电力系统两相短路计算与仿真

1 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 电力系统两相短路计算与仿真 电力系统两相短路计算与仿真 1 院 系 院 系 电电 气气 工工 程程 学学 院院 专业班级 专业班级 092 班班 学学 号 号 0903030 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 12 07 02 至至 12 07 13 本科生课程设计 论文 2 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 26 T1 SN 31 5MVA Vs 9 5 k 10 5 121kV Ps 220kW Po 33kW Io 0 9 YN d 11 T2 SN 31 5MVA Vs 10 5 k 10 5 121kV Ps 180kW Po 30kW Io 0 8 YN d 11 L1 线路长 80km 电阻 0 17 km 电抗 0 4 km 对地容纳 2 78 10 6S km L2 线路长 75km 电阻 0 2 km 电抗 0 42 km 对地容纳 2 88 10 6S km L3 线路长 80km 电阻 0 17 km 电抗 0 4 km 对地容纳 3 08 10 6S km 负荷 S3 45MVA 功率因数均为 0 9 任务要求 节点 3 发生 AC 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 AC 两相短路进行 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 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 G1 T1 1 L2 2 T2 G2 1 k k 1 L1 L3 3 S3 本科生课程设计 论文 3 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 4 摘 要 电力系统自动化 automation of power systems 对电能生产 传输和 管理实现自动控制 自动调度和自动化管理 电力系统是一个地域分布辽阔 由发电厂 变电站 输配电网络和用户组成的统一调度和运行的复杂大系统 在电力系统的设计和运行中 必须考虑到可能发生的故障和不正常的运行情 况 防止其破坏对用户的供电和电气设备的正常工作 从电力系统的实际运 行情况看 这些故障多数是由短路引起的 例如短路时电路的电压骤降 严 重影响电气设备的正常运行 短路时保护装置动作 如熔断器的保险丝熔断 将短路电路切除 这会造成停电 而且短路点越靠近电源 停电范围越大 造 成生活的不便和经济上的损失 严重的短路会影响电力系统运行的稳定性 可使并列运行的发电机组失去同步 造成系统解列 不对称短路 像单相短路 和两相短路 因此除了对电力系统的短路故障有一较深刻的认识外 还必须 熟练掌握电力系统的短路计算 这里着重介绍简单不对称故障两相短路接地 的常用计算方法 对称分量法是分析不对称故障常用方法 根据对称分量法 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 在应 用对称分量法分析计算不对称故障时必须首先作出电力系统的各序网络 通 过网络化简求出各序网络对短路点的输入电抗以及正序网络的等值电势 再 根据不对称短路的不同类型 列出边界方程 以求得短路点电压和电流的各 序分量 关键词 两相短路故障 短路计算 对称分量法 本科生课程设计 论文 5 目 录 第 1 章 绪论 5 1 1 电力系统短路计算概述 5 1 2 本文设计内容 5 第 2 章 电力系统不对称短路计算原理 7 2 1 对称分量法基本原理 7 2 2 三相序阻抗及等值网络 7 2 3 两相不对称短路的计算步骤 8 第 3 章 电力系统两相短路计算 11 3 1 系统等值电路及元件参数计算 11 3 2 系统等值电路及其化简 13 3 3 两相短路计算 15 第 4 章 短路计算的仿真 18 4 1 仿真模型的建立 18 4 2 仿真结果及分析 19 第 5 章 总结 20 参考文献 21 本科生课程设计 论文 6 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 即在不同 地点同时发生短路或断线 而最为常见和对电力系统影响最大的是短路故障 因此 故障分析重点是对短路故障的分析 所谓短路 是指一切不正常的相与 相之间或相与地之间 对于中性点接地的系统 发生通路的情况 电力系统短路故障发生的原因很多 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同 但是 根本原因 是电气设备载流部分相与相之间或相与地之间的绝缘遭到破坏 主要有 元件 损坏 气象条件恶化 违规操作和其他 短路的危害性 1 短路故障时短路点附近的支路中出现比正常值大许多倍的电流 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 可能使导体和它们的支 架遭到破坏 2 短路电流使设备发热增加 短路持续时间较长时 设备可能过热以致损 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 电压下降时 电动机的电磁转矩显著减少 转速随之下降 当 电压大幅下降时 电动机甚至可能停转 造成产品报废 设备损坏等严重后果 3 当短路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 造成大片区停电 这是短路故障最严重的后果 本科生课程设计 论文 7 1 2 本文设计内容 学习两相短路故障的常用计算方法 