电力系统分析课程设计报告完整版.docx
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电力系统分析课程设计报告完整版
课程设计报告书
题目：
电力系统分析课程设计
院（系）电气工程学院
专业电气工程及其自动化
学生姓名
学生学号
指导教师
课程名称电力系统课程设计
课程学分1
起始日期2020.1.2—2020.1.6
教
师
评
语
教师签名：
日期：
成
绩
评
定
备
注
电
力
系
统
分
析
课
程
设
计
任
务
书
1、设计目的和要求
1、设计目的
通过课程设计，使学生加强对电力体统分析课程的了解，学会查寻资料、以及分析计算等环节，进一步提高分析解决实际问题的能力。
2、设计要求
（1）培养学生认真执行国家法规、标准和规范及使用技术资料解决实际问题的能力；
（2）培养学生理论联系实际，努力思考问题的能力；
（3）进一步理解所学知识，使其巩固和深化，拓宽知识视野，提高学生的综合能力；
（4）懂得电力系统分析设计的基本方法，为毕业设计和步入社会奠定良好的基础。
二、设计课题和内容
各元件参数标幺值如下（各元件及电源的各序阻抗均相同）：
T1：
电阻0，电抗0.2，k=1.1，标准变比侧YN接线，非标准变比侧Δ接线；
T2：
电阻0，电抗0.15，k=1.05，标准变比侧YN接线，非标准变比侧Δ接线；
L24:
电阻0.03，电抗0.08，对地容纳0.04；
L23:
电阻0.023，电抗0.068，对地容纳0.03；
L34:
电阻0.02，电抗0.06，对地容纳0.032；
G1和G2：
电阻0，电抗0.15，电压1.1；负荷功率：
S1=0.5+j0.2；
任务要求：
当节点2发生B、C两相金属性接地短路时，
1计算短路点的A、B和C三相电压和电流；
2计算其它各个节点的A、B和C三相电压和电流；
3计算各条支路的电压和电流。
三、设计工作要求
1、理解设计任务书，原始设计资料。
3、掌握以下设计内容及方法：
电力系统组成、标幺制的原理、短路类型、短路原因、短路危害与短路计算的目的；同步发电机暂态过程、系统元件各序（正、负和零）参数计算、对称分量法原理、电力系统各序网络、不对称故障边界条件确定以及正序等效定理。
最后撰写设计报告，绘图工程图，考核。
4、认真独立完成课程设计，若有抄袭他人设计课程设计或找他人代画设计图纸、代做等行为的弄虚作假者一律按不及格记成绩，并依据学校有关规定进行处理。
5、在设计周内完成所规定的设计任务，提交《课程设计报告书》一份。
四、成绩评定
1、考核办法：
提交课程设计报告；回答教师所提出的问题；考勤情况。
2、成绩构成：
平时考核20%，口试考核占40%，设计报告书占40%。
3、成绩评定：
成绩评定采取五级记分制，分为优、良、中、及格和不及格。
由指导教师根据学生在设计中的综合情况和评分标准确定成绩。
4、评分标准
（1）优秀：
遵守纪律，设计报告详实、内容认真，报告内容条理清晰，认识深刻、具体；
（2）良好：
遵守纪律，设计报告完整，内容完整无缺，报告充实，分析较具体；
（3）中等：
遵守纪律，设计报告较完整，内容比较详细，分析较具体；
（4）及格：
遵守纪律，设计报告完整，内容简单，分析粗浅；
（5）不及格：
不遵守纪律，设计报告不完整，内容简单，分析粗浅。
五、参考文献
1、何仰赞、温增银.电力系统分析.武汉：
华中科技大学出版社，2002.3
2、刘宗岐、郭家骥.电力系统分析学习指导.北京：
中国电力出版社，2005
3、熊信银、张步涵.电气工程基础.武汉：
华中科技大学出版社，2005.9
4、[美]H.WayneBeaty主编.电力计算手册.北京：
中国电力出版社，2007。
5、短路电流实用计算方法.西安交通大学等编著北京：
电力工业出版社1982
6、杨淑英等.电力系统分析复习指导与习题精解.北京:
中国电力出版社,2002
7、刘天琪等.电力系统分析理论.北京:
科学出版社,2011
8、陈衍.电力系统稳态分析.北京:
中国电力出版社,2015
9、李光琦.电力系统暂态分析.北京:
中国电力出版社,2007
电
力
系
统
分
析
课
程
设
计
报
告
书
摘要.............................................................9
1、绪论........................................................10
1、电力系统组成以及各种运行方式................................10
