电力系统单相短路计算与仿真.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电力系统计算电力系统计算 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 4 院 系 院 系 电电 气气 工工 程程 学学 院院 专业班级 专业班级 电气电气 094 学学 号 号 090303103 学生姓名 学生姓名 张志强张志强 指导教师 指导教师 教师职称 教师职称 起止时间 起止时间 12 07 02 至至 12 07 13 本科生课程设计 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 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 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 9 5 k 10 5 121kV Ps 180kW Po 50kW Io 0 88 YN d 11 T2 SN 31 5MVA Vs 10 5 k 10 5 121kV Ps 210kW Po 40kW Io 0 78 YN d 11 L1 线路长 65km 电阻 0 25 km 电抗 0 4 km 对地容纳 2 8 10 6S km L2 线路长 60km 电阻 0 22 km 电抗 0 38 km 对地容纳 2 8 10 6S km L3 线路长 75km 电阻 0 2 km 电抗 0 40 km 对地容纳 2 6 10 6S km 负荷 S3 55MVA 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 6 G1 T1 1 L1 2 T2 G2 1 k k 1 L3 L2 3 S3 本科生课程设计 论文 注 成绩 平时20 论文质量60 答辩20 以百分制计算 本科生课程设计 论文 摘 要 电气设备和载流导体的选择 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 关键词 单相短路电流 单相短路电压 仿真 本科生课程设计 论文 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 电力系统短路计算概述 1 1 2 本文设计内容 1 第 2 章 电力系统不对称短路计算原理 3 2 1 对称分量法基本原理 3 2 2 三相序阻抗及等值网络 4 2 3 单相不对称短路的计算步骤 6 第 3 章 电力系统单相短路计算 8 3 1 系统等值电路及元件参数计算 8 3 2 系统等值电路及其化简 9 3 3 单相短路计算 11 第 4 章 短路计算的仿真 14 4 1 仿真模型的建立 14 4 2 仿真结果及分析 15 第 5 章 总结 16 参考文献 17 本科生课程设计 论文 0 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 短路的原因 类型及后果 所谓短路 是指一切不正常的相与相之间或相与地之 间发生通路的情况 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电气设备 例如断路器 互感器 瓷 瓶 母线 电缆等 必须以短路计算作为依据 2 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流 计算 3 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 4 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 此外 确定输电线路对通讯的干扰 对已发生故障进行分析 都必须进行短 路计算 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 本科生课程设计 论文 1 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 本科生课程设计 论文 2 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 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 1 2 2 2 3 1 1 1 3 111 a a ab c a aa aa I I II I I 式中运算子且有 分别为 a 相电 120j ae 2 10aa 3 1a 1 aI 2 aI 3 aI 流的正序 负序和零序分量并且有 2 2 2 1 1 1 1 2 2 2 2 2 0 0 0 baca baca bca aa aa IIII IIII III 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 2 3 1 120 abc S I I 式中 2 4 12 2 111 1 1 Saa aa 展开 2 3 并计及式 2 2 有 本科生课程设计 论文 3 2 5 1 2 0 2 1 2 0 1 2 0 2 1 2 0 1 2 0 aaaa baaabbb caaaccc aa aa IIII IIIIIII IIIIIII 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如下图所示 图 2 1 正序网络 本科生课程设计 论文 4 图 2 2 负序网络 图 2 3 零序网络 本科生课程设计 论文 5 三相序阻抗化简 其等值网络图如下 Xff 1 0 58 Va 1 Eeq 1 图 2 4 正序等值网络 Xff 2 0 58 Va 2 图 2 5 负序等值网络 Xff 0 0 38 Va 0 图 2 6 零序等值网络 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 本科生课程设计 论文 6 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 本科生课程设计 论文 7 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 对变压器T1 T2的参数计算 02 0 10 5 31 5 10180 32 2 2 2 1 N NS T S VP R 