不使用直接求解復(fù)雜的三相不對稱電路的方法，而采用更簡單的對稱分量法進(jìn)行分析。 電工中分析對稱系統(tǒng)不對稱運行狀態(tài)的一種基本方法。電力系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)、變壓器、電抗

9、器、電動機(jī)等都是三相對稱元件，經(jīng)過充分換位的輸電線基本上也是三相對稱的。對于這種三相對稱系統(tǒng)的分析計算可以方便地用單相電路的方法求解。 對稱分量法是分析不對稱故障的常用方法，根據(jù)不對稱分量法，一組不對稱的三相量可以分解為正序、負(fù)序和零序三相對稱的三相量。在三相電路中，對于任意一組不對稱的三相量（電流或電壓），可以分解為三相三組對稱的相量，當(dāng)選擇a相作為基準(zhǔn)時，三相相量與其對稱分量之間的關(guān)系(如電流)為。 (2-1)式中運算子且有, ； 分別為a相電流的正序、負(fù)序和零序分量并且有。 (2-2)當(dāng)已知三相補(bǔ)對稱的相量時，可由上式求得各序?qū)ΨQ分量，已知各序?qū)ΨQ分量時，也可以求出三相不對稱的相量，即

10、(2-3)式中 (2-4)（a）（b）（c）圖2.1三相量的對稱分量展開(2-3)并計及式(2-2)有 (2-5)電壓的三相相量與其對稱分量之間的關(guān)系也與電流一樣。2.2三相序阻抗及等值網(wǎng)絡(luò)短路故障的計算與分析,主要是短路電流的大小及其變化規(guī)律不僅與短路故障的類型有關(guān),而且與電源特性,網(wǎng)絡(luò)元件的電磁參數(shù)有關(guān)。不對稱短路時故障處的短路電流和電壓網(wǎng)絡(luò)的故障處，對稱分量分解后可用序電壓方程表示為幾種主要的序網(wǎng)。為使電路簡化，需要將線路的三角形連接轉(zhuǎn)化為星形連接，轉(zhuǎn)化后其正序、負(fù)序和零序網(wǎng)絡(luò)圖如下。圖2.2 正序網(wǎng)絡(luò)圖2.3 負(fù)序網(wǎng)絡(luò)圖2.4 零序網(wǎng)絡(luò)對正序、負(fù)序和零序網(wǎng)絡(luò)內(nèi)電抗進(jìn)行Y轉(zhuǎn)換計算如下。三

11、相序阻抗化簡，其等值網(wǎng)絡(luò)圖如下。圖2.5正序等值網(wǎng)絡(luò)圖2.6負(fù)序等值網(wǎng)絡(luò)圖2.7零序等值網(wǎng)絡(luò)對等效電抗進(jìn)行計算（1）正序 （2）負(fù)序（3）零序2.3單相不對稱短路的計算步驟1確定計算條件，畫計算電路圖 1）計算條件：系統(tǒng)運行方式，短路地點、短路類型和短路后采取的措施。 2）運行方式：系統(tǒng)中投入的發(fā)電、輸電、變電、用電設(shè)備的多少以及它們之間的連接情況。根據(jù)計算目的確定系統(tǒng)運行方式，畫相應(yīng)的計算電路圖。選電氣設(shè)備：選擇正常運行方式畫計算圖；短路點取使被選擇設(shè)備通過的短路電流最大的點。繼電保護(hù)整定：比較不同運行方式，取最嚴(yán)重的。2畫等值電路，計算參數(shù)； 分別畫各段路點對應(yīng)的等值電路。標(biāo)號與計算圖中的

12、應(yīng)一致。3網(wǎng)絡(luò)化簡，分別求出短路點至各等值電源點之間的總電抗。等值電源歸算（1）同類型且至短路點的電氣距離大致相等的電源可歸并；（2）至短路點距離較遠(yuǎn)的同類型或不同類型的電源可歸并；（3）直接連于短路點上的同類型發(fā)電機(jī)可歸并；第3章 電力系統(tǒng)單相短路計算3.1系統(tǒng)等值電路及元件參數(shù)計算單相接地短路時，故障處的三個邊界條件為，經(jīng)過整理后便得到用序量表示的邊界條件為 (3-1)短路點電流和電壓的各序分量為 (3-2)電壓和電流的各序分量，也可以直接應(yīng)用復(fù)合序網(wǎng)來求得。根據(jù)故障處各序分量之間的關(guān)系，將各序網(wǎng)絡(luò)在故障端口聯(lián)接起來構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)稱為復(fù)合序網(wǎng)。用復(fù)合序網(wǎng)進(jìn)行計算，可以得到同樣結(jié)果。短路點的故障