2、研究内容....................................................12
2、电力系统短路概述...................................12
1、短路的类型..................................................12
2、短路的原因..................................................13
3、短路的危害..................................................13
3、对称分量法在电力系统中应用.........................13
1、对称分量法....................................................13
2、对称分量法在不对称故障中应用..................................15
4、电力系统元件数据模型...............................16
1、同步发电机....................................................16
2、异步电机一综合负荷............................................18
3、变压器........................................................18
4、输电线路......................................................19
5、电力系统不对称短路分析.............................17
1、单相接地短路..................................................17
2、两相短路......................................................20
3、两相短路接地..................................................20
4、正序等效定则..................................................21
6、两相接地短路实例...................................21
1、两相接地短路各序网络的制定....................................22
2、其他接地电压电流的计算........................................27
七、总结...............................................27
八、参考文献......................................28
摘要
从电气革命到当代，电力系统的规模和发展水平成为一个国家经济发展水平的标志之一。
至今人类文明的主流发展方向依然与电力有着不可分割的联系。
。
电能是现代社会中最重要、最方便的能源。
电能具有许多优点，它可以方便地转化为别的形式的能，例如机械能、热能、光能和化学能等。
电力系统的出现使高效、无污染、使用方便易于调控的电能得到广泛应用，推动了社会生产各个领域的变化，开创了电力时代，开启了第二次科技革命。
电力系统的故障可分为简单故障和复杂故障，简单故障一般是指某一时刻只在电力系统的一个地方发生的故障；复杂故障一般是指某一时刻在电力系统两个及两个以上的地方同时发生故障。
电力系统的故障通常有短路故障和断线故障。
一般情况下，短路故障比断线故障发生的几率大，也比断线故障严重。
作为电力系统分析和计算的基础，电力系统元件参数及其数学模型是至关重要的。
电力系统不对称故障包括单相接地短路、两相短路、两相短路接地、单相断开和两相断开等。
系统中发生不对称故障时，三相电流和电压将不再对称，除了基频分量外，还会感应产生非周期分量以及一系列的谐波分量。
要准确分析不对称故障的暂态过程是相当复杂的。
电力系统分析和计算的一般过程是：
首先将待求物理系统进行分析简化，抽象出等效电路，然后确定其数学模型，也就是说把待求物理问题变成数学问题，最后用各种数学方法进行求解，并对结果进行分析。
由此来看数学模型在电力系统分析和计算中非常重要的。
1、绪论
1、电力系统组成以及各种运行方式
（1）、电力系统组成
电力系统是由发电厂、输电网、配电网和电力用户组成的整体，是将一次能源转换成电能并输送和分配到用户的一个统一系统。
