电力系统对称短路计算与仿真(3)

1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电力系统分析电力系统分析课程设计（论文）课程设计（论文）题目：题目：电力系统对称短路计算与仿真（电力系统对称短路计算与仿真（3） 院（系）：院（系）： 工工 程程 技技 术术 学学 院院 专业班级：专业班级：电气工程及其电气工程及其 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 教师职称：教师职称： 起止时间起止时间： 15-06-15至15-06-26 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：工程技术学院 教研室：电气教研室课程设计（论文）任务原始资料：系统如

2、图GGG4 4 L24 2 S2GL14 L12 G3 G 1 L13 1：K 3 S1 T S1 T各元件参数标幺值如下：L12：电阻 0.15，电抗 0.45，对地容纳 0.028；L14: 电阻 0.15，电抗 0.4，对地容纳 0.033；L24: 电阻 0.1，电抗 0.4，对地容纳 0.028；L13: 电阻 0，电抗 0.2，对地容纳 0；T: 电阻 0.01，电抗 0.15，k=1.05；给定功率及电压如下：S1=0.3+j0.15， S2=0.5+j0.15，G3 发出功率 S3=0.45+j0.09， V4=1.05任务要求：当节点 2 发生三相金属性短路时，1，计算短路点

3、的电压和电流；2，计算其它各个节点的电压和电流；3，计算各条支路的电压和电流；4，忽略对地支路，重新进行 1、2 和 3 的计算；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。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 日本科生课程设计（论文）摘 要本次课程设计根据电力系统分析课程中所讲的基于节点方程的三相短路计算的原理和方法。三相短路在电力系统中虽然发生的概率很小，但是一旦发生产生的影响非常严重，电力系统中设备的动稳定和热稳定校验都要以三相短路电流为依

4、据，因此本次课程设计非常有意义。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。利用金属短路时短路点电压为 0，对地电阻为 0，计算短路点电流；最后利用故障前节点电压、节点阻抗和短路点电流求得短路后各节点电压和各支路电流。防止谐波电流危害的方法，一是被动的防御，即在已经产生谐波电流的情况下，采用传统的无源滤波的方法，由一组无源元件：电容、电抗器和电阻组成的调谐滤波装置，减轻

5、谐波对电气设备的危害；另一种方法是主动的预防谐波电流的产生，即有源滤波法，其基本原理是利用关断电力电子器件产生与负荷电流中谐波电流分量大小相等、相位相反的电流来消除谐波。关键词：对称短路；稳态；金属短路；滤波本科生课程设计（论文）目 录第 1 章 绪 论 .11.1 电力系统短路概况.11.2 本文设计内容.1第 2 章 短路计算 .22.1 短路的一般概念.22.1.1 电力系统短路计算的分类 .22.1.2 电力系统短路故障发生的原因 .22.1.3 短路故障的危害 .32.1.4 短路计算分析的内容和目的 .32.2 短路计算的方法.42.3 短路的计算.52.3.1 计算短路点的电压和

6、电流 .52.3.2 计算各节点电压 .92.3.3 计算各支路电流 .92.3.4 忽略对地支路，节点 3 发生三相金属短路 .10第 3 章 系统的调试与仿真 .11第 4 章 总 结 .14本科生课程设计（论文）第 1 章 绪 论1.1 电力系统短路概况短路是电力系统的严重故障。所谓短路，是指一切不正常的相与相之间或相与地（对于中性点接地的系统）发生通路的情况。产生单路的原因有很多，如元件损坏，气象条件恶化，违规操作等等。 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、单相接地短路。三相短路也成为对称短路，系统各项与正常运行时一样仍处于对称状态。其他类型的短路都不是对

7、称短路。电力系统的运行实验表明，在各种类型的短路中，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，应给以足够的重视。况且，从短路计算方法来看，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是有其重要意义的。 三相短路电流计算是电力系统规划、设计、运行中必须进行的计算分析工作。目前，三相短路电流超标问题已成为困扰国内许多电网运行的关键问题。然而，在进行三相短路电流计算时，各设计、运行和研究部门采用的计算方法各不相同，这就有可能造成短路电流计算结论的差异和短路电流超标判断的差异，以及短路电流限制措施的不同。1.2 本文

8、设计内容本次课程设计研究的是三相对称短路，根据给定的系统图及各个元件参数，计算短路点的电压和电流。然后依次计算其他各节点的电压和电流。画出系统的等效电路图，根据此等效电路图分别计算各个支路的短路点呀和电流。忽略对地支路，重新计算各短路点的短路电压和电流，其他各个节点及支路的电压和电流。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，最后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。本科生课程设计（论文）第 2 章 短路计算2.1 短路的一般概念所谓短路是指一切不正常的相与相之间或相与地（对于中性点接地的系统）发生通路的情况。短路是电力系统中最严重的故障。短路发生的

9、原因是多种多样的。其中主要的原因是电气设备载流部分的绝缘损坏。短路发生的地点、短路持续的时间、短路发生的种类直接决定了短路危害的程度，短路的后果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。2.1.1 电力系统短路计算的分类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。简单短路故障共有四种类型：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

