电力系统两相接地短路是计算与仿真

1、辽 宁 工 业 大 学电力系统计算课程设计（论文）题目： 电力系统两相接地短路计算与仿真（1） 院（系）： 电 气 工 程 学 院 专业班级： 电气085 学 号： 080303 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 起止时间：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课程设计（论文）任务原始资料：系统如图G1 T1 2 L24 4 T2 G2 1:k k:1 L23 L34 3 S1 GG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，非标准变比侧接线；T2：电阻0，电抗0.15，k=1.05，标

2、准变比侧YN接线，非标准变比侧接线；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；4 在系统正常运行方式下，对各种不同时刻BC两相接地短路进行Matlab仿真；5 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

3、出结论。指导教师评语及成绩平时考核： 设计质量： 论文格式： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书（论 文）目 录电力系统计算课程设计（论文）1第一章 绪论01.1电力系统概况01.2 本文研究内容0第二章 短路计算的意义01.1 短路计算的原因01.2 短路发生的原因11.3 短路的类型11.4 短路的危害11.5 进行短路计算的意义1第三章 数学模型23.1 架空输电线的等值电路和参数23.1 发电机等值电路3第四章 变压器的零序等值电路及其参数44.1 普通变压器的零序等值电路及其参数44.2 变压器零序等值电路与外电路的连接54.3 中

4、性点有接地阻抗时变压器的零序等值电路6第五章 两相短路接地的计算75.1 短路点的计算75.2 其他节点电压电流的计算11第六章 计算机网络仿真126.1 Matlab简介126.2 系统总体设计126.3 结果分析14第七章 课程设计总结14参考文献15摘要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

5、，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：正序分量法；两相接地短路； Matlab软件仿真1辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书（论 文）第一章 绪论1.1电力系统概况在我们日常生活中运用最多的一种能源就是电能，它具有无气体无噪音污染、便于大范围的传送和方便变换、易于控制、损耗小和效率高等特点。电力系统在运行中相与相之间或相与地

6、(或中性线)之间发生非正常连接(短路)时流过的电流称为短路电流。在三相系统中发生短路的基本类型有三相短路、两相短路、单相对地短路和两相对地短路。三相短路因短路时的三相回路依旧是对称的，故称为对称短路；其他几种短路均使三相电路不对称，故称为不对称短路。在中性点直接接地的电网中，以一相对地的短路故障为最多，约占全部短路故障的90%。在中性点非直接接地的电力网络中，短路故障主要是各种相间短路。发生短路时，由于电源供电回路阻抗的减小以及突然短路时的暂态过程，使短路回路中的电流大大增加，可能超过回路的额定电流许多倍。短路电流的大小取决于短路点距电源的电气距离，例如，在发电机端发生短路时，流过发电机的短路

7、电流最大瞬时值可达发电机额定电流的1015倍，在大容量的电力系统中，短路电流可高达数万安培。1.2 本文研究内容在三相系统中，可能发生的短路有：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端粒，系统各相与正常运行时一样仍出入对称状态。其他类型的短路都是不对称短路。本文研究的是两相接地短路的计算。第二章 短路计算的意义1.1 短路计算的原因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（即在不同地点同时发生短路或断线），而最为常见和对电力系统影响最大的是短路故障。因此，故障分析重点是对短路故障的

8、分析。所谓短路，是指一切不正常的相与相之间或相与地之间（对于中性点接地的系统）发生通路的情况。1.2 短路发生的原因电力系统短路故障发生的原因很多，既有客观的，也有主观的，而且由于设备的结构和安装地点的不同，引发短路故障的原因也不同。但是，根本原因是电气设备载流部分相与相之间或相与地之间的绝缘遭到破坏。主要有：元件损坏，气象条件恶化，违规操作和其他。1.3 短路的类型在三相系统中可能发生的短路有：三相短路,两相短路,单相短路接地和两相短路接地。 三相短路是对称的,其他类型的短路都是不对称的。在各种短路类型中，单相短路占大多数，两相短路较少，三相短路的机会最少。三相短路虽然很少发生，但情况较严重

