电力系统对称短路计算与仿真3教材

1、辽宁工业大学电力系统计算课程设计（论文）题目： 电力系统对称短路计算与仿真（ 3）院（系）：电气工程学院专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称：起止时间：13-07-01至 13-07-12本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：电气工程及其自动化原始资料：系统如图，各元件参数如下：课程设计（论文）任务G1：无限大系统， VN=119kV； G3（额定运行） ：SN=30MVA，VN=10.5kV ，X=0.25 ； T: S N=31.5MVA， Vs%=10.5， k=10.5/121kV, Ps=220kW, Po=40kW,Io%

2、=0.8； -6L12: 线路长 65km，电阻 0.22 /km，电抗 0.41 /km，对地容纳 2.80 10-6 S/km； -6L14: 线路长 85km，电阻 0.18 /km，电抗 0.38 /km，对地容纳 2.88 10-6 S/km；-6L24: 线路长 75km，电阻 0.21 /km，电抗 0.42 /km，对地容纳 2.98 10-6S/km； -6L45: 线路长 20km，电阻 0.22 /km，电抗 0.40 /km，对地容纳 2.78 10-6S/km； 负荷： S2=25MVA，：S4=20MVA，功率因数均为 0.9.任务要求1 计算各元件的参数；2 画出

3、完整的系统等值电路图；3 计算短路点和其它各个节点的电压和支路电流；4 忽略对地支路，计算短路点和其它各个节点的电压和支路电流；5 在系统正常运行方式下，对各种不同时刻三相短路进行 Matlab 仿真；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：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。年月日注：成绩：平时 20% 论文质量 60% 答辩 20% 以百分制计算本科生课程设计（论文）摘要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。 短路是电力系统的严重故障。 在三相系统中， 可

4、能发生的短路有：三相短路、两相短路、两相短路接地和单相接地短路。三相 短路也称为对称短路，本文即对对称短路进行计算与彷真。通过计算各元件的参 数，画出完整的系统等值电路图， 计算短路点和其它各个节点的电压和支路电流。 忽略对地支路，计算短路点和其它各个节点的电压和支路电流，对各种不同时刻 三相短路进行 Matlab 仿真，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，得出了短路电流的值。关键词： 三相系统；对称短路； Matlab 仿真II本科生课程设计（论文）目录第 1 章 绪论 11.1 电力系统短路计算概述 11.2 本文设计内容 1第 2 章 电力系统对称短路计算原理 22.

5、1 对称短路计算的基本假设 22.2 系统元件及等值网络 22.3 对称短路的计算方法及步骤 3第 3 章 电力系统三相短路计算 53.1 系统等值电路及元件参数计算 53.2 系统等值电路及其化简 63.3 对称短路计算 8第 4 章 短路计算的仿真 104.1 仿真模型的建立 104.2 仿真结果及分析 10第 5 章 总结 13参考文献 14III本科生课程设计（论文）第1章 绪论1.1 电力系统短路计算概述三相短路也称为对称短路，系统各项与正常运行时一样仍处于对称状态。短 路计算的目的就是选择有足够机械稳定度和热稳定度的电气设备，合理的配置各 种继电保护和自动装置并正确整定其参数。短路

6、的危险后果一般有以下几个方面：1短路故障使短路点附近的支路中出现比正常值大许多倍的电流， 由于短路 电流的电动力效应，导体间讲产生很大的机械应力，可能使导体和他们的支架遭 到破坏。2短路电流使设备发热增加， 短路持续时间较长时， 设备可能过热以致损坏。3短路时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，他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 磁转矩显著减小，转速随之下降。当电压大幅度下降时，电动机甚至可能停转， 造成产品报废，设备损坏等严重后果。4当短路发生地点离电源不远二持续时间又较长时， 并列运行的发电厂可能 失去同步，破坏系统稳定，造成

7、大片地区停电。这是短路故障的最严重后果。5发生不对称短路时， 不平衡电流能产生足够的磁通在邻近的电路内感应出 很大的电动势，这对于架设在高压电力线路附近的通讯线路或铁道讯号系统等会 产生严重的影响。1.2 本文设计内容本课程设计研究的是三相对称短路，主要包括以下内容：1 计算各元件的参数；2 画出完整的系统等值电路图；3 计算短路点和其它各个节点的电压和支路电流；4 忽略对地支路，计算短路点和其它各个节点的电压和支路电流；5 在系统正常运行方式下，对各种不同时刻三相短路进行 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。本科生课程设计（论文）第2章 电

8、力系统对称短路计算原理2.1 对称短路计算的基本假设电力系统三相短路主要是短路电流周期分量的计算，工程中着重实用，电力系统三相短路电流计算可采用实用的计算方法，采用一定的简化和假设。1不计发电机、变压器、输电线路的电阻。2不计线路电容， 略去变压器的励磁电流 （三相三柱式变压器的零序等值电 路除外）。3负荷当作恒定电抗，或某种附加电源，近似估计或忽略不计。4变压器变比取 1， VN=Vav。5三相系统是对称的。6所有发电机的电势同相位 , 元件用电抗表示，没有复数运算，把短路电流 的计算简化为直流电路的求解。7金属性短路，短路处的过渡电阻等于零。过渡电阻指短路处的接触电阻， 如电弧电阻或外物电

