电力系统的课程设计

目录TOC\o"1-5"\h\z课程设计（论文）任务齐 （1）第一章.电力系统短路故障概述 （1）第二章、电力系统单相短路计算原理 （2）\o"CurrentDocument"2.1简单不对称故障的计算方法 （2）2.2对称分量法 （5）2.3基于matlab仿真 （6）第三章、电力系统短路故障计算实例 （7）3.1对称分量法应用 （7）3.2基于matlab的仿真 （13）\o"CurrentDocument"3.2仿真结果分析 （15）3.3两种方案对比 （16）结束语 （19）参考文献 （20）第一章•电力系统短路故障概述1、 短路产生的原因有很多，主要有以下几个方面：.元件损坏例如绝缘材料的自然老化，设计，安装维护不良所带来的设备缺陷发展成短路等，⑵•气象条件恶化例如雷击造成的闪络放电或避雷器动作，架空线路由于大风或导线覆冰引起电杆倒塌.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；.其他，例如挖沟损伤电缆，鸟兽跨接在裸露的载流部分等。2、 短路的危害随着短路类型、发生地点和持续时间的不同，短路即能只破坏局部地区的正常供电，也能威胁整个系统的安全运行。短路的危险后果一般有以下的几个方面：.短路故障使短路点附近的支路中出现比正常值大的电流，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，使导体和它们的支架遭到破坏。.短路电流使设备发热增加，短路持续时间较长时，设备过热以致损坏。.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，它的电磁转矩同端电压的平方成正比，电压下降时，电动机的电磁转矩显著减小，转速随之下降。当电压大幅度下降时，电动机甚至可能停转，造成产品报废，设备损坏等严重后果。•当短路发生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，造成大片地区停电。这是短路故障的最严重后果。.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严重的影响。3、 ・短路故障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继电保护设计和整定值计算，开关电器、串联电抗器、母线、绝缘子等电气设备的设计，制定限制短路电流的措施和稳定性分析等。第二章、电力系统单相短路计算原理2.1简单不对称故障的计算方法在电力系统的故障中，仅在一处发生不对称短路或断线的故障称为简单不对称故障。它通常分为两类，一类叫横向不对称故障，包括两相短路，单相接地短路以及两相接地短路三种类型。这种故障发生在系统中某一点的一些相之间或相与地之间，是处于网络三相支路的横向，故称为横向不对称故障，其特点是由电力系统网络中的某一点（节点）和公共参考点（地接点）之间构成故障端口。该端口一个是高电位点，另一个是零电位点。另一类故障时发生在网络沿三相支路的纵向，叫纵向不对称故障，它包括一相断相和两相断相两种基本类型，其特点是由电力系统网络中的两个高电位之间构成故障端口。分析计算不对称故障的方法很多，如对称分量法、0分量法以及在abc坐标系统中直接进行计算等。此外，matlab仿真也常用于短路故障计算。目前实际中用的最多的和最基本的方法仍是对称分量法和matlab仿真，现在就重点介绍这两种方法，其他方法只做简略的介绍。2.2对称分量法分析简单不对称故障对称分量法是分析不对称故障的常用方法，根据对称法，一组不对称的三相量可以分解为正序、负序、零序三相对称的三相量。可以说对称分量法解决四种常有的不对称故障是非常有效的。下面就用对称分量法分析单相（a相）接地短路为例。单相接地短路时的系统接线图如图2-1所示。单相接地短路时的系统接线图2-1

假定a相接地短路，短路处以相量表示的边界条件方程为U二o；i二I二oka kbkc转换为对称分量关系UJ二UJ +UJ二UJ +UJ +UJ 二O或U} 二—ka kal ka2i=i=ikalka2kaOkaOka1（Uika2+UkJ由上式可以推出:Ika1二Ika1X+X+Xka2kaO

