电力系统单相短路计算与仿真

1、精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业辽辽 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： 电力系统单相短路计算与仿真（电力系统单相短路计算与仿真（2）院（系）：院（系）： 工 程 技 术 学 院 专业班级：专业班级：电气工程及其自学学 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 精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业课程设计（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

2、如图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 0.01，电抗 0.15，k=1.1，标准变比侧 YN接线，非标准变比侧 接线；T2：电阻 0.01，电抗 0.2，k=1.05，标准变比侧 YN接线，非标准变比侧 接线；L24: 电阻 0.02，电抗 0.07，对地容纳 0.04；L23: 电阻 0.03，电抗 0.07，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 1.05；负荷功率：S1=0.5+j0.2；任务要求：当节点 4 发生 A 相金属性短路时，1 计算短路点的 A、B 和

3、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 A 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，得出结论。G1 T1 2 L24 4 T2 G2 1:k k:1 L23 L34 3 S3 精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业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% 以百分制计算精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业摘 要电气设备和载流导体的选择

4、、继电保护、自动装置的整定、限制短路电流措施的确定都需要进行短电流的计算。电力系统短路有单相短路、两相短路、两相接地短路、和三相短路之分，对同一点发生单相短路故障的短路电流进行仿真和分析研究，在传统的基础上进行计算，并利用 MATLAB 进行仿真验证。并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。基于对称分量法的基本理论，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，求得故障端点的等值阻抗。最后根据故障类型选取相关公式计算故障处各序电流、电压，进而合成三相电流电压。根据断相故障和短路故障的特点，进

5、行短路计算。关键词：单相短路电流；单相短路电压；仿真 精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业目 录精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业第 1 章 绪论1.1 电力系统短路计算概述在电力系统运行过程中，时常发生故障，其中大多数是短路故障。所谓短路，是指电力系统正常运行情况以外的相与相之间或相与地（或中性线）之间的连接。除中性点外，相与相或相与地之间都是绝缘的。电力系统短路可分为三相短路，单相接地短路。两相短路和两相接地短路等。三相短路的三相回路依旧是对称的，故称为对称短路。其他的几种短路的三相回路均不对称，故称为不对称短路。电力系统运行经验表明，单相短路占大多数，上述短路均是指在同一地

6、点短路，实际上也可能在不同地点同时发生短路，例如两相在不同地点接地短路。依照短路发生的地点和持续时间不同，它的后果可能使用户的供电情况部分地或全部地发生故障。当在有由多发电厂组成的电力系统发生短路时，其后果更为严重，由于短路造成电网电压的大幅度下降，可能导致并行运行的发电机失去同步，或者导致电网枢纽点电压崩溃，所有这些可能引起电力系统瓦解而造成大面积的停电事故，这是最危险的后果。产生短路的原因很多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。（2）气象条件恶化，例如雷电造成的闪络放电或避雷针动作，架空线路由于大风或导线覆冰引起电杆倒

7、塌等。（3）违规操作，例如运行人员带负荷拉刀闸。（4）其他，例如挖沟损伤电缆。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，比如在选择发电厂和电力系统的主接线时为啦比较不同方案接图，进行电力系统暂态稳定计算，研究短路对用户的影响。合理配置各种继电保护和自动装置并正确整定其参数都必须进行短路的计算和分析。短路电流计算是电力系统计算分析中很重要的一项计算内容，其计算结果对电力系统的安全稳定经济运行有着重要的意义。通过分析国内常用的一些计算方法，可以发现：经典计算方法所得的短路电流计算结果偏小，有可能给系统埋下不安全的隐患；IEC 方法与基于潮流的短路电流结果

8、相差较小，但不同区域的偏精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业差各不相同，也并不一定能反映系统的最大短路电流水平。若换一个思路，改计算节点的最大短路电流为计算其最小等值阻抗，则系统的最小等值阻抗是易于求取的，且能符合系统实际的。在此基础上，根据各节点的最大可能运行电压，去求得该节点的最大短路电流水平，应该是最能反映系统可能的最大短路电流水平的可行方法。1.2 本文设计内容根据所给电路图以及所有元器件有关参数按照设计要求设计：当节点 4 发生A 相金属性短路时，计算以下参数：(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

9、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 A 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，得出结论。精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业第 2 章 电力系统不对称短路计算原理2.1 对称分量法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

10、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。电力系统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。 任何不对称的三相相量 A、B、C 可以分解为三组相序不同的对称分量：正序分量 A1、B1、C1；负序分量 A2、B2、C2；零序分量 A0、B0、C0。在三相电路中，对于任意一组部队称的

11、三相相量（电流或者电压） ，可以分解为三组三相对称相量，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（如电流）为： （2-1）cbaaaaIIIaaaaIII111113122)0()2()1(式中，运算子，且有，120jea2402jea012aa；、分别为 a 相电流的正序、负序和零序分量，并且有13a)1(aI)2(aI)0(aI （2-2）)0()0()0()2(2)2()2()2()1()1()1(2)1(,acbacabacabIIIIaIIaIIaIIaI由上式可以作出三相量的三组对称分量如式（2-1）所示。精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业可以得到，正序分