10、，其他三种短路都是不对称的。在四种短路类型中，单相短路接地故障发生的概率最高，可达 65%，两相短路约占 10%，两相短路接地约占 20%，三相短路约占 5%。虽然三相短路发生的概率最小，但他对电力系统的影响最严重。2.1.2 电力系统短路故障发生的原因电力系统短路发生的原因有很多,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相同。但是,根本原因是电器设备载流部分相与相之间或相与地之间的绝缘遭到破坏。主要有如下几个方面：（1）元件损坏，例如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等；（2）气象条件恶化，例如雷击造成的闪络放电或避雷

11、器动作，架空线本科生课程设计（论文）路由于大风或导线覆冰引起电杆倒塌等；（3）违规操作，例如运行人员带负荷拉刀闸，线路或设备检修后，未拆除接地线就加上电压等；（4）其他，例如挖沟损伤电缆，鸟兽跨接在裸露的载流部分等2.1.3 短路故障的危害短路对电器设备和电力系统的正常运行都有很大的危害。主要有如下几个方面：（1）在短路发生后，由于电源供电回路阻抗的减小以及产生的暂态过程，使短路回路中的电流急剧增加，其数值可能超过该回路额定电流的许多倍。短路点据发电机的电气距离越近，短路电流越达。例如发电机端发生短路时，流过定子绕组的短路电流最大顺时值可能达到发电机额定电流的 1015 倍。再大容量的电力系统

12、中，短路电流可达几万安，甚至几十万安。（2）在短路点出产生的电弧可能会烧坏设备，而且短路电流流过导体时，所产生的热量可能会引起导体或绝缘损坏。另外，导体可能会受到很大的电动力冲击，致使其变形甚至损坏。（3）短路将引起电网中的电压降低，特别是靠近短路点处的电压下降最多，使部分用户的供电受到影响。例如，负荷中的异步电动机，由于其电磁转矩与电压的平方成正比，当电压降低时，电磁转矩将显著减小，使电动机转速变慢或甚至完全停转，从而造成废品及设备损坏等严重后果。（4）短路故障可能引起系统失去稳定，这一方向的情况。（5）不对称接地短路所引起的不平衡电流将在线路周围产生不平衡磁通，结果在临近的通信线路中可能感

13、应出相当大的感应电动势，造成对通信系统的干扰，甚至危机通信设备和人身安全。2.1.4 短路计算分析的内容和目的短路故障分析的主要内容包括故障后电流的计算,短路容量(短路电流与故障前电压的乘积)的计算,故障后系统中各点电压的计算以及其他的一些分析和计算,如故障时线路电流与电压之间的相位关系等。短路电流计算与分析的主要目的在于应用这些计算结果进行机电保护设计和整定值计算,开关电器,串联电抗器,母线,绝缘子等电器设备的设计,制定限制短路电流的措施和稳定性分析等。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

14、电气设备，例如断路器、互感器、本科生课程设计（论文）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。（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

15、流计算。（4）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。此外，在确定输电线路对通讯的干扰，对已经发生故障进行分析，都必须进行短路计算。2.2 短路计算的方法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，节点电压取 1.0，发电机空载。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：（1） 不考虑非旋转负载的运行数据和发电机励磁方式；（2） 忽略线路电容和非旋转负

16、载的并联导纳；（3） 具有分接开关的变压器，其开关位置均视为在主分接位置 ；（4） 不计弧电阻；（5） 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（计算中额定电压的 1.05 pu），但不超过设备的最高运行电压。采用 IEC 标准进行短路电流计算时，允许用户任意设定短路电流计算的初值条件。可设定的选项包括：（1）变比选择：1.0 或正常变比；（2）考虑充电电容与否；（3）计及并联补偿与否；本科生课程设计（论文）（4）节点电压值；（5）发电机功率因素。 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

17、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。若了解短路电流计算的要求，计算人员可以对所得的计算结果进行适当的加工。有的商业软件也提供了灵活的短路电流计算条件设置功能。2.3 短路的计算2.3.1 计算短路点的电压和电流原始给出的系统图如图 2.1 所示。 图 2.1 系统图GG4 4 L24 2 S 2G L12 L14 G3 G 1 L13 1;K 3 S1 T 本科生课程设计（论文）原系统的等效电路图如图 2.2 所示。 图 2.2 系统等效电路图本科生课程设计（论文

18、）考虑对地支路，当节点 2 发生三相金属短路时，系统等效网络化简过程图如图 2.3 所示。图 2.3（a）系统等效图图 2.3(b)忽略对地支路Z4Z13Z2ZT2341VG4VG3.z s1Z3Z5S2Z1S1Z7Z3Z5S2VG4VG3.2ZffS2E.本科生课程设计（论文）图 2.3(c)最简图如图 2.2 所示 忽略电阻和对地电容的影响j4 . 01 . 01j4 . 015. 01j4 . 0-1 . 01j4 . 015. 01j35. 01-j45. 0-15. 01-j35. 01j35. 01j45. 0-15. 01-j45. 0-15. 01j4 . 01 . 01j35