输电网和配电网统称为电网，是电力系统的重要组成部分。
发电厂将一次能源转换成电能，经过电网将电能输送和分配到电力用户的用电设备，从而完成电能从生产到使用的整个过程。
电力系统还包括保证其安全可靠运行的继电保护装置、安全自动装置、调度自动化系统和电力通信等相应的辅助系统。
（2）、三相电力系统中性点的各种运行方式
1）、中性点不接地方式
图1-1中性点不接地方式
中性点不接地系统发生单相接地故障的原理示意图如图1-1。
假设C相接地，则C相自然就成了地电位。
此时中性点对地电压位移为V’N=-VC,如图1-1（b）所示。
由此可见，此时A相对地电压向量为V’A=VA+VN,其大小为1.73VA，相当于线电压；同理，B相对地电压也升高为V’B=1.73VB。
即发生C相接地时，中性点对地电压升高为相电压，而非故障相对地电压升高为线电压，但三相之间的电压不变。
同理，分析可得单相接地时接地点的电容电流是正常运行时一相对地电容电流的3倍。
2）、中性点经消弧线圈接地系统
图1-2中性点经消弧线圈接地系统
在中性点不接地的电力系统中，发生单相接地短路时，如果接地电流比较大并且发生断续电弧，将引起线路的电压谐波。
电力系统中规定，当10KV电网接地电流大于30A、35KV电网接地电流大于10A时，中性点宜用经消弧线圈接地。
图1-2是中性点经消弧线圈接地的电力系统发生单相接地时的电路图和向量图。
消弧线圈实际上就是带气隙铁心的线性电感线圈，其电阻很小，感抗很大。
在中性点经消弧线圈接地的三相系统与中性点不接地的系统一样，在发生单相接地时，非接地相的对地电压要升高根号三倍，即成为线电压，此时应发预告信号，并允许继续运行两小时。
在此期间值班人员应采取措施寻找接地点。
3）中性点直接接地方式
图1-3中性点直接接地方式
中性点直接接地方式如图1-3所示，在发生单相接地短路时，因可形成电源的短路回路，继电保护、熔断器或自动开关将立即动作切除故障，使系统的其他部分恢复正常运行。
这是直接接地方式的优点之一，即快速切除故障，安全性好。
中性点直接接地方式的缺点之一是系统供电可靠性较差。
因为单相接地是四种短路故障中发生几率最高的故障，而此接地方式下系统发生单相接地故障就会在继电保护作用下使故障线路的断路器跳闸，因此容易发生供电中断，降低了供电可靠性。
中性点直接接地的另一缺点是一相短路电流太大，通常用调整全网的中性点接地点使一相接地短路电流不超过三相短路电流。
2、研究内容
由原始资料及各元件参数标幺值求发生两相金属性接地短路时求
1）计算短路点的A、B和C三相电压和电流；
2）计算其它各个节点的A、B和C三相电压和电流；
3）计算各条支路的电压和电流。
二．电力系统短路概述
1、短路的类型
电力系统简单短路故障共有四种类型：
三相短路、两相短路、两相短路接地和单相接地短路。
其中三相短路又称为对称短路，其他三种类型的短路都称为不对称短路。
电力系统的运行经验表明，单相接地短路发生的几率最大，约占70%左右；两相短路较少；三相短路发生的几率最少。
三相短路发生的几率虽然少，但后果较严重，所以要给以足够的重视，况且，从短路计算的方法来看，一切不对称短路的计算，在采用对称分量法后，都归结为对称短路的计算。
因此，对三相短路的研究具有重要的意义。
2、短路的原因
发生短路的原因很多，既有主观原因也有客观原因，但其根本的原因还是电气设备载流部分相与相之间或相与地之间的绝缘受到损坏。
主要有以下几个方面：
（1）、绝缘材料的自然老化，设计、安装及维护不良所带来的设备缺陷发展成短路。
（2）、雷击造成的闪络放电或避雷器动作，架空线路由于大风或导线覆冰引起电杆倒塌。
（3）、人为误操作，如运行人员带负荷拉刀闸，线路或设备检修后未拆除地线就加上电压引起短路。
（4）、挖沟损伤电缆，鸟兽跨接在裸露的载流部分等。
3、短路的危害
短路故障对电力系统的正常运行和电气设备有很大的危害。
短路的类型、发生的地点和持续的时间不同，其后果也不相同。
可能只破坏局部地区的正常供电，也可能威胁整个系统的安全运行。
短路的危险后果一般有以下几个方面：
（1）、发生短路时，由于电源供电回路的总阻抗突然减小以及由此产生暂态过程，使短路电流急剧增加，可能超过额定值的许多倍。
短路点距发电机的电气距离越近，短路电流越大。
短路电流流过电气设备时，使发热增加，若短路持续时间较长，可能使设备过热甚至损坏。
由于短路电流的电动力效应，导体间还将产生很大的机械应力，致使导体变形甚至损坏。
（2）、短路会引起系统电压大幅度下降，对用户影响很大。
系统中最主要的电力负荷是异步电动机，它的电磁转矩同端电压的平方成正比，电压下降时，电动机的电磁转矩逐渐减小，转速随之下降。
