04电力系统单相短路计算与仿真1.docx
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04电力系统单相短路计算与仿真1
辽宁工业大学
《电力系统分析》课程设计（论文）
题目：
电力系统单相短路计算与仿真
（1）
院（系）：
专业班级：
学号：
学生姓名：
指导教师：
教师职称：
起止时间：
15-07-06至15-07-17
课程设计（论文）任务及评语
G1T11L12T2G2
1:
kk:
1
L3L2
3
S3
院（系）：
教研室：
课程设计（论文）任务
原始资料：
系统如图
各元件参数如下（各序参数相同）：
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-11
T2:
SN=31.5MVA，Vs%=10.5，k=10.5/121kV,△Ps=180kW,△Po=30kW,Io%=0.8；YN/d-11
L1:
线路长90km，电阻0.15Ω/km，电抗0.41Ω/km，对地容纳2.8×10-6S/km；
L2:
线路长80km，电阻0.18Ω/km，电抗0.42Ω/km，对地容纳2.78×10-6S/km；；
L3:
线路长70km，电阻0.2Ω/km，电抗0.40Ω/km，对地容纳2.68×10-6S/km；；
负荷：
S3=45MVA，功率因数均为0.9.
任务要求（节点3发生A相金属性短路时）：
1计算各元件的参数；
2画出完整的系统等值电路图；
3忽略对地支路，计算短路点的A、B和C三相电压和电流；
4忽略对地支路，计算其它各个节点的A、B和C三相电压和支路电流；
5在系统正常运行方式下，对各种不同时刻A相接地短路进行Matlab仿真；
6将短路运行计算结果与各时刻短路的仿真结果进行分析比较，得出结论。
指导教师评语及成绩
平时考核：
设计质量：
答辩：
总成绩：
指导教师签字：
年月日
注：
成绩：
平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算
摘要
近年来，随着我国工业化的推进，国民经济也快速的发展着，与此同时电力系统的规模变得越来越庞大，电力系统在人民的日常生活和工作中担任的角色也越来越重要，因此，电力系统的稳定运行直接影响着人们的日常生活。
在电力系统的设计和运行中，必须考虑到可能发生的故障和不正常的运行情况，防止其破坏对用户的供电和电气设备的正常工作。
从电力系统的实际运行情况看，这些故障多数是由短路引起的，因此除了对电力系统的短路故障有一较深刻的认识外，还必须熟练掌握电力系统的短路计算。
这里着重介绍简单不对称故障两相短路接地的常用计算方法。
对称分量法是分析不对称故障常用方法，根据对称分量法，一组不对称的三相量可以分解为正序、负序和零序三相对称的三相量。
在应用对称分量法分析计算不对称故障时必须首先作出电力系统的各序网络，通过网络化简求出各序网络对短路点的输入电抗以及正序网络的等值电势，再根据不对称短路的不同类型，列出边界方程，以求得短路点电压和电流的各序分量。
关键词：
短路故障；短路计算；对称分量法；MATLAB仿真
目录
第1章绪论1
1.1电力系统短路计算概述1
1.2本文设计内容1
第2章电力系统不对称短路计算原理3
2.1对称分量法基本原理3
2.2三相序阻抗及等值网络4
2.3单相不对称短路的计算步骤7
第3章电力系统单相短路计算8
3.1系统等值电路及元件参数计算8
3.2系统等值电路及其化简9
3.3单相短路计算10
第4章短路计算的仿真14
4.1仿真模型的建立14
4.2仿真结果及分析15
第5章总结18
参考文献17
第1章绪论
电力系统短路计算概述
电力系统在运行过程中常常会受到各种扰动,其中对电力系统运行影响较大的是系统中发生的各种故障.常见的故障有短路,断线和各种复杂故障.因此,故障分析重点是对短路故障的分析。
电力系统在正常运行时,除中性点以外,相与相,相与地之间是绝缘的,所谓短路是指相与相或相与地之间发生短接。
短路的原因 类型及后果,所谓短路,是指一切不正常的相与相之间或相与地之间发生通路的情况。
在电力系统和电气设备的设计和运行中, 短路计算是解决一系列技术问题所不可缺少的基本计算,这些问题主要是:
1）选择有足够机械稳定度和热稳定度的电气设备,例如断路器、互感器、瓷瓶、母线、电缆等，必须以短路计算作为依据。