33 0 5 31100 5 105 9 100 22 1 N NS T S VV X S V P G N T 43 2 3 2 0 1 1054 410 5 10 50 10 S V SI B N N T 3 2 3 2 0 1 1067 2 5 10100 5 3188 0 10 100 95 0 115 5 10 121 5 10 1 T K 02 0 10 5 31 5 10210 32 2 2 2 2 N NS T S VP R 37 0 5 31100 5 10 5 10 100 22 2 N NS T S VV X S V P G N T 43 2 3 2 0 2 106 310 5 10 40 10 95 0 115 5 10 121 5 10 2 T K 对其余原件的参数计算 取基准容量 第一段基准电压 第二段基准电压100 B SMVA 1 10 5 B VKV 第三段基准电压 2 115 B VKV 3 10 5 B VKV 79 0 5 10 100 5 31 5 10 25 0 2 2 2 1 2 1 B B N N G V S S V XX 79 0 5 10 100 5 31 5 10 25 0 2 2 2 3 2 2 B B N N G V S S V XX S V SI B N N T 3 2 3 2 0 2 1022 2 5 10100 5 3178 0 10 100 本科生课程设计 论文 8 30 0 5 10 100 5 31 5 10 100 5 9 100 2 2 2 1 2 1 1 1 B B N NT S T V S S V V X 37 0 115 100 5 31 121 100 5 10 100 2 2 2 2 2 2 2 2 B B N NT S T V S S V V X 12 0 115 100 25 0 65 22 2 1 1 B B LL V S XX 10 0 115 100 22 0 60 22 2 2 2 B B LL V S XX jj V S j S V X B B S S 54 22 2 3 2 3 1005 6 1023 1 115 100 44 0 9 0 55 1 sin cos 1 1 21 EE 对线路节点的对地容纳的计算 02 0 100 115 65 2 108 2 2 2 2 2 26 2 2 1 11 B B S V L bB 02 0 100 115 60 2 108 2 2 2 2 2 26 2 2 2 22 B B S V L bB 03 0 100 115 75 2 106 2 2 2 2 2 26 2 2 3 33 B B S V L bB 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 11 0 115 100 2 075 22 2 3 3 B B LL V S XX 本科生课程设计 论文 9 abca a abbcca bcab b abbcca cabc a abbcca Z Z Z ZZZ Z Z Z ZZZ Z Z Z ZZZ 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 1221 12 eq E EE E E EE 12 12 eq Z Z Z ZZ 代数得 0 110 10 0 03 0 110 120 10 0 120 11 0 04 0 110 120 10 0 100 12 0 04 0 110 120 10 abca a abbcca bcab b abbcca cabc c abbcca jj j jjj jj j jjj jj j jjj Z Z Z ZZZ Z Z Z ZZZ Z Z Z ZZZ 对于正序图 1221 12 1 1 11 1 1 08 1 1 08 1 11 eq E EE E E EE 1 1 11 1 08 0 030 58 1 08 1 11 eqZ 同理 对于负序图 2 1 08 1 11 0 030 58 1 08 1 11 eqZ 对于零序图 0 0 68 0 74 0 030 38 0 680 74 eqZ 本科生课程设计 论文 10 3 3 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0 0 0 fbfcfaVII 理后便得到用序量表示的边界条件为 3 1 1 2 0 1 2 0 0 fafafa fafafa VVV III 短路点电流和电压的各序分量为 3 2 1 2 0 1 1 2 0 1 1 0 2 1 2 0 1 0 fafafa fffafffffafaf fffafa fffafa jj j j III VVXIXXI VXI VXI 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 a b c Ic 0 Ib 0Ia V a 0 图 3 1 单相接地短路 本科生课程设计 论文 11 jX ff1 V f jX ff2 jX ff3 Ifa1 Ifa2 Ifa0 V fa1 V fa2 V fa0 图 3 2 单相短路的复合序网 短路点的故障相电流为 3 3 1 1 2 0 1 3 ffafafafafaIIIIII 或 3 4 0 1 1 2 0 3 f f ffffff j V I XXX 带入式 3 4 各个数据 得 0 1 1 2 0 3 3 13 0 580 580 38 1 54 f f ffffff jjj V I XXX 由式 3 3 和式 3 1 得 本科生课程设计 论文 12 1 2 0 1 11 31 54 fafafaf j IIII 由式 3 2 得 2 0 1 1 1 0 580 38 0 62 1 54 fffffafa jj j VXXI 2 1 2 1 0 580 38 1 54 fffafa jj j VXI 0 1 0 1 0 380 25 1 54 fffafa jj j VXI 本科生课程设计 论文 13 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 本科生课程设计 论文 14 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 本科生课程设计 论文 15 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 按边界条件将三个序网联合成复合网 由复合网求出故