电力系统对称短路计算与仿真(1).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 电力系统对称短路计算与仿真 电力系统对称短路计算与仿真 1 院 系 院 系 电气工程学院电气工程学院 专业班级 专业班级 电气电气085085 学学 号 号 070303140 学生姓名 学生姓名 郝郝 强强 指导教师 指导教师 巴金祥巴金祥 教师职称 教师职称 副教授副教授 起止时间 起止时间 202011 6 26至至2011 7 2 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 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 G G G4 4 L24 2 S2 L14 L12 G3 1 L13 1 k 3 S1 T 各元件参数标幺值如下 L12 电阻 0 1 电抗 0 4 对地容纳 0 03 L14 电阻 0 12 电抗 0 5 对地容纳 0 04 L24 电阻 0 08 电抗 0 4 对地容纳 0 03 L13 电阻 0 电抗 0 2 对地容纳 0 T 电阻 0 电抗 0 15 k 1 1 给定功率及电压如下 S1 0 3 j0 18 S2 0 55 j0 13 G3 发出功率 S3 0 5 j0 09 V4 1 05 任务要求 当节点 2 发生三相金属性短路时 1 计算短路点的电压和电流 2 计算其它各个节点的电压和电流 3 计算各条支路的电压和电流 4 忽略对地支路 重新进行 1 2 和 3 的计算 5 在系统正常运行方式下 对各种不同时刻三相短路进行 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 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论文 指导教师评语及成绩 平时考核 设计质量 论文格式 总成绩 指导教师签字 年 月 日 本科生课程设计 论文 I 摘 要 本次课程设计根据电力系统分析课程中所讲的基于节点方程的三相短路计算 的原理和方法 三相短路在电力系统中虽然发生的概率很小 但是一旦发生产生 的影响非常严重 电力系统中设备的动稳定和热稳定校验都要以三相短路电流为 依据 因此本次课程设计非常有意义 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 利用金属短路时短路点电压为 0 对地电阻为 0 计算短路点电流 最后利用故障前节点电压 节点阻抗和短路点电流求得短路后各节点电压和各支 路电流 防止谐波电流危害的方法 一是被动的防御 即在已经产生谐波 电流的情况下 采用传统的无源滤波的方法 由一组无源元件 电容 电 抗器和电阻组成的调谐滤波装置 减轻谐波对电气设备的危害 另一种方法 是主动的预防谐波电流的产生 即有源滤波法 其基本原理是利用关断电 力电子器件产生与负荷电流中谐波电流分量大小相等 相位相反的电流来消除 谐波 关键词 对称短路 稳态 金属短路 滤波 本科生课程设计 论文 II 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 电力系统短路概况 1 1 2 本文设计内容 1 第二章 短路计算 2 2 1 短路的一般概念 2 2 1 1 电力系统短路计算的分类 2 2 1 2 电力系统短路故障发生的原因 2 2 1 3 短路故障的危害 3 2 1 4 短路计算分析的内容和目的 4 2 2 短路计算的方法 4 2 3 短路的计算 4 2 3 1 计算短路点的电压和电流 4 2 3 2 计算各节点电压 7 2 3 3 计算各支路电流 8 2 3 4 忽略对地支路 节点 3 发生三相金属短路 8 第 3 章 系统的调试与仿真 9 第 4 章 总结 12 参考文献 13 本科生课程设计 论文 1 第 1 章 绪论 1 1 电力系统短路概况 短路是电力系统的严重故障 所谓短路 是指一切不正常的相与相之间或 相与地发生通路的情况 产生单路的原因有很多 如元件损坏 气象条件恶化 违规操作等等 在三相系统中 可能发生的短路有 三相短路 两相短路 两相短路 接地 单相接地短路 三相短路也成为对称短路 系统各项与正常运行时一样仍 处于对称状态 三相短路电流计算是电力系统规划 设计 运行中必须进行的计 算分析工作 目前 三相短 路电流超标问题已成为困扰国内许多电网运行的关 键问题 然而 在进行三相短路电流计算时 各设计 运行和研究部门采用的计 算方法各不相同 这就有可能造成短路电流计算结论 的差异和短路电流超标判 断的差异 以及短路电流限制措施的不同 1 2 本文设计内容 本次课程设计研究的是三相对称短路 根据给定的系统图及各个元件 参数 计算短路点的电压和电流 然后依次计算其他各节点的电压和电流 画出 系统的等效电路图 根据此等效电路图分别计算各个支路的短路点呀和电流 忽 略对地支路 重新计算各短路点的短路电压和电流 其他各个节点及支路的电压 和电流 在系统正常运行方式下 对各种不同时刻三相短路进行 Matlab 仿真 最 后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 本科生课程设计 论文 2 第二章 短路计算 2 1 短路的一般概念 所谓短路是指一切不正常的相与相之间或相与地面之间的通路 短路是电力 系统中最严重的故障 短路发生的原因是多种多样的 