9、，应给予足够的重视。1.4 短路的危害1）短路故障时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，导体间将产生很大的机械应力，可能使导体和它们的支架遭到破坏。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。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，电压下降时，电动机的电磁转矩显著减少，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）当短路地点离电源不远而持续时间又较长时，并列运行的发电厂可能失去同步，破坏系统稳定，造成大片区停电。这是短路故障最严重的后果。4）发生不对称

10、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重大影响。1.5 进行短路计算的意义 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。这里包括计算冲击电流以校验设备的电动力稳定度；计算若干时刻的短路电流周期分量以校验设备的热稳定度；计算指定时刻的短路电流有效值以校验断路器的断流能力等。(2)为了合理地配置各种继电保护和自动裴置并正确整定其参数，必须对电

11、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。(3)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。 (4)进行电力系统暂态稳定计算，研究短路时用户工作的影响等，也包含有一部分短路计算的内容。 此外，确定输电或路对通讯的干扰，对己发生故障进行分析，都必须进行短路计算。 在实际工作中，根据一定的任务进行短路计算时，必须首先确定计算条件 。所谓计算条件，一般包括，短路发生时系统的运行方式，短路的类型和发生地点

12、，以及短路发生后所采取的措施等。从短路计算的角度来看，系统运行方式指的是系统中投入运行发电、变电、输电、用电的设备的多少以及它们之间相互联接的情况，计算不对称短路时，还应包括中性点的运行状态。对于不同的计算目的，所采用的计算条件是不同的。第三章 数学模型在电力系统的电气计算中，常用等值电路来描述系统元件的特性。电力系统的运行状态基本上是三相对称的或者可化为三相对称的，因此，等值电路中的参数是计及了其余两相影响的的一相等值参数。3.1 架空输电线的等值电路和参数设有长度为L的输电线路，其参数沿线均匀分布单位长度的阻抗和导纳分别为, 。在距末端x处取一段dx，可作出等值电路如图2.1所示。在正弦电

13、压下处于稳态时，x=L时，可得到线路首端电压和电流与线路末端电压和电流的关系如下： 图3.1 长线等值电路 （3-1） （3-2）称为线路的传播常数，称为线路的波阻抗。对于高压架空线路，略去电阻和电导时，便有 （3-3）将上述方程通网络的通用方程： (3-4) 相比较，若取输电线路就是对称的无源二端口网络，并可用对称的等值电路来表示，实际计算中大多采用型等值电路，如图3.2所示：令分别代表全线的总阻抗和总导纳，则： (2-5)式中 由此可见，将全线的总阻抗Z和总导纳分别乘以修正系数，便可得型等值电路的精确参数。 图 3.23.1 发电机等值电路实际的凸极机被表示为具有电抗和电势的等值隐极电机，

14、如图2.5所示： 在实际计算中往往是已知发电机的端电压和电流(或功率)，要确定空载电势。 图3.3 等值隐极电机第四章 变压器的零序等值电路及其参数4.1 普通变压器的零序等值电路及其参数 变压器的等值电路表征了一相原、副方绕组间的电磁关系。不论变压器通以哪一序的电流，都不会改变一相原、副方绕组间的电磁关系，因此，变压器的正序、负序和零序等值电路具有形同的形状，图4.1为不计绕组电阻和铁芯损耗时变压器的零序等值电路。图4.1 变压器的零序等值电路（a）双绕组变压器（b）三绕组变压器变压器等值电路中的参数不仅同变压器的结构有关，有的参数也同所通电流的序别有关。变压器各绕组的电阻，与所通过的电流和

15、序别无关。因此，变压器的正序、负序和零序的等值电阻相等。变压器的漏抗，反映了原、副方绕组间磁耦合的紧密情况。漏磁通的路径与所通电流的序别无关。因此，变压器的正序、负序和零序的等值漏抗也相等。变压器的励磁电抗，取决于主磁通路径的磁导。当变压器通以负序电流时，主磁通的路径与通以正序电流时完全相同。因此，负序励磁电抗与正序的相同。由此可见，变压器正、负序等值电路及其参数是完全相同的。变压器的零序励磁电抗与变压器的铁芯结构密切相关。图4.2所示为三种常用的变压器铁芯结构及零序励磁磁通的路径。图4.2 零序主磁通的磁路（a）三个单相的组式（b）三相四柱式（c）三相三柱式对于由三个单相变压器组成的三相变压

