三相短路故障分析与计算的算法设计.docx
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兰州理工大学技术工程学院电力系统类本科课程设计论文
兰州理工大学技术工程学院
“三相短路故障分析与计算的算法设计”电力系统专业本科课程设计论文
学生姓名：
可风
学号：
08230438
专业：
电力系统及其自动化
日期：
2011年6月
摘要
电力系统发生三相短路故障造成的危害性是最大的。
作为电力系统三大计算之一，分析与计算三相短路故障的参数更为重要。
本设计是通过两种不同的方法进行分析与计算三相短路故障的各参数，进一步提高短路故障分析与计算的精度和速度，为电力系统的规划设计、安全运行、设备选择、继电保护等提供重要依据。
基于Matlab最重要的组件之一Simulink中的电力元件库（SimPowerSystems）构建电力系统仿真模型，在Matlab的平台下仿真电力系统为工程设计和维修提供依据，同时也为电力研究带来大大的便利，利用Simulink中的画图工具搭建电力系统模型也是进行电力系统故障分析的常用方法，它让电力研究者从大量繁琐的理论分析及复杂的矩阵计算中解脱出来，让庞大的电力系统很直观的呈现在研究者的面前，从而将庞大的电力网搬进了计算机，为研究带来了巨大的便利。
关键词：
三相短路计算，Matlab，SimPowerSystems，仿真
目录
1.绪论
1.1电力系统三大计算
1.2电力系统短路故障概述
2.短路电流计算（解析法）
2.1参数数据
2.2电抗标幺值定义
2.3短路次暂态电流（功率）标幺值计算
2.4各元件电抗标幺值
2.5三相短路电流及短路功率
3.导纳矩阵形成与计算（Y矩阵法）
3.1导纳矩阵等值电路
3.2导纳计算公式
3.3变压器变比的定义
3.4导纳矩阵的形成
3.5三相短路电流及短路功率
4.计算机算法设计
4.1计算机编程语言
4.2程序流程
4.3程序清单及说明
4.4程序结果及分析
5.基于Matlab电力系统模型搭建与仿真
5.1Matlab简介
5.2总体设计
5.2.1设计内容概述
5.2.2设计方案简介
5.3详细设计
5.3.1电力元件设计
5.3.2电力系统模型的搭建
5.3.3电力系统模型三相短路仿真
6．结论
7．致谢
8．参考文献
9．附录
9.1系统等值电路图
9.2计算机算法设计流程图
9.3计算机算法设计程序清单
9.4Matlab电力系统模型仿真图
1.绪论
1.1电力系统三大计算
1.潮流计算
研究电力系统稳态运行情况的一种基本电气计算，常规潮流计算的任务是根据给定的运行条件和网路结构确定整个系统的运行状态，如各母线上的电压（幅值及相角）、网络中的功率分布以及功率损耗等。
潮流计算的结果是电力系统稳定计算和故障分析的基础。
2.短路故障计算
主要研究电力系统中发生故障（包括短路、断线和非正常操作）时，故障电流、电压及其在电力网中的分布。
短路电流计算是故障分析的的主要内容。
短路电流计算的目的，是确定短路故障的严重程度，选择电气设备参数。
整定继电保护，分析系统中负序及零序电流的分布，从而确定其对电气设备和系统的影响。
3.稳定性计算
给定运行条件下的电力系统，在受到扰动后，重新回复到运行平衡状态的能力。
系统中的多数变量可维持在一定的范围，使整个系统能稳定运行。
根据性质的不同，电力系统稳定性可分为功角稳定、电压稳定和频率稳定三类。
1.2电力系统短路故障概述
电力系统的短路故障是严重的，而又是发生几率最多的故障。
一般说来，最严重的短路是三相短路。
当发生短路时，其短路电流可达数万安以至十几万安，它们所产生的热效应和电动力效应将使电气设备遭受严重破环。
为此，当发生短路时，继电保护装置必须迅速切除故障线路，以避免故障部分继续遭受危害，并使非故障部分从不正常运行情况下解脱出来，这要求电气设备必须有足够的机械强度和热稳定度，开关电气设备必须具备足够的开断能力，即必须经得起“可能最大短路的侵扰”而不致损坏。
因此，电力系统短路电流计算是电力系统运行分析，设计计算的重要环节，许多电业设计单位和个人倾注极大精力从事这一工作的研究。
由于电力系统结构复杂，随着生产发展，技术进步系统日趋扩大和复杂化，短路电流计算工作量也随之增大，采用计算机辅助计算势在必行。
1.短路故障（横向故障）：
电力系统正常运行情况以外的相与相之间或相与地（或中性线）之间的连接。
短路类型：
4种。
1）单相接地短路（发生概率最大的短路类型）
2）两相短路
3）两相短路接地
4）三相短路（对称短路、最严重的短路类型）
2.短路原因及危害
原因：
客观（绝缘破坏：
架空线绝缘子表面放电，大风、冰雹、台风）、主观（误操作）。
危害：
短路电流大（热效应、电动效应）、故障点附件电压下降、功率不平衡失去稳定、不对称故障产生不平衡磁通影响通信线路。
3.解决措施：
继电保护快速隔离、自动重合闸、串联电抗器等。