对称分量法是分析故障常用方法 根 据对称分量法 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 在应用对称分量法分析计算不对称故障时必须首先作出电力系统的各 序网络 通过网络化简求出各序网络对短路点的输入电抗以及正序网络的等值 电势 再根据不对称短路的不同类型 列出边界方程 以求得短路点电压和电 流的各序分量 通过对系统的两相短路故障的计算 认识短路故障对电力系统的影响 为 保证系统安全可靠地运行 减轻短路造成的影响 除在运行维护中应努力设法 消除可能引起短路的一切原因外 还应尽快地切除短路故障部分 使系统电压 在较短的时间内恢复到正常值 本科生课程设计 论文 8 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 2 2 三相序阻抗及等值网络 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 分别为 a 相电流的正序 负 1 01 32 aaa 0 2 1 aaa III 序和零序分量并且有 1 1 1 2 1 aca b IaIIaI 2 2 2 2 2 aca b IaIIaI 2 1 0 0 0 cb a 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 2 c b a a a a I I I aa aa I I I 111 1 1 3 1 2 2 0 2 1 本科生课程设计 论文 9 展开 2 2 有 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 3 两相不对称短路的计算步骤 确定计算条件 画出计算电路图 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 3 画等值电路 计算参数 4 网络化简 分别求出短路点至各等值电源点之间的总电抗 分别画出各段路点对应的等值电路 星角变化 两相短路时 假定在 K 点发生 AC 两相短路 这种情况下以相量表示的边界条 件方程如下 2 1 0 fb I fafc II fbfc UU 转换为对称分量 0 3 1 0fb ftfbfa IIII 3 3 1I 2 1ftftfbfafb jIaIIIa 3 3 1I 2 2ftftfbfb IIaaI 2 2 可得 2 3 12fbfb II 0 0 fb I 即 2 4 12fbfb UU 于是 以序分量表示的 AC 相短路的边界条件为 2 5 0 0 fb I 12fbfb II 12fbfb UU 0 2 1 aaaaIIII 0 2 1 ccccIIII 0 2 1 bbbbIIII 本科生课程设计 论文 10 应当注意 AC 相短路时选基准相为 B 相 故障点基准相的序电流 序电压 才有式 2 5 的关系 B 相和 C 相的序电流 序电压就没有这样的关系 当然 AC 相短路时选 B 相为基准相 AB 相短路时选 C 相为基准相 其故障点的序电流 序电压同样有这一关系 与之间的相位差为 1fb U 1fb I 2 6 12 2 k x tg R 由此可知 等于系统负序阻抗的阻抗角 k 短路点的各序复数功率按下列式进行计算 正序功率 2 7 111 fbfbfb SUI 负序功率 2 8 222 fbfbfb SUI 式中 短路点的正序及负序电流的共轭值 1 fb I 2 fb I 故障处的各相电流 电压序分量计算 说明 如果故障点的 故障点远离电源 则两侧短路电 21 ZZ 流等于该点三相短路电流的倍 2 3 两相短路 AC 故障处电流电压向量图如下 1fa I 2fb I 1fc I 2fa U 1fc U fa U 1fb U fa I fc I fc U 2fb U fb U 2fa I 1fb I 2fc I 2fc U 1fa U 图 2 1 两相短路 AC 故障处电流电压向量图 2 12 本科生课程设计 论文 11 1fb I 1 jx 0 fb U 1fb U 2fb I 1 jx 2fb U 图 2 2 a c 两相短路复合序网络 从以上的分析计算可知 两相短路有以下几个基本特点 1 短路电流及电压中不存在零序分量 2 两故障相中的短路电流的绝对值相等 而方向相反 数值上为正序 电流的倍 3 3 当时 两相短路的故障相电流为同一点发生三相短路时的 12 ZZ 短路电流的倍 因此可以通过对序网进行三相短路计算来近似求两相短路2 3 的电流 4 短路时非故障相电压在短路前后不变 两故障相电压总是大小相等 数值上为非故障相电压的一半 两故障相电压相位上总是同相 但与非故障相 电压方向相反 本科生课程设计 论文 12 第 3 章 电力系统两相短路计算 3 1 系统等值电路及元件参数计算 系统各元件参数如下 发电机 G1 G2 MWSN03 1 MWSN 5 10 2 26 0 X 变压器 T1 MWSN 5 31 1 KVKT121 5 10 1 5 10 Vs 220kwPs T2 MWSN 5 31 2 KVKT121 5 10 2 5 10 Vs 180kwPs 30kwP0 线路 L KmxkmKml 4 0 17 0R08 111 KmxkmKml 24 0 2 0R275 22 KmxkmKml 4 0 17 0R08 333 负荷 S3 45MVA 功率因数均为 0 9 解 1 计算各元件标幺值 取 aVBB VVAMVS 100 发电机 G1 发电机 G2 变压器 T1 0 33 31 5 100 100 10 5 100 X 2 2 21 b b t ts V S S VV X 0 825 10 5 100 31 5 10 5 0 26 XX 2 2 2 2 21 b b n n V S S V X 0 825 10 5 100 