当电压大幅下降时，电动机甚至可能停转，造成产品报废，设备损坏等严重后果。
（3）、当短路发生地点离电源不远而持续时间又较长时，并列运行的发电机可能失去同步，破坏系统运行的稳定性，造成大面积停电，这是短路最严重的后果。
（4）、发生不对称短路时，线路的三相不平衡电流所产生的总磁通会在相邻的通讯线路上感应出很大的电动势，干扰通讯系统的正常运行。
3、对称分量法在电力系统中应用
1、对称分量法
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。
对称分量法（methodofsymmetricalcomponents）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。
对称分量法是指在三相电路中，任意一组不对称的三相相量Fa,Fb,Fc，可以分解为三组三相对称的分量，如图3-1所示。
这三组对称分量分别为：
①正序分量（Fa1，Fb1，Fc1）:
三相量大小相等，相位相差120度，且与系统正常对称运行时的相序相同。
②负序分量（Fa2，Fb2，Fc2）:
三相量大小相等，相位相差120度，且与系统正常对称运行时的相序相反。
③零序分量（Fa0，Fb0，Fc0）:
三相量大小相等，相位一致。
图3-1对称分量法示意图
各组序分量的三相量之间的关系可表示为：
Fb1=a2Fa1，Fc1=aFa1（3-1）
Fb2=aFa2，Fc2=a2Fa2（3-2）
Fb0=Fc0=Fa0（3-3）
将各相相应的正、负、零序分量合成可得三个不对称分量Fa、Fb、Fc，可表示为:
Fa=Fa1+Fa2+Fa0（3-4）
Fb=Fb1+Fb2+Fb0=a2Fa1+aFa2+Fa0（3-5）
Fc=Fc1+Fc2+Fc0=aFa1+a2Fa2+Fa0（3-6）
在三相参数对称的线性电路中，各序对称分量具有独立性。
也就是说，当电路通以某序许对称分量的电流时，只产生同一序对称分量的电压降。
反之，当电路施加某序对称分量电压时，电路中也只产生同一序的对称分量电流。
元件的序阻抗，是指元件三相参数对称时，元件两端某一序的电压降与通过该元件同一序电流的比值，即：
Z1=△Va1/Ia1（3-7）
Z2=△Va2/Ia2（3-8）
Z0=△Va3/Ia3（3-9）
Z1、Z2和Z0分别称为该元件的正序阻抗、负序阻抗和零序阻抗。
2、对称分量法在不对称故障中应用
现以图3-2所示简单电力系统为例，求说明应用对称分量法计算不对称短路的一般原理。
一台发电机接于空载输电线路，发电机中性点经阻抗ZN接地。
在线路某处发生单相短路，是故障点出现了不对称的情况。
a相对地阻抗为0，a相对地电压为0，而b、c两相的电压VB不等于0，VC不等于0，图5-（a）.此时，故障的以外的系统其余部分的参数仍然是对称的。
因此，在计算不对称短路时，应设法把故障点的不对称转化为对称，使被短路破坏了对称性的三相电路转化为对称电路，然后就可以用单相电路进行计算。
现在原短路点人为地接入一组三相不对称的电势源，电势源的各相电势与上述各相不对称电压大小相等方向相反，图3-2（b），这种情况与发生不对称故障时等效的，也就是说，网络中发生的不对称故障，可以用在故障点接入一组不对称的电势源来代替。
应用对称分量法将这组不对称电势源分解成正序、负序和零序三组对称分量，如图3-2（c）。
根据叠加原理，图3-2（c）所示的状态，可以当作是（d）、（e）、（f）三个图所示状态的叠加。
图3-2（d）的电路称为正序网络，其中只有正序电势在作用，网络中只有正序电流，各元件呈现的阻抗就是正序阻抗。
图3-2（e）以及（f）的电路分别称为负序网络和零序网络。
因为发电机只产生正序电势，所以，在负序和零序网络中，只有故障点的负序和零序分量电势在作用，网络中也只有同一序的电流，元件也呈现同一序的阻抗。
在正序网络中，当以a相为基准相时，有：
Ea-Ia1（ZG1+ZL1）-（Ia1+a2Ia1+aIa1）Zn=Va1（3-10）
由于Ia2+Ib2+Ic2=Ia2+aIa2+a2Ia2=0,而且发电机的负序电势为零，因此，负序网络的电压方程为：
0-Ia2（ZG2+ZL2）=Va2（3-11）
对于零序网络，由于Ia0+Ib0+Ic0=3Ia0，在中性点接地阻抗中将流过3倍的零序电流，产生电压降。
计及发电机的零序电视为零，零序网络的电压方程为：
0-Ia0（ZG0+ZL0）-3Ia0Zn=Va0（3-12）
根据以上所得的各序电压方程式，可以绘出各序的一相等值网络，如图3-2。
图3-2各序等值网络
计算不对称故障的基本原则就是，把故障处的三相阻抗不对称表示为电压和电流相量的不对称，使系统其余部分保持为三相阻抗对称的系统。