9、阻，接地电阻。2.2 系统元件及等值网络L12元件实际值计算如下：RL12 = 65 0.22 14.3XL12 = 65 0.41 26.65BL12 = 65 2.8 10 6 S 1.82 10 4 SL14元件实际值计算如下：RL14 =85 0.18 15.3XL14 =85 0.38 32.3BL14 =85 2.88 10 6 S 2.448 10 4 SL24元件实际值计算如下：RL24 = 75 0.21 15.75本科生课程设计（论文）XL24 = 75 0.42 31.5BL24 = 75 2.98 10 6 S 2.235 10 4SL45元件实际值计算如下：RL45

10、= 20 0.224.4XL45 = 20 0.408BL45 = 20 2.78 10 6 S 0.556 10 4 S根据计算公式变压器 T的实际值如下：2RT= PS 2VN 103 3.14 103TSN22220 11923XT2VS % VN2 103100 SN10.5 1192 103100 3150047.2系统的等值网络如图 2.1所示：1ZL1214. 3 +j26.6 5ZL1 41 5.3 +j32.34G1S20.2 52G3ZL2 415. 7 5+j3 1.5ZG3j0.8 35 3ZL4 5ZT4.4 +j83.1 4 +j47.2图 2.1 系统的等值网络2

11、.3 对称短路的计算方法及步骤对于不太复杂的电力系统，在制订等值电路并完成元件参数计算后，可以直 接对原网络进行等值变换求得转移阻抗可以保留电势源节点和短路点，通过原网 络的等值变换逐步消去一切中间节点，形成以电势源节点和短路点为顶点的全网 形电路，这个最终电路中联接电势源节点和短路点的支路阻抗即为该电源对短路本科生课程设计（论文）点的转移阻抗短路电流计算的标准主要有 IEC 标准和 ANSI 标准，中国采用的是 IEC 标准。国标规定了短路电流的计算方法、计算条件。国标推荐的三相短路电 流计算方法是等值电压源法，其计算条件为：不考虑非旋转负载的运行数据和发 电机励磁方式， 忽略线路电容和非旋

12、转负载的并联导纳， 具有分接开关的变压器， 其开关位置均视为在主分接位置，不计弧电阻， 35 kV 及以上系统的最大短路电 流计算时，等值电压源取标称电压的 1.1 倍，但不超过设备的最高运行电压。对 于电网规划、运行部门，三相最大短路电流计算是主要的计算内容。计算中，各 电网、电网内的不同部门可能采用不同的计算条件。 差别主要集中在变压器变比、 节点电压的选取上。 变压器变比有取 1.0，有取实际运行变比的， 节点电压可能取 1.0，也可能取 1.05。这两者的不同组合均有所采用。 经典的短路电流计算方法为： 取变比为 1.0 ，不考虑线路充电电容和并联补偿， 不考虑负荷电流和负荷的影响，

13、节点电压取 1.0 ，发电机空载。本科生课程设计（论文）第 3章 电力系统三相短路计算3.1 系统等值电路及元件参数计算设基准功率按题给条件，各级基准电压均为各级平均额定电压，SB 100MV A, VB Vav 。根据已经得到的实际值，利用标么值的定义 标么值 实际有名值（任意单位 ）基准值（与有名值同单 位）22基准值 ZB VB 119 141.61B SB 100可得相应器件标么值参数为：S2 0.25S4 0.2Z L12 0.10 j0.19BL12 0.03Z L14 0.11 j0.23BL14 0.03Z L24 0.11 j0.22BL24 0.03Z L45 0.03 j

14、0.06BL45 0.01ZT 0.02 j0.33Z12 ZT k 0.002 j0.03k 0.002 j0.03Z10k k 0.0002 j 0.003Z20X G3 0.25 100 0.8330本科生课程设计（论文）EG3EG1 119 1.03G1 1153.2 系统等值电路及其化简根据题意可得完整的系统等值电路如图 3.1所示：j0.5*B L1 2 j0.015G1j0.5*B L1 4 j0.015ZL120.10 +j0.19L 14.11 +j0.23j0.5*B L1 2j0.015=0.25j0.5*Bj0.015L1 44=0.2j0. 5*B L1 2 j0.

