20电力系统两相断线计算与仿真1要点

1、辽 宁 工 业 大 学电力系统分析课程设计（论文）题目： 电力系统两相断线计算与仿真（1）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：15-07-06至15-07-17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）：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=10kV，X=0.2；T1: SN=31.5MVA，Vs%=10， k=10/121kV,Ps=200kW,

2、Po=33kW,Io%=0.9；YN/d-11T2: SN=31.5MVA，Vs%=9.5， k=10/121kV,Ps=180kW, Po=30kW,Io%=0.8；YN/d-11L1:线路长80km，电阻0.18/km，电抗0.4/km，对地容纳3.10×10-6S/km；L2:线路长60km，电阻0.2/km，电抗0.42/km，对地容纳3.00×10-6S/km； L3: 线路长70km，电阻0.17/km，电抗0.4/km，对地容纳2.88×10-6S/km；负荷：S3=45MVA，功率因数为0.9.任务要求（支路L3发生AC两相断线）：1 计算各元件的

3、参数；2 画出完整的系统等值电路图；3 忽略对地支路，计算断点的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，对系统进行两相断线的Matlab仿真；6 将断线运行计算结果与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 要电能供应与国民经济的各部门及人民日常生活有着极为密切的关系，保证电能供应的可靠性极其重要，但在电力系统运行过程中时常会发生故障，两相断线就是故障中的一种，两相断线时断线处

4、的电压电流将发生很大变化，因此对断线的研究很有必要。本次课程设计主要研究电力系统发生两相断线这种故障情况，在给出的双侧电源供电系统背景下，设计首先计算了系统各元件的参数；其次，画出完整的系统等值电路图；运用对称分量法将网络分解为正序、逆序、零序三个对称网络，在忽略对地支路和AC两相断线情况下，计算断点的A、B、C三相电压和电流及其它各个节点的A、B、C三相电压和支路电流；在系统正常运行方式下及两相断线情况下对系统进行了Matlab仿真。关键词：两相断线；对称分量法；等值电路目 录第1章 绪论11.1 电力系统断线概述11.2 本文设计内容1第2章 电力系统不对称故障计算原理22.1 对称分量法

5、基本原理22.2 三相序阻抗及等值网络32.3 两相断线故障的计算步骤5第3章 电力系统两相断线计算83.1 系统等值电路及元件参数计算83.2 系统等值电路及其化简103.3 两相断线计算11第4章 两相断线的仿真144.1 仿真模型的建立144.2 仿真结果及分析15第5章 总结18参考文献19第1章 绪论1.1 电力系统断线概述在电力系统的运行过程中，不可避免的会发生故障，尽管故障出现的几率很小，持续的时间也不长，但产生的后果却十分严重。电力系统发生故障时运行状态将发生巨大变化，轻则造成电流增大，电压下降，从而危及电力设备的安全；重则将导致电力系统对用户供电的故障，从而对国民经济造成重大

6、损失，因此对电力系统的故障应高度重视。电力系统断线属于电力系统中的纵向故障，它是在故障口处出现了某种不对称状态，系统其余部分的参数还是对称的，可以采用对称分量法进行分析。首先在故障口插入一组不对称电势源来代替实际存在的不对称状态，然后将这组不对称电势源分解成正序，负序和零序分量。根据重叠原理，分别作出各序的等值网络，列出各序网络故障端口的电压方程式。再根据非全相短线的具体边界条件列出方程，进而求解出断口处的电压电流。1.2 本文设计内容本文的研究内容是对于电力网发生两相断线后各点的电压电流的计算， 根据任务书内容，本文第二章首先对电力系统不对称故障计算原理进行了分析，它包括对称分量法的基本原理

7、，三相序阻抗及等值电路的制定方法和原则，两相断线的计算步骤。第三章对电力系统两相断线的计算进行了详细说明，系统等值电路及元件参数计算，系统等值电路的简化，两相断线的具体计算。第四章先在系统正常运行方式下，对各相电压和电流进行Matlab仿真，然后再在断线情况下对各节点电压电流进行仿真，最后将断线运行计算结果与断线时系统的仿真结果进行分析比较，得出了在断线故障的情况下系统各节点电压变化情况和各条支路上电流的变化情况。第2章 电力系统不对称故障计算原理2.1 对称分量法基本原理对称分量法是分析不对称故障的主要方法，根据对称分量法，一组不对称的三相量可以分解成正序、负序和零序三相对称的三向量。在不同