19、. 01j4 . 015. 014224411444322331133321122211YYYYYYYYYYYYYY求得节点导纳矩阵：j1611. 04101. 1j3529. 2-5882. 0-j1918. 28219. 0-j8571. 2-j8571. 06667. 0-j8571. 2j3529. 2-5882. 0-j8571. 06667. 0-j3529. 42549. 1j2-6667. 0-j1918. 28219. 0-j8571. 2j2-6667. 0-j0489. 5-8219. 0 由图 2.3(a)所示可求：将对地容纳合并成和1Z2Z 67.16j28.00 j

20、28.00 j1yy121111Z29.14j04. 003. 01jyy1j31122Z47. 1 j-5.42)5.10 j.30(11SZ本科生课程设计（论文）将等值电路中、星角变换成、14Z24Z12Z3Z4Z5Z E=1 短路电压 V=0短路电流2.3.2 计算各节点电压由图 2.3(a) 结点 4 和结点 2 的电压为 05. 14V02V13V根据戴维南定理 2.3.3 计算各支路电流由图 2.3(a)可求得：1539. 0 j032. 045. 0 j.1504 . 0 j.104 . 0 j5.104 . 0 j.10)4 . 0 j5.10(12241424143）（ZZZ

21、ZZZ538.10 j39.0045. 0 j.1504 . 0 j.104 . 0 j5.1045. 0 j.1504 . 0 j5.1012241412144）（）（ZZZZZZ23.10 j27.0045. 015. 04 . 01 . 04 . 015. 0)45. 015. 0()4 . 01 . 0(12241412245jjjjjZZZZZZ095. 0 j026. 02438. 0 j97.001539. 0 j032. 02438. 0 j97.001539. 0 j032. 0/(7438）（）（）ZZZZ091. 0 j59.0047. 1 j-5.42.150 j2 .

22、 0 j-.150 j/)(1136）（STZZZZ09. 0058. 029.14091. 0059. 029.14)091. 059.00(/267jjjjjZZZ33. 4 j-053. 1218. 0 j053. 01fffZEI218. 0 j053. 023.10 j27.0095.00 j026. 058ffZZZ0027. 055. 023.10 j27.001539. 0 j032. 01539. 0 j032. 05.015.015331jZZZV52. 2 j-5 . 04 . 0 j08. 0005. 1242424ZVVI815.1852. 45 . 0 j12. 0

23、0027. 0 j55. 0-5.01141414jZVVI本科生课程设计（论文）2.3.4 忽略对地支路，节点 3 发生三相金属短路忽略对地支路，当节点 2 发生三相金属短路时由图 2.3(b)，忽略对地支路则：E=1 短路电压 V=0 短路电流 68. 205. 1107. 0053. 01jjZEIfff295. 1317. 04 . 01 . 000027. 055. 0122112jjjZVVI85.21 j-007. 05.10 j2 . 0 j0027. 0 j55. 01131313TZZVVI095. 00264. 0244. 0098. 01539. 0032. 0)244

24、. 0098. 0()1539. 0032. 0()/(6438jjjjjZZZZ107. 0 j0534. 023.10 j27.0095.00 j264.0058ffZZZ本科生课程设计（论文）第 3 章 系统的调试与仿真通过对系统的分析以及计算结合 MATLAB 所学知识，对系统进行了调试与仿真仿真模型如图 3.1 所示。图 3.1 仿真模型图在稳态时，故障点各相电流由于三相故障发生器处于断开状态，因而值都为0。在 0.001s 时，三相短路故障发生器闭合，因此电路发生三相短路，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本科生课程设计（论文）波形上升或

25、者下降。在 0.04s 后，由于三相短路故障发生器再次断开，相当于故障排除，因此故障点各相电流迅速下降为 0。 电力系统三相短路仿真结果如图 3.2 所示。 图 3.2 发生三相短路各点电流波形在稳态时，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 0.01s 时，三相电路故障发生器闭合。因此发生三相短路，故障点三相电压由于发生三相接地短路，此时三相电压实际上是加载在输电线 L12 上的电压，发生暂态波动。本科生课程设计（论文）图 3.3 节点 2 电压波形在稳态时，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，因而幅值为 0。相角为 0。在 0.01s 时，三相电流短路故障发生器闭合，此时电路发生三相短路，故障点电流正序分量得幅值下降，至 0.06s 时幅值为 0，故障点电流正序分量的相角继续下降，至 0.06s 时降为大约-180 度。还可以通过向量选择器分别选择电流负序分量和零序分量进行分析。图 3.4 短路点正序分量波形本科生课程设计（论文）第 4 章 总 结设计过程中，为了对自己要设计的课题有一个深入地了解，我进行了大量的有关短路计算的知识充分利用了学校为我们提供宝贵的知识资源，使我对短路计算的认识程度大大加深了。找到自己需要的资料后，并不是照搬照抄，而是根据