15、015G1j0. 5* B L1 4j0. 015j0. 5* B L1j0. 0152j0.5*B L2 4 j0.015ZL240.11 +j0.22ZL 120. 10 +j0.G3ZG 3j0.83Z20-0.000 2-j0.0 034ZL450.03 +j0.06j0.5*B L2 4 j0.5*B L4 5 j0.015 j0.005图 3.2 系统完整等效电路图19ZL 140. 1 1 +j0. 23j0. 5j0. 5*4S4 =0. 2ZT0.02 +j0.33j0.5*B5 j0.005L43Z10-0.002 -j0.03j0. 5*B L1 2j0. 015 S2

16、=0. 252j0. 5*B L2j0. 015ZL 240. 11 +j0. 22 B L2 4j0. 015ZG 3G3G33 j0. 83ZT0. 02 +j0. 33ZL 450. 03 +j0. 06图 3.2 （a）等效电路本科生课程设计(论文)图 3.2 (b)等效电路图图 3.2(c) 等效电路由于等效电路中在做变压器等效时发现 Z10与Z 20以及 Z L45的对地电容对整个 系统影响不大，故在计算时忽略不计， 由此可得电路的第一步化简电路如图 3.2(a) 等效电路所示。根据图 3.2 (a)等效电路得Z b(1) j0.5 BL14 j0.5 BL12 j0.03Z b(

17、2) j0.5 BL 24 j0.5 BL12 j0.02Z b(3) j0.5 BL24 j0.5 BL45 j0.02Z b( 4) ZL45 ZT ZG3 0.05 j1.22 电容经过合并后可得图 3.2(b)等效电路图本科生课程设计（论文）ZC(1)ZC(2)ZC(3)ZL12ZL140.018j0.035ZL12 ZL14 ZL 24ZL14ZL240.019j0.040Z L12 ZL14 ZL24ZL12ZL240.018j0.033ZL12 Z L14 ZL 24经过星角变换后可得图 3.2 （c）等效电路图。相应电阻阻值为：利用带电源的支路可将 EG3与 Zb（3）， Zb

18、（4）及接地等效成 Zd（ 1）Zd(1)Ed(1)ZZbb(33) ZZbb(44) 0.013 j0.02b(3) b(4)EG3 Zb(3)E地 Zb(4)0.011 j 0.003Zb(3) Zb(4)反复利用上述公式化简可将电路化简为图 3.3最简等效电路。其中 Eeq 0.22 j0.04Zeq 0.089 j0.153.3 对称短路计算由最简电路的参数可得短路电流：I f Eeq 0.81 j0.83Zeq另 有 已 知 条 件 V1 1.03， V2 0 ， V3 1 ， 根 据 戴 维 宁等 效 原 理 得V4 0.45 j0.00015 。本科生课程设计（论文）I12V1

19、V2I14ZL12V1 V4I 24I 45ZL14V2 V4ZL24V4 V5ZL451.032.4 j5.10.10 j0.191.03 (0.45 j 0.0015)0.53 j0.110.11 j0.230.45 j0.0015 00.744 j1.470.11 j0.221 (0.45 j0.0015)1.01 j0.530.03 j0.06忽略对地电容可得等效电路如图 3.4所示G1=1.031 ZL12 0.10+j0.19S20.25ZL140.11+j0.23ZL240.11+j0.224ZL450.03+j0.065ZT0.02+j0.33Z10-0.002-j0.03ZG

20、33j0.83Z20-0.0002-j0.003G3=1G3=1图 3.4 忽略电容等效电路其中EeqZeq1.03 (0.82 j 2.204) 1 (0.74 j 0.21) 1.033 j0.020.74 j0.21 0.82 j 2.204(0.82 j2.204) (0.74 j0.22) 0.16 j0.7030.74 j0.22 0.82 j 2.204I f1Eeq 0.86 j1.02Zeq本科生课程设计（论文）第4章 短路计算的仿真4.1 仿真模型的建立通过对系统的分析并结合 MATLAB ，系统的仿真模型如图 4.1 所示：图 4.1 仿真模型图4.2 仿真结果及分析由上

21、述仿真模型图将各元件参数输入模型图中进行仿真，在稳态时，故障点 各相电流由于三相故障发生器处于断开状态，因而三相电压实际上是加载在输电 线路 L12 上的电压。在 0.015s时，三相短路故障发生器闭合发生三相短路，故障 点各相电流发生变化，由于闭合时有初始输入量和初始状态量。因而故障点各相 电流波形上升或者下降。故障点三相电压由于发生三相接地短路，此时三相电压10本科生课程设计（论文）实际上是加载在输电线 L12 上的电压，发生暂态波动。电力系统三相短路仿真结 果如图 4.2和图 4.3所示。图 4.2发生三相短路电流波形图 4.3 短路时电压波形11本科生课程设计（论文）在稳态时，故障点电流正序分量由于三相电流短路故障发生器处于断开状态， 因而幅值相角为 0。在 0.02s时，三相电流短路故障发生器闭合， 此时电路发生 相短路，故障点电流正序分量得幅值下降， 故障点电流正序分量的相角继续下降 系统的正序分量波形图如图 4.4 所示。图 4.4 正序分量波形图12本科生课程设计（论文）第5章 总结电力系统中，发电机的数目是很多