8、序别的对称分量作用下，电力系统的各元件可能呈现不同的特性。在三相电路中，对于任意一组不对称的三相相量，可以分解为三组三相对称的相量，当选择a相作为基准相时，三相相量与其对称分量之间的关系为 (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，并且还有 (2-2)各序分量的向量图如图2.1所示。图2.1 三相量的对称分量电压的三相相量与其对称分量之间的关系与电流一样。2.2 三相序阻抗及等值网络在应用对称分量法分析计算不对称故障时，首先必须做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，逐步查明各序电流流

9、通情况。凡是某一序电流能流通的元件，都必须包括在该序网络中，并用相应的序参数和等值电路表示，根据上述原则来制定三相序的等值电路。1、 正序网络正序网络就是通常计算对称短路时所用的等值网络。本电力系统中各元件均应包括在正序网络中，并且用相应的正序参数和等值电路表示。正序网络如图2.2所示。图2.2 正序网络等值电路图 此外，从故障端口看正序网络，它是一个有源网络，可以用戴维南定理简化成如图2.3形式。 图2.3 戴维南正序等效电路二、负序网络负序电流能流通的元件与正序电流的相同，但所有电源的负序电势为零。因此，把正序网络中各元件的参数都用负序参数代替，并令电源等于零，而在故障点引入代替故障条件的

10、不对称电势源中的负序分量，便得到负序网络。各序参数相同所以得到负序网络如图2.4所示。图2.4 负序网络等值电路图负序网络是一个无源网络，利用戴维南等效定理将负序网络简化为如图2.5所示电路。图2.5 戴维南负序等效电路三、零序网络在故障点施加代表故障边界条件的零序电势是，由于三相零序电流大小及相位相同，它们必须经过大地（或者架空地线、电缆包皮等）才能构成通路，而且电流的流通与变压器中性点接地情况及变压器的接法有密切的关系。变压器Y接，绕组端点与外电路断开，变压器YN接绕组端点与外电路接通，变压器d接与绕组端点外电路断开但与励磁支路并联。负荷没有零序。各序参数相同，得到零序等值电路如图2.6所

11、示。图2.6 零序等值电路图从故障端口看零序网络，也是一个无源网络，可以简化为如图2.7电路。图2.7 戴维南零序等效电路2.3 两相断线故障的计算步骤对两相断线的计算，采用的是对称分量法，首先在故障口ff插入一组不对称电势源来代替实际存在的不对称状态，然后将这组不对称电势源分解成正序、负序和零序。根据重叠原理，分别作出各序的等值网络（如图2.8所示）与不对称短路时一样，可以列出各序网络故障端口的电压方程式。图2.8 各序等值网络(2-3)式中，Vff是故障口ff的开路电压，即当f、f两点间三相断开时，网络内的电源在端口ff产生的电压；而分别为正序网络、负序网络和零序网络从故障端口ff看进去的

12、等值阻抗。方程式（2-3）包含了六个未知量，因此还需非全相断线的具体边界条件列出另外三个方程才能求解。两相断开故障处的边界条件为用对称分量法表示为 (2-4)满足这样边界条件的复合序网如图2.9所示。图2.9 两相断开的复合序网故障处的电流 (2-5) 非故障相电流 (2-6)故障相断口的电压 (2-7)2第3章 电力系统两相断线计算3.1 系统等值电路及元件参数计算系统实际接线图如图3.1所示。图3.1 系统实际接线图在系统等值电路中，发电机可以等效为一个电压源和电阻的串联，变压器等效为一个电阻，线路等效为型网络，负荷等效为一个电阻根据这些等效规则得到系统实际接线图的等值电路图如图3.2所示

13、。图3.1 系统等值电路图图3.2系统等值电路根据系统等值电路图计算系统各元件参数如下：变压器参数计算：变压器的参数一般是指其等值电路中的电阻RT、电抗XT、电导GT和电纳BT。变压器电阻RT变压器电抗XT变压器电导GT变压器电纳BT输电线路参数计算：输电线路参数为电抗Z和电容B，电导很小忽略不计。线路L1电抗和电容线路L2电抗和电容线路L3电抗和电容负荷电阻和电抗3.2 系统等值电路及其化简在忽略了系统对地支路，和避免等值电路中出现串联的理想变压器，选取相邻段的基准电压比为变压器的变比，得到了系统等值电路图3.1的简化图。图3.2 系统等值电路简化图为了方便各节点电压电流的计算对系统各元件参