13、相電流為 (3-3)或 (3-4)帶入式(3-4)各個數(shù)據(jù)，得由式(3-3)和式(3-1)得由式(3-2)得短路點非故障相的對地電壓 3.2系統(tǒng)等值電路及其化簡為使電路簡化，需要將線路的三角形連接轉(zhuǎn)化為星形連接，其轉(zhuǎn)化公式為。在進(jìn)行電路化簡時，還需要對電源、阻抗進(jìn)行合并，其公式如下。代數(shù)得，對于正序圖， 圖3.1 單相接地短路圖3.2 單相短路的復(fù)合序網(wǎng)第4章 短路計算的仿真4.1仿真模型的建立當(dāng)A相發(fā)生接地短路時故障點A相電壓降為零，由于系統(tǒng)為不接地系統(tǒng)，即Xff無窮大，由公式可知，單項短路電流減為零，非故障相即BC兩項電壓上升為線電壓，其夾角為60。故障切除后各相電壓水平較原來升高，這是中

14、性點電位升高導(dǎo)致的。 圖4.1 單項接地（A相）電壓圖4.2 單項接地（A相）電流當(dāng)輸電線路發(fā)生A相接地短路時，B相、C相電流沒有變化，始終為0。在正常狀態(tài)時，三相短路故障發(fā)生器處于斷開狀態(tài)，A相電流為0。在0.01s時，三相短路故障發(fā)生器閉合，此時A相接地短路，其短路電流形發(fā)生了劇烈的變化，但大體上仍呈現(xiàn)正弦規(guī)律變化。在0.04s時，三相短路故障發(fā)生器打開，故障排除，此時故障點A相電流迅速變?yōu)?。具體的仿真波形如圖所示： 圖4.3 單項(A相)接地各項電流波形4.2仿真結(jié)果及分析系統(tǒng)采用中性點不接地方式時，發(fā)生單相接地故障三相間線電壓仍然對稱，不必馬上切除故障部分，提高了供電的可靠性。但是接

15、地電流在故障處可能產(chǎn)生穩(wěn)定或間歇性的電弧，將危害整個電網(wǎng)的安全運行。若系統(tǒng)改為直接接地，中性點會與故障點成短路回路，線路上將流過很大的短路電流，此時系統(tǒng)不能繼續(xù)運行，需要迅速切除故障線路。若系統(tǒng)采用中性點經(jīng)電阻接地，故障點電壓、電流波形均得到改善。系統(tǒng)采用中性點經(jīng)消弧線圈接地時，由于線圈可產(chǎn)生感性電流，與容性電流相互補(bǔ)償，減少故障的故障電流，可以提高供電的可靠性。電力系統(tǒng)中性點的接地方式涉及系統(tǒng)電壓等級，電力網(wǎng)結(jié)構(gòu)等諸多因素，需綜合考慮各接地方式的特點，結(jié)合具體情況進(jìn)行選擇，以提高系統(tǒng)安全運行的水平。第5章 總結(jié)電力系統(tǒng)發(fā)生不對稱短路后，由于短路點對地故障支路的不對稱，使得整個網(wǎng)絡(luò)電流電壓三相不對稱：。本論文解決不對稱短路的問題核心是對稱分量法。根據(jù)對稱分量法采取的具體方法之一是解析法，即把該網(wǎng)絡(luò)分解為正，負(fù)，零序三個對稱序網(wǎng)，這三組對稱序分量可分別按對稱的三相電路分解。然后將其結(jié)果疊加起來。求解不對稱短路。首先應(yīng)該計算各原件的序參數(shù)和畫出等值電路。然后制定各序網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)不同的故障類型，確定出以相分量表示的邊界條件，進(jìn)而列出以序分量表示的邊界條件