31 5 10 5 0 26 XX 2 2 2 2 21 b b n n V S S V X 本科生课程设计 论文 13 变压器 T2 线路 L1 0 22 121 100 80 4 0 X 22 121 b b V S lXX 线路 L2 0 215 121 100 75 24 0 X 22 221 b b V S lXX 线路 L3 0 22 121 100 80 4 0 X 22 121 b b V S lXX 负荷 S3 2 45 100 9 0 X 3 21 S S XX b 2 以 a 相为基准相作出各序网络图求出各序的等值电抗 1 50 0 333 015 0 175 0 25 0 15 0 175 0 25 0 1 50 0 333 0 1 j j jjjj Eeq 289 0 50 0 333 0 15 0 175 025 0 1 jjjX ff 388 0 64 0333 0 15 0 175 032 0 2 jjjX ff 196 0 333 0 3 0175 0 0 jjjX ff 4 求各相电流和电压为 0 0 2 1 fafafafaIIII 77 130 0 2 1 2 642 3 j fafafafbeIIaIaI 77 130 0 2 2 1 642 3 j fafafafbeIIaIaI 933 0 0 2 1 jVVVVfafafafa 0 0 2 1 2 fafafafbVVaVaV 0 0 2 2 1 fafafafbVVaVaV 0 33 31 5 100 100 10 5 100 X 2 2 21 b b t ts V S S VV X 本科生课程设计 论文 14 3 2 系统等值电路及其化简 本课设的电力系统接线图如 3 4 所示 图 3 1 由于电力系统网络主要受影响的系统的电抗 故正序图中只体现电抗的标幺值 其 余忽略不计 将系统图转换为正序网络图如图 3 2 所示 1 01 0 E1E2 0 550 1590 0960 55 0 104 0 167 1 053 Vb 1 0 102 图 3 2 正序网络 正序网络图中出现角型连接 需将其装换成星型才可以继续简化网络 根据星角变化公式 cabcabcaaba ZZZZZZ 3 1 cabcababbcb ZZZZZZ cabcabbccac ZZZZZZ 本科生课程设计 论文 15 经转化后的正序网络如图 3 6 所示 1 01 0 E1E2 0 550 1590 0320 550 0830 167 1 053 Vb 1 0 035 图 3 3 星角变换后正序网络图 将正序图合并电抗后为 0 7410 75 1 088 1 01 0 V b 1 E1Z1Z2E2 Z3 图 3 4 合并后正序网络 因为原始数据的正序 负序的系数相同 那么负序网络与正序网络类似 仅仅是负 序中不存在 负序网络图如图 3 5 所示 本科生课程设计 论文 16 图 3 5 负序网络 将负序图合并电抗后图 3 6 所示 0 7410 75 1 088 Vb 2 Z5Z6 Z7 图 3 6 合并后负序网络 由于系统发生两相短路 非接地 则不存在零序 在此不必画出零序网络 3 3 两相短路计算 根据图 3 6 合并后的正序网络计算和 eq E 1 ff X 1 75 0741 0 75 0 1741 01 21 1221 j jj jjjj ZZ ZEZE Eeq 那么正序图就可尤其等值电路代替 如图 3 8 所示 0 550 1590 096 0 102 0 1670 55 1 053 Vb 2 0 104 本科生课程设计 论文 17 jXff 1 Eeq Ib 1 Vb 1 图 3 8正序网络等值电路 461 1 088 1373 0 34 1 jjjZZZff 373 0 75 0741 0 75 0741 0 12 12 4 j jj jj ZZ ZZ Z 那么正序图就可尤其等值电路代替 如图 3 9 所示 jXff 2 Ib 2 Vb 2 图 3 9负序网络等值电路 461 1 088 1 373 0 78 2 jjjZZZ ff 将图 3 8 和图 3 9 合并成两相短路复合序网如图 3 10 所示 本科生课程设计 论文 18 jXff 1 Eeq Ib 1 Vb 1 jXff 2 Ib 2 Vb 2 图 3 10 两相短路复合序网 利用这个复合序网可以求出 5 0 1 2 2 2 2 1 fbfffbfffbfb IjXIjXVV 短路点故障相的电流为 592 0 3 1 fbfafc IjII A C 两相电流大小相等 方向相反 它们的绝对值为 592 0 3 1 2 fbfcfaf IIII 短路点各相对地电压为 122 1 2 1 0 2 1 fbfffbfbfbfbfb IXjVVVVV 342 0 461 1461 1 1 2 1 1 j j XXj E I ffff eq fb 5 0 2 1 1 fbfbfa VVV 5 0 2 1 1 fbfbfafc VVVV 本科生课程设计 论文 19 第 4 章 短路计算的仿真 4 1 仿真模型的建立 将三相电路短路故障发生器中的故障相选择为 A 相和 C 相故障 即发生 A 相和 C 相 两相短路故障 本科生课程设计 论文 20 4 2 仿真结果及分析 本科生课程设计 论文 21 第 5 章 总结 此课程的设计的目的在于加强对电力系统短路基础理论和基本知识理解 掌握运用 电力系统短路的基础理论知识解决一些简单系统的短路方法 这次课程设计使我感受到 了理论与实际相结合的 还提高了我动手查阅资料的能力还锻炼了自己独立目的及其重 要意义 不但使我对所掌握电力系统短路基础知识有了更深刻的理解思考问题的能力 在做课程设计的过程中 我查阅了很多参考书及运用自己所掌握的知识完成此次设计 在这里我也感谢所有给予我帮助的老师和同学 希望以后有更多的机会来锻炼自己 为 以后的学习 生活打下良好