2）在设计和选择发电厂和电力系统电气主接线时，为了比较各种不同方案的接线图，确定是否需要采取限制短路电流的措施等，都要进行必要的短路电流计算。
3）进行电力系统暂态稳定计算，研究短路对用户工作的影响等，也包含有一部分短路计算的内容。
4）为了合理地配置各种继电保护和自动装置并正确整定其参数，必须对电力网中发生的各种短路进行计算和分析。
在这些计算中不但要知道故障支路中的电流值，还必须知道电流在网络中的分布情况。
有时还要知道系统中某些节点的电压值。
此外，确定输电线路对通讯的干扰，对已发生故障进行分析，都必须进行短路计算。
本文设计内容
学习两相短路故障的常用计算方法。
对称分量法是分析故障常用方法，根据对称分量法，一组不对称的三相量可以分解为正序、负序和零序三相对称的三相量。
在应用对称分量法分析计算不对称故障时必须首先作出电力系统的各序网络，通过网络化简求出各序网络对短路点的输入电抗以及正序网络的等值电势，再根据不对称短路的不同类型，列出边界方程，以求得短路点电压和电流的各序分量。
通过对系统的两相短路故障的计算，认识短路故障对电力系统的影响。
为保证系统安全可靠地运行，减轻短路造成的影响，除在运行维护中应努力设法消除可能引起短路的一切原因外，还应尽快地切除短路故障部分，使系统电压在较短的时间内恢复到正常值。
根据所给电路图以及所有元器件有关参数按照设计要求设计：
1）各元件的参数；
2）画出完整的系统等值电路图；
3）忽略对地支路，计算短路点的A、B和C三相电压和电流；
4）忽略对地支路，计算其它各个节点的A、B和C三相电压和支路电流；
5）在系统正常运行方式下，对各种不同时刻A相接地短路进行MATLAB仿真；
6）将短路运行计算结果与各时刻短路的仿真结果进行分析比较，得出结论。
第2章
电力系统不对称短路计算原理
对称分量法基本原理
所谓对称分量法，即将三个相量分解为对称的分量组，用于分析三相电路不对称运行状态的一种方法。
对称分量法是电工中分析对称系统不对称运行状态的一种基本方法。
广泛应用于三相交流系统参数对称、运行工况不对称的电气量计算。
电力系统正常运行时可认为是对称的，即各元件三相阻抗相同，各自三相电压、电流大小相等，具有正常相序。
电力系统正常运行方式的破坏主要与不对称故障或者断路器的不对称操作有关。
由于整个电力系统中只有个别点是三相阻抗不相等，所以一般不使用直接求解复杂的三相不对称电路的方法，而采用更简单的对称分量法进行分析。
电工中分析对称系统不对称运行状态的一种基本方法。
电力系统中的发电机、变压器、电抗器、电动机等都是三相对称元件，经过充分换位的输电线基本上也是三相对称的。
对于这种三相对称系统的分析计算可以方便地用单相电路的方法求解。
在三相电路中，对于任意一组不对称的三相量（电流或电压），可以分解为三相三组对称的相量，当选择a相作为基准时，三相相量与其对称分量之间的关系（如电流）为：
运算整理得：
根据上式可以作出三相量的三组对称分量：
图2.1三组对称分量图
我们看到，正序分量的相序与正常对称运行下的相序相同，而负序分量的相序则与正序相反，零序分量则三相同相位。
三相序阻抗及等值网络
对于理想的电力系统，由于三相对称，因此负序和零序分量的数值都为零（这就是我们常说正常状态下只有正序分量的原因）。
当系统出现故障时，三相变得不对称了，这时就能分解出有幅值的负序和零序分量度了（有时只有其中的一种），因此通过检测这两个不应正常出现的分量，就可以知到系统出了毛病（特别是单相接地时的零序分量）。
下面再介绍用作图法简单得出各分量幅值与相角的方法，先决条件是已知三相的电压或电流（矢量值），当然实际工程上是直接测各分量的。
下面介绍一下各个分量的求法：
1）求零序分量：
把三个向量相加求和。
即A相不动，B相的原点平移到A相的顶端（箭头处），注意B相只是平移，不能转动。
同方法把C相的平移到B相的顶端。
此时作A相原点到C相顶端的向量（些时是箭头对箭头），这个向量就是三相向量之和。
最后取此向量幅值的三分一，这就是零序分量的幅值，方向与此向量是一样的。
2）求正序分量：
对原来三相向量图先作下面的处理：
A相的不动，B相逆时针转120度，C相顺时针转120度，因此得到新的向量图。
按上述方法把此向量图三相相加及取三分一，这就得到正序的A相，用A相向量的幅值按相差120度的方法分别画出B、C两相。
这就得出了正序分量。
3）求负序分量：
注意原向量图的处理方法与求正序时不一样。