16、器组，每相的零序主磁通与正序主磁通一样，都有独立的铁芯磁路图2.9（a）。因此，零序励磁电抗与正序的相等。对于三相四柱式（或五柱式）变压器，零序主磁通也能在铁芯中形成回路，磁阻很小，因而零序励磁电抗的数值很大。以上两种变压器，在短路计算中都可以当作，即忽略励磁电流，把励磁支路断开。对于三相三柱式变压器，由于三相零序磁通大小相等、相位相同，因而不能像正序（或负序）主磁通那样，一相主磁通可以经过另外两相的铁芯形成回路。它们被迫经过绝缘介质和外壳形成回路见图2.9（c），遇到很大的磁阻。4.2 变压器零序等值电路与外电路的连接变压器的零序等值电路与外电路的连接，取决于零序电流的流通路径，因而与变压器

17、三相绕组连接形式及中性点是否接地有关。不对称短路时，零序电压（或电势）是施加在相线和大地之间的。根据这一点，我们可以从以下三个方面来讨论变压器零序等值电路与外电路的连接情况。（1）当外电路向变压器某侧三相绕组施加零序电压时，如果能在该侧绕组产生零序电流，则等值电路中该侧绕组端点与外电路接通；如果不能产生零序电流，则从电路等值的观点，可以认为变压器该侧绕组与外电路断开。根据这个原则，只有中性点接地的星形接法（用YN表示）绕组才能与外电路接通。（2）当变压器绕组具有零序电势（由另一侧绕组的零序电流感生的）时，如果它能够将零序电势施加到外电路上去，并能提供零序电流的通路，则等值电路中该侧绕组端点与外

18、电路接通，否则与外电路断开。据此，也只有中性点接地的YN接法绕组才能与外电路接通。至于能否在外电路产生零序电流，则应由外电路中的元件是否提供零序电流的通路而定。（3）在三角形接法的绕组中，绕组的零序电势显然不能作用到外电路去，但能在三绕组中形成零序环流，如图2.10所示。此时，零序电势将被零序环流在绕组漏抗上的电压降所平衡，绕组两端电压为零。这种情况，与变压器绕组短接是等效的。因此，在等值电路中该侧绕组端点接零序等值中性点（等值中性点与地同电位时则接地）。图4.3 YN,d接法变压器三角形侧的零序环流根据以上三点，变压器零序等值电路与外电路的连接，可用图4.4的开关电路来表示。图4.4 变压器

19、零序等值电路与外电路的连接4.3 中性点有接地阻抗时变压器的零序等值电路当中性点经阻抗接地的YN接法绕组通过零序电流时，中性点接地阻抗上将流过三倍零序电流，并且产生相应的电压降，使得中性点与地有不同电位见图2.12。因此，在单相零序等值电路中，应将中性点阻抗增大为三倍，并同它所接入的该侧绕组的漏抗相串联，如图4.5（b）所示。应该注意，图2.12（b）中的参数，包括中性点接地阻抗，都是折算到同一电压级（同一侧）的折算值。同时，变压器中性点的电压，也要在求出各绕组的零序电流之后才能求得。图4.5 变压器中性点经电抗接地时的零序等值电路第五章 两相短路接地的计算5.1 短路点的计算变压器 T1：=

20、0.01+j0.1变压器 T2：=j0.15电源 G1 G2 =0.15j线路 L23 =0.015+j0.08 =0.028 L24 =0.026+j0.08 =0.033 L34 =0.02+j0.06 =0.03负荷 S1 =1/（0.45+j0.15）电力系统接线如图所示，在f点发生两相接地短路，绘各序网络，并计算电源的等值电势Eq和短路点的各序输入电抗Xff(1)、Xff(2)、Xff(0)以及两相接地短路电流的值。系统各元件的参数计算如下：图5.1 电力系统接线图 根据电力系统接线图画出正序等效电路如图4.2所示图5.2 正序等值电路图角星变换后的等效阻抗将正序等值电路图化简求出正