其中主要的原因是电气设 备载流部分的绝缘损坏 短路发生的地点 短路持续的时间 短路发生的种类直 接决定了短路危害的程度 这种危害可能是局部的 也可能是全局性的 2 1 1 电力系统短路计算的分类 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 简单短路故障共有四种类型 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 其他三种短路都是不对称的 在四种短路类型中 单相短路 接地故障发生的概率最高 可达 65 两相短路约占 10 两相短路接地约占 20 三 相短路约占 5 虽然三相短路发生的概率最小 但他对电力系统的影响最严重 2 1 2 电力系统短路故障发生的原因 电力系统短路发生的原因有很多 既有客观的 也有主观的 而且由于设备的结 构和安装地点的不同 引发短路故障的原因也不相同 但是 根本原因是电器设备 载流部分相与相之间或相与地之间的绝缘遭到破坏 例如 架空线路的绝缘子可能 由于受到雷电过电压而发生闪络 或者由于绝缘子表面的污秽而在正常工作电压下 放电 再如发电机 变压器 电缆等设备中载流部分的绝缘材料载运性中损坏 有时 因鸟兽跨接在裸露的载流部分 或者因为大风或在导线上覆冰 引起架空线路干塔 倒塌而造成短路 此外 线路检修后 在未拆除地线的情况下运行人员就对线路送 电而发生的误操作 也会引起短路故障 三相短路是对称的 其他三种短路都是不对称的 在四种短路类型中 单相短路 接地故障发生的概率最高 可达 65 两相短路约占 10 两相短路接地约占 20 三 本科生课程设计 论文 3 相短路约占 5 虽然三相短路发生的概率最小 但他对电力系统的影响最严重 2 1 3 短路故障的危害 短路对电器设备和电力系统的正常运行都有很大的危害 发生短路后 由于电 源供电回路阻抗的减小以及产生的暂态过程 是短路回路中的电流急剧增加 其数 值可能超过该回路额定电流的许多倍 短路点据发电机的电气距离越近 短路电 流越达 例如发电机端发生短路时 流过定子绕组的短路电流最大顺时值可能达到 发电机额定电流的 10 15 倍 再大容量的电力系统中 短路电流可达几万安 甚至几 十万安 在短路点出产生的电弧可能会烧坏设备 而且短路电流流过导体时 所产生的 热量可能会引起导体或绝缘损坏 另外 导体可能会受到很大的电动力冲击 致使 其变形甚至损坏 短路将引起电网中的电压降低 特别是靠近短路点处的电压下降最多 是部分 用户的供电受到影响 例如 负荷中的异步电动机 由于其电磁转矩与电压的平方 成正比 当电压降低时 电磁转矩将显著减小 使电动机转速变慢或甚至完全停转 从 而造成废品及设备损坏等严重后果 短路故障可能引起系统失去稳定 不对称接 地短路所引起的不平衡电流将在线路周围产生不平衡磁通 结果在临近的通信线路 中可能感应出相当大的感应电动势 造成对通信系统的干扰 甚至危机通信设备和 人身安全 在电力系统和电气设备和运行中 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 这里包括计算冲击电流以校验 设备的点动力稳定度 计算若干时刻的短路电流周期分量以校验设备的热稳定度 计算指定时刻的短路电流有效值以校验断路器的断流能力等 2 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 3 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 4 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 本科生课程设计 论文 4 此外 在确定输电线路对通讯的干扰 对已经发生故障进行分析 都必须进 行短路计算 2 1 4 短路计算分析的内容和目的 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 短路电流与故障 前电压的乘积 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机电保护设计和整定值计算 开关电器 串联电抗器 母线 绝缘子等电器设备的设计 制定限制短路电流的措施和稳定性分析等 2 2 短路计算的方法 经典的短路电流计算方法为 取变比为 1 0 不考虑线路充电电容和并联补 偿 不考虑负荷电流和负荷的影响 节点电压取 1 0 发电机空载 短路电流计算的标准主要有 IEC 标准和 ANSI 标准 中国采用的是 IEC 标准 国标规定了短路电流的计算方法 计算条件 国标推荐的三相短路电流计算方法 是等值电压源法 其计算条件为 不考虑非旋转负载的运行数据和发电机励磁方式 忽略线路电容和非旋转负载的并联导纳 具有分接开关的变压器 其开关位置均视为在主分接位置 不计弧电阻 35 kV 及以上系统的最大短路电流计算时 等值电压源取标称电压的 1 1 计算中额定电压的 1 05 pu 但不超过设备的最高运行电压 对于电网规划 运行部门 三相最大短路电流计算是主要的计算内容 计算 中 各电网 电网内的不同部门可能采用不同的计算条件 差别主要集中在变压 器变比 节点电压的选取上 变压器变比有取 1 0 有取实际运行变比的 节点 电压可能取 1 0 也可能取 1 05 这两者的不同组合均有所采用 若了解短路电 流计算的要求 计算人员可以对所得的计算结果进行适当的加工 有的商业软件 也提供了灵活的短路电流计算条件设置功能 