A相的不动，B相顺时针转120度，C相逆时针转120度，因此得到新的向量图。
下面的方法就与正序时一样了。
通过上述方法大家可以分析出各种系统故障的大概情况，如为何出现单相接地时零序保护会动作。
图2.1正序网络图
图2.2负序网络图
短路故障的计算与分析,主要是短路电流的大小及其变化规律不仅与短路故障的类型有关,而且与电源特性,网络元件的电磁参数有关。
不对称短路时故障处的短路电流和电压网络的故障处。
图3.3零序网络图
单相不对称短路的计算步骤
确定计算条件，画出计算电路图
1.计算条件：
系统运行方式，短路地点、短路类型和短路后采取的措施。
2.运行方式：
系统中投入的发电、输电、变电、用电设备的多少以及它们之间的连接情况。
3.画等值电路，计算参数。
4.网络化简，分别求出短路点至各等值电源点之间的总电抗，分别画出各段路点对应的等值电路。
第3章电力系统单相短路计算
系统等值电路及元件参数计算
对变压器T1、T2的各个参数计算：
同理可求得:
Rt2=0.02,Xt2=0.37,Gt2=2.7
Bt2=2.28
Kt2=1
对其余原件的参数计算：
取基准容量SB=100MVA，第一段基准电压10.5KV，第二段基准电压115KV，第三段基准电压10.5KV。
E1=1,E2=1
同理可求得:
Xg2*=0.79,Xt2*=0.37,Xl2*=0.1,Xl3*=0.1,
对线路节点的对地容纳的计算：
同理可求得：
B2/2=0.02,B3/2=0.03。
系统等值电路及其化简
为使电路简化，需要将线路的三角形连接转化为星形连接：
同理可求得：
Zb=j0.04,Zc=j0.04
对于正序图：
图3.1正序网络等值电路
对于负序图：
图3.2负序网络等值电路
对于零序图：
图3.3零序网络等值电路
单相短路计算
电压和电流的各序分量，也可以直接应用复合序网来求得。
根据故障处各序分量之间的关系，将各序网络在故障端口联接起来构成的网络称为复合序网。
用复合序网进行计算，可以得到同样结果。
图3.4单相接地短路
单相接地短路时，故障处的三个边界条件为：
用对称分量表示为：
经过整理后便得到用序量表示的边界条件为：
图3.5单相短路的复合网序
短路点电流和电压的各序分量为：
短路点的故障电流为：
代入数据得：
第4章短路计算的仿真
仿真模型的建立
用MATLAB建立仿真模型：
图4.1MATLAB仿真模型图
仿真结果及分析
图4.2A相接地电压随时间变化的波形图
图4.3A相接地电流随时间变化的波形图
根据MATLAB建立的模型，调整各个元件的参数，A相发生接地短路时故障点A相电压降为零，由于系统为不接地系统，即Xff无穷大，由公式可知，单项短路电流减为零，非故障相即BC两项电压上升为线电压，其夹角为60。
故障切除后各相电压水平较原来升高，这是中性点电位升高导致的。
输电线路发生A相接地短路时，B相、C相电流没有变化，始终为0。
在正常状态时，三相短路故障发生器处于断开状态，A相电流为0。
在0.01s时，三相短路故障发生器闭合，此时A相接地短路，其短路电流形发生了剧烈的变化，但大体上仍呈现正弦规律变化。
在0.04s时，三相短路故障发生器打开，故障排除，此时故障点A相电流迅速变为0。
图4.4A相接地各项电流随时间变化的波形图
第5章总结
本次课设通过对电力系统单相接地短路计算的分析和设计，介绍了有关电力系统和电气设备的设计，并介绍了故障计算的基本知识、分类、原因和故障分析的目的，其中，对给定的系统进行单相接地短路不对称故障的分析中，运用对称分量法计算短路点电流电压，在A相发生接地短路时，利用对称分量法将不对称系统分解为正序，负序和零序对称的三向量，利用星角变化的方法化简等值电路，并分别对正序，负序和零序网络图进行等效化简，计算出各节点的电压和电流，以及各个支路的电压电流。
首先，电力系统中存在很多不稳定的因素，可能导致电力系统故障，从而影响人们的正常生活甚至造成经济或人身的重大伤害。
而在这些故障里最容易发生的就是短路故障。
其次，应用对称分量法分析不对称故障时，首先必须做出电力系统各序网络。
为此应根据电力系统的接线图、中性点接地情况等原始资料，在故障点分别施加各序电动势，从故障点开始，逐步查明个序电流流通情况。
最后，通过MATLAB仿真计算结果得出结论，通过比较解决了短路方法的计算。
参考文献
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