21、序等值阻抗正序等效电势源为因此正序最简等效电路图如图5.5（1）所示负序等效电路如图5.3所示图5.3 负序等值电路图将负序等值电路图化简求出负序等值阻抗负序最简等效电路如图5.5（2）所示零序等效电路如图所示图5.4 零序等效电路图将零序等值电路图化简求出零序等值阻抗零序最简等效电路如图5.5（3）所示图5.5（1）正序等效最简电路图 （2）负序等效最简电路图 （3）零序最简等效电路两相短路接地原始条件为：；。即： 根据原始边界条件组成的两相短路接地的复合序网如图5.6所示：图5.6 两相短路接地的复合序网应用对称分量法分析各种简单不对称短路时，都可以写出各序网络故障点的电压方程式：其中通过

22、计算可以得出：根据上面方程可以得出： =可以解出、：=0.0163 - j0.1157=0.0009 + j0.0115=-0.0171 + j0.1043=0.0069 - j0.0011短路点故障相电流为：根据以上式子可以求得两相短路接地时故障相电流的绝对值为：=3.105 - 0.3538j短路点非故障相电压为：=0.0648 - 0.0047j5.2 其他节点电压电流的计算节点2的相电流为节点3的相电流为节点2的相电压为第六章 计算机网络仿真6.1 Matlab简介目前电子计算机已广泛应用于电力系统的分析计算，短路计算是其基本应用软件之一。现有很多短路计算方法。对短路计算方法有五方面的

23、要求：（1）计算速度快（2）内存需要少（3）计算结果有良好的可靠性和可信性（4）适应性好，亦即能处理变压器变比调整、系统元件的不同描述和与其它程序配合的能力强（5）简单。MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。Sim

24、ulink是MATLAB各种工具箱中比较特别的。Simulink是用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，支持连续，离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统。在Simulink环境中，利用鼠标就可以在模型窗口中直观地“画”出系统模型，然后直接进行仿真。它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就像你用手和纸来画一样容易。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。6.2 系统总体设计分析知道需要组成系统的几个主要部分，分别是发电机组，三相变压器，输电线路，负载，故障元件，测量仪器以及标准电压源。在Simulink的扩展

25、工具箱中找到SimPowerSystems，或者直接在提示符下键入powerlib打开电力系统模块库，选择建模所需要的模块。使用同步发电机，励磁系统和水轮机调速器来组成发电机组。在进行发电机组的参数设置时，按照上述的额定值进行设置，转子类型、凸极，余相可用模块的默认值。三相变压器选择双绕组三相变压器，将变比设置为13.8/230（高压侧额定电压为220KV），低压绕组三角形接法，高压绕组星型接地。采用分布参数输电线路模型模拟220(KM)的高压线。另外，将标准电压源的容量设置成10E10来模拟无穷大系统。首先用模块建立一个正常运行的电力系统，仿真后观察电压电流波形，待稳定后，再将故障元件加入其

26、中，这样才能保证故障切除后系统最终能恢复到稳定状态。本文以单相接地短路故障为例，仿真模型如图5.1所示图6.1 系统仿真模型图前面部分简单说明了仿真建模的过程，为了能把最后的仿真波形同时显示在一个界面中以便比较和分析，设计一个图形界面，不仅能随意地选择故障类型进行仿真，让波形全部显示出来，而且还能单独查看各相的电压电流波形图。要实现这样的功能需要在界面对应M文件中编辑相应的函数，使界面和仿真模型联系起来。如图5.2所示即为系统仿真波形图 图6.2 系统仿真波形图6.3 结果分析分析图6.2所示的波形，仿真开始时，系统处于正常运行状态，电压电流波形都按正弦波变化，当B相C相0.13s接地短路时，可以观察到这两相对地电压