14、数进行标幺值化。对G1，G2，T1，T2选取基准电压为10KV，基准功率为100MVA，对线路和负荷选取基准电压为121KV，基准功率为100MVA。基准阻抗为发电机标幺阻抗变压器标幺参数，忽略对地支路的电导电纳输电线标幺阻抗，忽略对地支路中的电容负荷标幺阻抗3.3 两相断线计算电力系统两相断线的计算采用的是对称分量法。根据图2.2，2.4，2.6计算得正序阻抗和等效电动势为负序等效阻抗零序等效阻抗根据公式(2-5)，(2-6)计算断点处三相电流为B相实际电流值为 根据公式(2-7)计算断点处三相电压为断口处A相电压实际值为6.3KV。 断口处C相电压实际值为6.3KV。系统各节点三相电压：节

15、点3正序电压节点3负序电压：节点3零序电压节点3的A相电压：同理可求得节点1，2的A相电压节点3的B相电压：同理可求得节点1,2的B相电压 节点3的C相电压：同理可求得节点1,2的C相电压 各支路电流支路A相电流： 支路B相电流： 支路C相电流：第4章 两相断线的仿真4.1 仿真模型的建立随着电力工业的发展，电力系统的规模越来越大，大型科研实验很难进行，因此寻求一种最接近电力系统实际运行状况的数字仿真工具十分重要。在电力系统中最常用的的仿真软件是MATLAB中的Simulink模块。它能很好的仿真系统正常或故障时的状态。根据图3.1的系统等值网络图在MATLAB中的Simulink模块库中搭建

16、了如下图4.1的系统仿真电路图。利用Three-phase Breaker元件来产生两相断线情况，利用示波器检测了系统线路上两点的电压和电流的情况，根据计算结果对仿真的各个模块进行了参数设置。系统仿真图主要由系统等值电路和测量模块构成。图4.1 系统仿真图4.2 仿真结果及分析系统断点处的A、B、C三相电压仿真如图4.4所示。图4.4 断点三相电压仿真图仿真图从上到下依次是A、C、B相电流。在正常情况下系统没有出现断线故障，在线路上两点之间的电压为0V，仿真结果跟实际情况吻合，在0.2秒后L3线上出现两相断线，在断口处的A、C两相产生了峰值大约是9KV的脉振电压这与计算的有效值为6.3KV的断

17、口电压相差不大，在发生断线后，未断的B相电压还是0V，与实际情况吻合。系统断点处A、B、C三相电流仿真如图4.5所示。在系统正常运行状况下线路中三相电流均存在且幅值相同，相角互差180°，仿真结果与实际情况相一致，在0.2秒时系统发生AC两相断线，此时AC两相电流应为0，如图仿真结果AC两相波形为两条数值为0的直线，这与实际情况相一致，而此时B相未断，电流应还存在，如图仿真结果B相电流波形为幅值70的正弦波，与实际一致，第三章中计算得到的B相电流有效值为43A，与仿真结果49A有13%的误差，误差来源是，输电线路参数设置时忽略了线路上的电阻值，而采用的是感性输电线路代替的。图4.5断

18、点三相电流仿真图各线路上的电流仿真图如图4.6所示，从上到下依次为L1，L2，L3线路的电流仿真波形。图4.6 线路上电流波形图在系统正常情况下，L1两端电位相等，所以在正常情况下L1线上的电流基本为0，在0.2秒后系统在L3线路上出现了AC两相断线，L1线上的B相基本未受影响还是0，AC两相受到很大影响产生了峰值为75A的正弦波电流，有效值为50A ,这与计算得到的44A相差不大，误差的产生是由于线路经过简化，忽略了电阻。由于系统是双电源供电，线路基本对称，在正常情况下两电源各经L3和L2对负荷供电所以L2上的电流在正常情况下应与L3上电流相等，仿真结果与实际一致。在0.2秒后系统发生故障后

19、，电源均经过L2对负荷供电，所以在数值上L2电流应增大一倍，如图仿真结果，L2电流由75A变为150A，非故障相B相电流未受影响。L3电流波形即断口处电流波形，上面已经分析过，只有B相有电流，AC故障相电流均消失。系统各节点电压仿真如图4.7所示。图4.7 节点处电压波形图在负荷较小且正序阻抗与零序序阻抗大小一致的情况下，断线对系统节点的电压影响不大，第三章计算得正序阻抗为0.6，零序阻抗为0.58，所以各个节点电压波形还为正弦波。相压的幅值为90KV，与实际值99KV相差不大，误差的来源同电流的情况，忽略了线路电阻值。第5章 总结本课程设计研究的是电力系统两相断线，在L3处发生AC两相断线后计算断点的A、B和C三相电压和电流，以及系统的其它各个节点的A、B和C三相电压和支路电流，并对故障情况进行仿真。两相断线