lS 2SOS从而确定短路点电流和电压的各序分量如下：I=I=Ikal ka2 kaOuj =-i x =-i xka2 ka22S kal2Suj =-i x =-i xkaO kaOOS kalOSUi =-（UJ +UJ ）=-i（X+X）=E-1Xkal ka2kaO kal 2S OS alSkal1S电压和电流的各序分量，也可直接用复合序网来求得。根据故障处各序量之间的关系，构成复合序网如图2-2：©©图2—2单相接地短路时的复合序网图根据据对称分量的合成公式，可得各相电流、电压为i二i+1 +i二3i二3i二3ikaka1ka2kaO ka1 ka2 kaO>i=(a2+a+1)i =i=0TOC\o"1-5"\h\zkb ka1kc 丿U=U+U+U=0ka ka1ka2 kaO+(a2-1)X]>o工+(a-1)X]0工丿U +(a2-1)X]>o工+(a-1)X]0工丿kb ka1 ka2kaOka1 2工U 二aU +a2U +U 二i [(a-a2)Xkc ka1 ka2kaOka1 2工因i=i=i，作出电流相量关系如图2-3(b)所示。ka1ka2kaO假定z和z得阻抗角相等(或为纯电抗)，由U=-iX,0工 2工 ka2 ka22工U二-ix可知，U滞后i的相位角为90o,U滞后i的相角为90o，kaOkaO0工 ka2 ka2 kaO kaO又U=-(U+U)，作出故障点电压相量图如图2-3(a)所示。图中示出的ka1 ka2kaO电压相量关系对应的是X〉X的情况，根据式(4-21)，此时9<120o。0工2工 ulaIlaI图2-3单相接地短路处的电压电流相量图从以上的分析计算可知，单相接地短路有以下一些基本特点:(1)短路处出现了零序分量。短路处故障中的各序电流大小相等，方向相同，故障相中的电i二ka3i=3i=3i，而两个非故障相中的电流均为零。ka1ka2kaO短路处正序电流的大小与在短路点原正序网络上增加一个附加阻抗Z(1)二X+X而发生三相短路时的电流相等。A 2工 0工(4)短路点故障相的电压等于零。在假定X和X的阻抗角相等的情况下，两个非故障相电压的幅值总TOC\o"1-5"\h\z0工 2EX X等,相位差角0的大小决定于良的比值，当红比值在0X范围内变化时,u X X2工 2工X X0的变化范围为60。＜0 180。，60o对应oe比值为*的情况，180。对应、严比值接u u X X2E 2E近于零的情况。2.3基于matlab仿真方法Matlab在电力系统建模和仿真的应用主要由电力系统仿真模块(PowerSystemBlockse,t简称PSB)来完成.PSB程序库含有代表电力网络中一般部件和设备的Simulink程序块，通过PSB可以迅速建立模型，并立即仿真.PSB程序块程序库中的测量程序和控制源起到电信号与Simulink程序之间的连接作用.Simpowersystem的界面如2-4图Library:SimPowerSystemsSearchResults:(none)Measurements阳竄黑E Ul EEbQ如LT回MgmesMeasurementsII.pa^sr^ulIpowersuiElectronics 图2-4Simpowersystem的界面使用matlab仿真时首先要做的是搭建系统图，在搭建好系统系统图后，我们需要对各模块参数进行设置。这些做好以后就可以开始仿真了。进行系统仿真与稳态分析：按Startsimulation按钮进行仿真，在仿真进行期间，可以打开Vs模块对话框修改幅值，观察两个示波器的效果,同样的，你也可以修改频率和相位等其它参数。在示波器窗口里，你可以对波形中感兴趣的区域利用鼠标左键选择进行缩放。在仿真中采用的算法是ode45，然而，在更多的仿真应用中，系统里含有很多的断路器和非线性模型，你就必须选用特定的算法。为了更方便的对系统的稳态进行分析，将powerlib库中的powergui模块复制到circuitl中。双击该模块打开它，从powergui的分析工具菜单里选择稳态电压/电流选项，测量模块所测量到的稳态相量以极坐标的形式显示出来。在该窗口中，还可以选择显示电源和各元件状态变量的稳态值。此外，从powergui的工具菜单中选择初始状态设置可以对状态变量的初始值进行设定。第三章、电力系统短路故障计算实例例：如图3-1所示的系统中，在母线L上发生三种金属性不对称，短路故障，试分别计算短路瞬间故障点的短路电流和各相电压。已知参数如下：发电机G:Sn=30MV0.2变压器T-l:S=发电机G:Sn=30MV0.2变压器T-l:S=30MV-A,V=10.5%N S变压器T-2：S=30MV-A,V=10.5%N S线路L:l=60km,x=0.40/km,x=3x(1)(0)(1)。负荷51和SLD2的容量为25MV-A。3・1对称分量法分析解：(1)由图(a)所示的线路图可知，线路的正序，负序，零序电路图如下:图3-1系统线路jXTl.ljXSLl.ljXG1.2图(a)线路的正序电路jXTl.2jXL1.2jXT2.2jXSLl.2图(b)线路的负序电路jXTl.ljXSLl.ljXG1.2图(a)线路的正序电路jXTl.2jXL1.2jXT2.2jXSLl.2图(b)线路的负序电路图(c)线路零序电路⑵求各元件参数的标幺值，选取基准值如下：S=30MV-A,U=UB B av发电机：Sx=x"=0.2亠=0.2⑵dSGN变压器T-1:TOC\o"1-5"\h\zV% S 30x=—s *」=0.105x=0.105\o"CurrentDocument"T1.1 100S 30TNx=x=xT1.1 T1.2 T1.0同理变压器T-2有：T2.1TT2.1T2.2xT2.0=0.105线路：TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"S 30x=x=x*l*虫=0.4x60x=0.0544l1.1 l1.2 1 U21152Bx=3x=0.1632l1.0 l1.1负荷SLD1：TOC\o"1-5"\h\zS 30x=1.2*亠=1.2x=1.44S11.1 S 25LDS 30x=0.35*亠=0.35x=0.42sl1.2 U2 25B同理负荷SLD2有：x=1.44,x=0.42sl2.1 sl2.2各序网络的等值参数为：正序电抗：x=[(x //x )+x+x]//(x +x)=0.2731T G1.1 sl1.1 T1.1 11.1 T2.1sl2.1负序电抗：x =[(x //x)+x+x]//(x +x)=0.1882z G1.2 sl1.2T1.2 11.2 T2.2si2.2零序电抗：x=(x +x)//(x)=0.0750工 T1.0 11.0 T2.0(3)计算各序电气量及各向量a:单相(a相)接地短路以c相为基准相的边界条件为：I=I=IU=U+U+U=0kc1 kc2 kc0;kc kc1 kc2kc0根据这些边界条件，可得：(1)由复合序网求故障点处的各序电流电压：1.957i=i=i= uk = j10 1.957kc1 kc2 kc0X+X+Xj(0.188+0.273+0.075)1E 2E 0EU =-jl X =-j1.957X0・075=-j0・147kc0 kc0 0eU =-jl x =-j1.957X0.188=-j0.368kc2 kc22eU =-(U +U)=-j0・515kc1 'kc2 kc0丿(2)求故障点的各相电流、电压。I=I=0kakbI=31 =3xl.957=5.871kc kclU=a2(j0.515)+a(-jO.368)+(-jO.147)=0.765-j0・293kaU=a(jO.515)+a2(-jO.368)+(-j0・147)=—0.765-j0・293kbU=0kc(3)求各电气量的有名值：短路点所在电压等级的电压、电流基准值为：115 30U二 二66.4(KV),I二 二0.151(KA)B芒 BJ3x115I=I=5.871x0.151=0.887(KA)所以有：短路电流KKCU=U=0.819x66.4=54.38(KV)ka kbb:两相(b相和c相)短路：此时以a相为基准相的边界条件为：I-二0,I-+1-二0,U 二Uka0 ka1 ka2 ka1 ka2根据这些边界条件，可得：(1)由复合序网求故障点处的各序电流电压：I= UK = j1.° =2.169ka1X+Xj(0.188+0.273)1工 2工I=—I =—2.169ka2 ka1U=0ka0U=—jxI =—j2.169X0.273=—j0.592kQJ408ka1 辽kQJ408U.=—jxIka2=jxka2 2zka2 2z(2)求故障点处的各相电流、电压Ikb一用S一用x2.169一j3・757Ikc=-Ikb=jv"3Ika1=j3-757U=2U =j2x I=j2X0.188x2.169=0.816ka ka1 2zka11U_U=—0.408kb 2kaUkc=Ukb=—0.408(2)求各电气量的有名值：同(a)单相短路的短路点的电压、电流基准值，此时的基准值为:115 30U二 二66.4(KV),I二 二0.151(KA)B 73 B 吕x115