2.短路电流计算（解析法）
2.1参数数据
设基准容量SB=100MV·A；基准电压UB=UavkV。
（1）SB的选取是为了计算元件参数标幺值计算方便，取SB-100MV·A，可任意设值但必须唯一值进行分析与计算。
（2）UB的选取是根据所设计的题目可知系统电压有110kV、6kV、10kV，而平均额定电压分别为115、6.3、10.5kV。
平均电压Uav与线路额定电压相差5%的原则，故取UB=Uav。
（3）为次暂态短路电流有效值，短路电流周期分量的时间t等于初值（零）时的有效值。
满足产生最大短路电流的三个条件下的最大次暂态短路电流作为计算依据。
（4）为冲击电流，即为短路电流的最大瞬时值（满足产生最大短路电流的三个条件及时间=0.01s）。
一般取冲击电流=××=2.55。
（5）为短路电流冲击系数，主要取决于电路衰减时间常数和短路故障的时刻。
其范围为1≤≤2，高压网络一般冲击系数=1.8。
2.2电抗标幺值定义
（1）发电机电抗标幺值
公式①
式中 ——发电机电抗百分数，由发电机铭牌参数的；
——已设定的基准容量（基值功率），；
——发电机的额定有功功率，MW
——发电机额定有功功率因数。
（2）负载电抗标幺值
公式②
式中U——元件所在网络的电压标幺值；
——负载容量标幺值；
——负载无功功率标幺值。
（3）变压器电抗标幺值
公式③
变压器中主要指电抗，因其电抗，即可忽略，由变压器电抗有名值推出变压器电抗标幺值为
公式④
式中%——变压器阻抗电压百分数；
——基准容量，MVA
、——变压器铭牌参数给定额定容量，MVA、额定电压，kV；
——基准电压取平均电压，kV。
（4）线路电抗标幺值
公式⑤
式中 ——线路单位长度电抗；
——线路长度，km；
——基准容量，MVA；
——输电线路额定平均电压，基准电压，kV。
输电线路的等值电路中有四个参数，一般电抗，故0。
由于不做特殊说明，故电导、电纳一般不计，故而只求电抗标幺值。
（5）电动机电抗标幺值（近似值）
cos公式⑥
式中——设定的基准容量，MVA；
——电动机额定的有功功率，MW；
cos——电动机额定有功功率因数。
2.3短路次暂态电流（功率）标幺值计算
（1）短路次暂态电流标幺值（）
（取）
（kA）公式⑦
基准容量；基准电压（kV）。
（2）冲击电流（）的计算
（kA）公式⑧
（3）短路容量的计算
（）公式⑨
2.4各元件电抗标幺值
1.电力系统等值电路如图2
2.各元件电抗标幺值的计算。
设基准容量；基准电压。
（1）发电机电抗标幺值由公式①得
;
（2）变压器电抗值标幺值由公式③得
；；
（3）线路电抗标幺值由公式④得
；；
（4）负载电抗标幺值由公式②得
（5）电动机电抗标幺值由公式⑥得
3.等值简化电路图。
（1）等值电路简化过程如图2和图3所示。
（2）考虑电动机的影响后，短路点的等值电抗为
2.5三相短路电流及短路功率
短路次暂态电流标幺值：
短路次暂态电流有名值：
冲击电流：
短路功率：
3.导纳矩阵形成与计算（Y矩阵法）
3.1导纳矩阵等值电路
导纳矩阵等值电路如图4所示，节点数为⑥，电抗标幺值参考图2。
3.2导纳计算公式
公式⑩
式中
3.3变压器变比的定义
式中
变压器变比标幺值
3.4导纳矩阵的形成
对地电纳
Y=
3.5三相短路电流及短路功率
短路点的电抗标幺值为
短路点次暂态短路电流为
短路点次暂态短路电流有名值为（kA）
短路点冲击电流为（kA）
短路点短路功率为（MVA）
两种算法的次暂态短路电流比较误差为ΔI=10.08-9.22=0.86（kA）
4.计算机算法设计
4.1计算机编程语言
C是一门通用语言，应用的面比较广，而MatLab是一门用于特殊用途的语言，提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。
Matlab的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学,工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多.在新的版本中也加入了对C,FORTRAN,C++,JAVA的支持.可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用。
Matlab是一个高度集成的系统，集科学计算、图象处理、声音处理于一体，具有极高的编程效率。
近年来，Matlab已经从最初的“矩阵实验室”，渗透到科学与工程计算的多个领域，在自动控制、信号处理、神经网络、模糊逻辑、小波分析等多个方向，都有着广泛的应用。
4.2程序流程
见附录。
4.3程序清单及说明
见附录。
4.4程序结果及分析
见附录。
5.基于Matlab电力系统模型搭建与仿真
5.1Matlab简介
MATL
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