这样借助于对称分量法，并利用三相阻抗对称电路中各序分量具有独立性的特点，将各序分量分开，分别制定各序等值电路，就可以使分析计算得到简化。
四、电力系统元件数据模型
1、同步发电机
作发电机运行的同步电机。
是一种最常用的交流发电机。
在现代电力工业中，它广泛用于水力发电、火力发电、核能发电以及柴油机发电。
由于同步发电机一般采用直流励磁，当其单机独立运行时，通过调节励磁电流，能方便地调节发电机的电压。
若并入电网运行，因电压由电网决定，不能改变，此时调节励磁电流的结果是调节了电机的功率因数和无功功率。
同步发电机的定子、转子结构与同步电机相同，一般采用三相形式，只在某些小型同步发电机中电枢绕组采用单相。
图4-1各序等值网络
2、异步电机一综合负荷
异步电动机，又称感应电动机，是1885年由意大利物理学家和电气工程师费拉里斯发明。
它是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电机。
3、变压器
在电力系统分析计算中，双绕组变压器的近似等值电路如图7所示。
与电机学不同，该等值电路常将励磁支路前移到电源侧，且将变压器二次侧绕组的阻抗折算到一次侧与一次绕组的阻抗合并，用等值阻抗RT+JXT来表示。
图4-2.变压器的等值电路
4、输电线路
输电线路分为架空输电线路和电缆线路。
架空输电线路由线路杆塔、导线、绝缘子、线路金具、拉线、杆塔基础、接地装置等构成，架设在地面之上。
按照输送电流的性质，输电分为交流输电和直流输电。
输电线路在综合考虑技术、经济等各项因素后所确定的最大输送功率，称为该线路的输送容量。
输电线路的保护有主保护与后备保护之分。
五、电力系统不对称短路分析
1、单相接地短路
相线俗称火线，三相就是三个火线，他们电压相等，频率相当，但是相位不同。
单相接地就是没有零线用大地代替零线。
相间短路就是火线与火线之间短路，相当危险，瞬时电流很大。
相指的是交流电势的相位角度，三相指的是三个相位角度不同的交流电势。
单相接地是指三相交流供电系统中一根相线与大地成等电位状态了，也就是该相线的电位与大地的电位相等，都是“零”。
相间短路是指三相交流供电系统中两根相线之间的绝缘被破坏，从而发生电接触的现象，此时会有很大的短路电流，属于严重的 电力事故。
图5-1单相接地短路示意图
2、两相短路
两相短路的情况如图5-2，故障处的三个边界条件为:
Ia=0（5-1）
Ib+Ic=0（5-2）
Vb=Vc（5-3）
用对称分量法表示后经整理可得：
Iao=0（5-4）
Ial+Ia2=0（5-5）
Val=Va2（5-6）
图5-2两相短路示意图
3、两相短路接地
b、c两相短路接地的情况如图5-3所示，故障处的三个边界条件为：
Ia=0（5-7）
Vb=0（5-8）
Vc=0（5-9）
图5-3两相短路接地示意图
两相短路接地时故障相电流的绝对值为：
Ib=Ic=（30.5）{[1-（X2∑X0∑）/（X2∑+X0∑）2]0.5}Ia1（5-10）
短路点非故障相电压为：
Va=3Va1=j（3X2∑X0∑/（X2∑+X0∑））Ia1（5-11）
4、正序等效定则
所谓正序等效定则，是指在简单不对称短路的情况下，短路点电流的正序分量与在短路点各相中接入附加电抗而发生三相短路时的电流相等。
这就是不对称短路的正序等效定则。
表5-4简单短路时的X∆ⁿ和mⁿ
六、两相接地短路实例计算
原始资料：
系统如图
各元件参数标幺值如下（各元件及电源的各序阻抗均相同）：
T1：
电阻0，电抗0.2，k=1.1，标准变比侧YN接线，非标准变比侧Δ接线；
T2：
电阻0，电抗0.15，k=1.05，标准变比侧YN接线，非标准变比侧Δ接线；
L24:
电阻0.03，电抗0.08，对地容纳0.04；
L23:
电阻0.023，电抗0.068，对地容纳0.03；
L34:
电阻0.02，电抗0.06，对地容纳0.032；
G1和G2：
电阻0，电抗0.15，电压1.1；负荷功率：
S1=0.5+j0.2；
任务要求：
当节点2发生B、C两相金属性接地短路时：
1）计算短路点的A、B和C三相电压和电流；
2）计算其它各个节点的A、B和C三相电压和电流；
3）计算各条支路的电压和电流。
1、两相短路接地各序网络的制定
应用对称分量法分析计算不对称故障时，首先必须作出电力系统的各序网络。
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势，从故障点开始，逐步查
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