所以有:I=I=I=3.757x0.151=0.567(KA)kkbkcU=0.816x66.4=54.182(KV)kaU=0.408x66.4=27.091(KV)肋U=U=27.091(KV)kc kb3.2基于matlab的仿真用matlab中simulink的simpowersystem模块搭建系统主电路图见下图3-2Scopel—AVabcConstantl10e3―ConstantContinuouspov/erguiThree-PhaseV-IMeasurementThree-PhaseSeriesRLCLoad2Three-PhaseTransformer(TwoWindings)2c也'TgAVabcConstantl10e3―ConstantContinuouspov/erguiThree-PhaseV-IMeasurementThree-PhaseSeriesRLCLoad2Three-PhaseTransformer(TwoWindings)2c也'Tg匚SimplifiedSynchronousMachineSIUnitsThree-PhaseFaultThree-PhaseTransformer(TwoWindings)!J©DistributedParametersLinelThree-PhaseSeriesRLCLoa图3-2系统线路仿真线路3.3仿真结果及分析_u-605自3.3仿真结果及分析_u-605自0PP|图3-3单相（c相）接地仿真图1、单相接地短路分析改变三相短路原件参数为c相接地短路，得到线路单相接地短路时，短路点的短路电压和电流波形，如图所示.在0—0.15s时线路逐渐趋于稳定状态，三相电流、电压对称。在0.15s时发生C相接地短路，C相电压大大减小，A、B相电压也相对减少，故障相C相电流迅速上升为短路电流，C相电压，A、B相电流应该为0,但由于系统最后有负载，所以波形图上显示的C相电压，A、B相电流不为零。在0.3s时，故障切除，三相电压电流经暂态后重新达到新的稳定状态，恢复三相对称运行的工作状态。

图3-4两相（B图3-4两相（B、C相）短路仿真图2、两相短路分析改变三相短路原件参数为B、C相间短路，得到线路两相短路时，短路点的短路电压和电流波形，如图所示.在0—0.15s时线路逐渐趋于稳定状态，三相电流、电压对称。在0.15s时发生B、C两相短路，A相电压基本不变。B、C相电压减少，故障相B、C相电流迅