12、量的相序与正常对称运行下的相序相同，而负序分量的相序与正序相反，零序分量则三相同相位。将一组不对称的三相量分解为三组对称分量，这种分解如同派克变换一样，也是一种坐标变换。把式（2-1）写成 （2-3）abcSII120矩阵 S 称为对称分量变换矩阵。当已知三相不对称的相量时，可由上式求得各序对称分量。已知各序对称分量时，也可以用反变换求出三相不对称的相量，即 （2-4）1201ISIabc式中 （2-11111221aaaaS5）三相量的对称分量如图 2.1图 2.1 三相量的对称分量 展开式（2-4）并计及式（2-2）有 （2-6）)0()2()1()0()2(2)1()0()2()1()0

13、()2()1(2)0()2()1(cccaaacbbbaaabaaaaIIIIIaIaIIIIIIaIaIIIII可见,电压的三相相量与其对称分量之间的关系也与电流的一样。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)1(cI)1(bI)1(aI)2(bI)2(cI)2(aI)0(aI) 0( cI)0(bI（a）（b）（c）精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业序电压方程表示为几种主要的序网如图 2.2、2.3、2.4

14、所示。图 2.2 正序网络图 2.3 负序网络图 2.4 零序网络精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业2.3 单相不对称短路的计算步骤 单相不对称短路的计算步骤如下：(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

15、中的应一致。(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。等值电源归算步骤如下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；精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业第 3 章 电力系统单相短路计算3.1 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，转化后其正序、负序和零序网络图如图3.1、3.2、3.3所示。图3.1 正序网络图3.2 负序网络图3.3 零序网络精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业对正序、负序和零序网络内电抗进行 Y转换计算如下三相

16、序阻抗化简，其等值网络图如图 3.4 所示。图 3.4 正序等值网络图 3.5 负序等值网络图 3.6 零序等值网络对等效电抗进行计算：021. 0=06. 0+07. 0+07. 006. 007. 0=+=23342424341XXXXXX021. 0=06. 0+07. 0+07. 006. 007. 0=+=23342423342XXXXXX0245. 0=06. 0+07. 0+07. 007. 007. 0=+=23342424233XXXXXX精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业（1）正序3245. 0=0245. 0+15. 0+15. 0=+31)1(1jjjjjXjX

17、jXTG221. 0=2 . 0+021. 0=+)1(12jjjjXjXS35. 0=15. 0+2 . 0=+)1(22jjjjXjXGT通过等效变换得， 1166. 0=)1(jjXffVEeq73. 0=（2）负序3245. 0=0245. 0+15. 0+15. 0=+31)2(1jjjjjXjXjXTG221. 0=2 . 0+021. 0=+)2(12jjjjXjXS35. 0=15. 0+2 . 0=+)2(22jjjjXjXGT（3）零序3.2 单相短路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0, 0, 0cbaIIV便得到用序量表示的边界条件为：0=+)0()

18、2()1(fafafaVVV (3-1)0(2)1(=fafafaIII短路点电流和电压的各序分量为：1166. 0021. 035. 01221. 013245. 01111111)2(22)2(1231)2(1)2(jjjjjjXjXjXjXjXjXjXjXjXGTSTGff0381. 0=021. 0+2 . 01+021. 01+0245. 0+15. 011=+1+1+11=)0(12)0(2)0(31)0(jjjjjjjXjXjXjXjXjXTTff精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业 (3-2)1()0()0()1()2()2()1()1()0()1()0()2()1(-f

19、afffafafffafaffffafafafaIjXVIjXVIjXVVIII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。 系统单相接地短路如图 3.7 所示。图 3.7 单相接地短路单相短路的复合序网如图 3.8 所示。图 3.8 单相短路的复合序网abcIc=0Ib=0IaV a=0精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业短路点的故障相电流为： (3-3)1()0()2()1()1(3fafafafafafIIIIII或 (3-4)(3)0()2()1()0(

20、)1(ffffffffXXXjVI带入式(3-4)各个数据，得2713. 03=)0381. 0+1166. 0+1166. 0(13=)+(3=)0()2()1()0()1(jjXXXjVIffffffff由式(3-3)和式(3-1)得2713. 01=31=)1()0()2()1(jIIIIffafafa由式(3-2)得14. 0-2713. 010381. 043. 0-2713. 011166. 057. 02713. 01)0381. 01166. 0()1()0()0()1()2()2()1()1()0()1(jjIjXVjjIjXVjjIjXVVaffaaffaaffaa短路点非

21、故障相的对地电压为： 74. 02713. 010381. 0) 1-(1166. 0)-() 1-()(22)1()0(2)2(2)0()2()1(2jaaajIXaXaajVVaVaVfafffffafafafb85. 02713. 010381. 0) 1-(1166. 0)-() 1-()-(2)1()0()2(2)2()2(2)1(jaaajIXaXaajVVaVaVfafffffafafafc精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业第 4 章 短路计算的仿真4.1 仿真模型的建立运用 Matlab 进行仿真搭建，其仿真电路图如图 4.1 所示图 4.1 仿真电路当 A 相发生接地

22、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，这是中性点电位升高导致的。单相接地(A 相)电压、电流波形分别为图 4.2 和图 4.3 所示精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业 图 4.2 单项接地（A 相）电压图 4.3 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

23、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：精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业 图 4.4 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。精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业第 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