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：本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语G1 T1 1 L1 2 T2 G2 1:k k:1 L3 L2 3 S3 院（系）： 教研室： 课程设计（论文）任务GG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-11T2:

2、SN=31.5MVA，Vs%=10.5， k=10.5/121kV,Ps=180kW, Po=30kW,Io%=0.8；YN/d-11L1:线路长90km，电阻0.15/km，电抗0.41/km，对地容纳2.8×10-6S/km；L2:线路长80km，电阻0.18/km，电抗0.42/km，对地容纳2.78×10-6S/km； L3: 线路长70km，电阻0.2/km，电抗0.40/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

3、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

4、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。关键词：单相短路电流；单相短路电压；仿真；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 电力系统不对称短路计算原理22.1 对称分量法基本原理22.2 三相序阻抗及等值网络22.3 单相不对称短路的计算步骤2第3章 电力系统单相短路计算33.1 系统等值电路及元件参数计算33.2 系统等值电路及其化简3

5、3.3 单相短路计算3第4章 短路计算的仿真44.1 仿真模型的建立44.2 仿真结果及分析4第5章 总结5参考文献6第1章 绪论1.1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。 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

6、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，应给予足够的重视。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。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。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

7、重的后果。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重大影响。 1.2本文设计内容本科设主要计算单相短路及其仿真分析，具体设计安排如下：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。第2章 电力系统不对称短路计算原理 2.1对称分量法

8、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

9、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。 对称分量法是分析不对称故障的常用方法，根据不对称分量法，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。 (2-1)式中运算子且有, ； 分别为a相电流的正序、负序和零序分量并且有。 (2-2)当已知三相补对称的相量时，可由上式求得各序对称分量，已知各序对称分量时，也可以求出三相不对称的相量，即

10、(2-3)式中 (2-4)（a）（b）（c）图2.1三相量的对称分量展开(2-3)并计及式(2-2)有 (2-5)电压的三相相量与其对称分量之间的关系也与电流一样。2.2三相序阻抗及等值网络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，对称分量分解后可用序电压方程表示为几种主要的序网。为使电路简化，需要将线路的三角形连接转化为星形连接，转化后其正序、负序和零序网络图如下。图2.2 正序网络图2.3 负序网络图2.4 零序网络对正序、负序和零序网络内电抗进行Y转换计算如下。三

11、相序阻抗化简，其等值网络图如下。图2.5正序等值网络图2.6负序等值网络图2.7零序等值网络对等效电抗进行计算（1）正序 （2）负序（3）零序2.3单相不对称短路的计算步骤1确定计算条件，画计算电路图 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。根据计算目的确定系统运行方式，画相应的计算电路图。选电气设备：选择正常运行方式画计算图；短路点取使被选择设备通过的短路电流最大的点。继电保护整定：比较不同运行方式，取最严重的。2画等值电路，计算参数； 分别画各段路点对应的等值电路。标号与计算图中的

12、应一致。3网络化简，分别求出短路点至各等值电源点之间的总电抗。等值电源归算（1）同类型且至短路点的电气距离大致相等的电源可归并；（2）至短路点距离较远的同类型或不同类型的电源可归并；（3）直接连于短路点上的同类型发电机可归并；第3章 电力系统单相短路计算3.1系统等值电路及元件参数计算单相接地短路时，故障处的三个边界条件为，经过整理后便得到用序量表示的边界条件为 (3-1)短路点电流和电压的各序分量为 (3-2)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。短路点的故障

13、相电流为 (3-3)或 (3-4)带入式(3-4)各个数据，得由式(3-3)和式(3-1)得由式(3-2)得短路点非故障相的对地电压 3.2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，其转化公式为。在进行电路化简时，还需要对电源、阻抗进行合并，其公式如下。代数得，对于正序图， 图3.1 单相接地短路图3.2 单相短路的复合序网第4章 短路计算的仿真4.1仿真模型的建立当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

14、性点电位升高导致的。 图4.1 单项接地（A相）电压图4.2 单项接地（A相）电流当输电线路发生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。具体的仿真波形如图所示： 图4.3 单项(A相)接地各项电流波形4.2仿真结果及分析系统采用中性点不接地方式时，发生单相接地故障三相间线电压仍然对称，不必马上切除故障部分，提高了供电的可靠性。但是接

15、地电流在故障处可能产生稳定或间歇性的电弧，将危害整个电网的安全运行。若系统改为直接接地，中性点会与故障点成短路回路，线路上将流过很大的短路电流，此时系统不能继续运行，需要迅速切除故障线路。若系统采用中性点经电阻接地，故障点电压、电流波形均得到改善。系统采用中性点经消弧线圈接地时，由于线圈可产生感性电流，与容性电流相互补偿，减少故障的故障电流，可以提高供电的可靠性。电力系统中性点的接地方式涉及系统电压等级，电力网结构等诸多因素，需综合考虑各接地方式的特点，结合具体情况进行选择，以提高系统安全运行的水平。第5章 总结电力系统发生不对称短路后，由于短路点对地故障支路的不对称，使得整个网络电流电压三相不对称：。本论文解决不对称短路的问题核心是对称分量法。根据对称分量法采取的具体方法之一是解析法，即把该网络分解为正，负，零序三个对称序网，这三组对称序分量可分别按对称的三相电路分解。然后将其结果叠加起来。求解不对称短路。首先应该计算各原件的序参数和画出等值电路。然后制定各序网络。根据不同的故障类型，确定出以相分量表示的边界条件，进而列出以序分量表示的边界条件