2 3 短路的计算 2 3 1 计算短路点的电压和电流 原始给出的系统图如图 2 1 所示 R EU I d d 本科生课程设计 论文 5 G G4 4 L24 2 S2 L14 L12 G3 1 L13 1 k 3 S1 T 图 2 1 系统图 原系统的等效电路图如图 2 2 所示 图 2 2 系统等效电路图 本科生课程设计 论文 6 考虑对地支路 当节点 2 发生三相金属短路时 系统等效网络化简过程图如图 2 3 所示 图 2 3 a 系统等效图 图 2 3 b 忽略对地支路 Z4Z13 Z2 ZT 2 3 4 1 VG4 VG3 z s1 Z3 Z5 S2 Z1 S1 Z7Z3 Z5 S2 VG4 VG3 2 Zff S2 E 本科生课程设计 论文 7 图 2 3 c 最简图 由图 2 3 a 所示可求 将对地容纳合并成和 1 Z 2 Z 将等值电路中 星角变换成 14 Z 24 Z 12 Z 3 Z 4 Z 5 Z E 1 短路电压 V 0 短路电流 2 3 2 计算各节点电压 由图 2 3 a 结点 4 和结点 2 的电压为 05 1 4 V0 2 V1 3 V 67 16j 3 00 j3 00 j 1 yy 1 2111 1 Z 29 14j 04 0 03 0 1 j yy 1 j 3112 2 Z 1539 0 j032 0 4 0 j 104 0 j 0805 0 j2 10 4 0 j 080 5 0 j2 10 122414 2414 3 ZZZ ZZ Z 538 10 j39 00 4 0 j 104 0 j 0805 0 j2 10 4 0 j 105 0 j2 10 122414 1214 4 ZZZ ZZ Z 23 10 j27 00 4 01 04 008 05 012 0 4 01 0 4 008 0 122414 1224 5 jjj jj ZZZ ZZ Z 095 0 j026 0 2438 0 j97 001539 0 j032 0 2438 0 j97 001539 0 j032 0 7438 ZZZZ 47 1 j 5 42 8 10 j 30 1 1 S Z 091 0 j59 00 47 1 j 5 42 150 j 47 1 j 5 42 150 j 1136 ST ZZZZ 09 0 058 0 29 14091 0 059 0 29 14 091 0 59 00 267 j jj jj ZZZ 33 4 j 053 1 218 0 j053 0 1 ff f Z E I 218 0 j053 0 23 10 j27 0095 00 j026 0 58ff ZZZ 本科生课程设计 论文 8 根据戴维南定理 2 3 3 计算各支路电流 由图 2 3 a 可求得 2 3 4 忽略对地支路 节点 3 发生三相金属短路 忽略对地支路 当节点 2 发生三相金属短路时 由图 2 3 b 忽略对地支路则 E 1 短路电压 V 0 短路电流 68 2 05 1 107 0053 0 1 j jZ E I ff f 0027 055 0 23 10 j27 001539 0 j032 0 1539 0 j032 0 5 015 01 53 3 1 j ZZ Z V 52 2 j 5 0 4 0 j08 0 005 1 24 24 24 Z VV I 815 1852 4 5 0 j12 0 0027 0 j55 0 5 01 14 14 14 j Z VV I 295 1317 0 4 01 0 00027 0 55 0 12 21 12 j j j Z VV I 85 21 j 007 0 5 10 j2 0 j 0027 0 j55 01 13 13 13 T ZZ VV I 095 0 0264 0 244 0098 01539 0 032 0 244 0098 0 1539 0 032 0 6438 j jj jj ZZZZ 107 0 j0534 0 23 10 j27 0095 00 j264 00 58ff ZZZ 本科生课程设计 论文 9 第 3 章 系统的调试与仿真 通过对系统的分析以及计算结合 MATLAB 所学知识 对系统进行了调试与 仿真仿真模型如图 3 1 所示 图 3 1 仿真模型图 在稳态时 故障点各相电流由于三相故障发生器处于断开状态 因而值都 为 0 在 0 001s 时 三相短路故障发生器闭合 因此电路发生三相短路 故障点各 相电流发生变化 由于闭合时有初始输入量和初始状态量 因而故障点各相电流 波形上升或者下降 在 0 04s 后 由于三相短路故障发生器再次断开 相当于故 障排除 因此故障点各相电流迅速下降为 0 电力系统三相短路仿真结果如图 3 2 所示 本科生课程设计 论文 10 图 3 2 发生三相短路各点电流波形 在稳态时 故障点各相电流由于三相故障发生器处于断开状态 因而三相电压实 际上是加载在输电线路 L12 上的电压 在 0 01s 时 三相电路故障发生器闭合 因此发生三相短路 故障点三相电压由于发生三相接地短路 此时三相电压实际 上是加载在输电线 L12 上的电压 发生暂态波动 本科生课程设计 论文 11 图 3 3 节点 2 电压波形 在稳态时 故障点电流正序分量由于三相电流短路故障发生器处于断开状态 因而幅值为 0 相角为 0 在 0 01s 时 三相电流短路故障发生器闭合 此时电路发 生三相短路 故障点电流正序分量得幅值下降 至 0 06s 时幅值为 0 故障点电流 正序分量的相角继续