电力系统两相短路计算与仿.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 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 13 07 01 至至 13 07 12 本科生课程设计 论文 1 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 注 成绩 平时20 论文质量60 答辩20 以百分制计算 G1 T1 1 L2 2 T2 G2 1 k k 1 L1 L3 3 S3 本科生课程设计 论文 2 摘 要 生产 输送 分配 消费电能的各种电器设备连接在一起而组成的整体称为 电力系统 电力系统中输送和分配电能的部分称为电力网 在电力系统和电力网 的实际运行中 由于雷击 温度等意外情况的存在 电力系统短路时有发生 极 大的破坏电力系统设备 影响电网及用户的生产生活 对称分量法是电力系统短 路计算的常用方法 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 和电流的各序分量本文主要采用了对称分量法对电力系统两相短路的情况进行分 析和计算 关键词 两相短路 电力系统计算 对称分量法 本科生课程设计 论文 3 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 电力系统短路计算概述 1 1 1 1 短路的一般概念 1 1 1 2 短路的危害 1 1 1 3 短路计算的目的 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 2 2 1 对称分量法基本原理 2 2 2 三相序阻抗及等值网络 2 2 3 两相不对称短路的计算步骤 3 第 3 章 电力系统两相短路计算 5 3 1 系统等值电路及元件参数计算 5 3 2 系统等值电路及其化简 6 3 3 两相短路计算 9 第 4 章 短路计算的仿真 11 4 1 仿真模型的建立 11 4 2 仿真结果及分析 11 第 5 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 电力系统短路计算概述 1 1 1 短路的一般概念 短路是电力系统的严重故障 所谓短路 是之一切不正常的相与相之间或相 与地发生通路的情况 1 1 2 短路的危害 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 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 1 1 3 短路计算的目的 1 选择有足够机械稳定度和热稳定度的电气设备 2 合理配置继电保护和自动装置并确定其参数 3 研究短路对用户的影响 1 2 本文设计内容 为了保护电力系统运行正常 本文模拟了一组电力系统两相短路的过程 采 用了对称分量法计算各元件参数 首先对设计要求中的电路图画出等值电路 忽 略对地支路分别计算短路点 A B C 三相的电压和电流并对在正常运行方式下 不同时刻的 AC 短路进行仿真 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 对称分量法是分析电力系统三相不平衡的有效方法 其基本思想是把三相不 平衡的电流 电压分解成三组对称的正序相量 负序相量和零序相量 这样就可 把电力系统不平衡的问题转化成平衡问题进行处理 在三相电路中 对于任意一 组不对称的三相相量 电压或电流 可以分解为 3 组三相对称的分量 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 ZT1XG1Z1ZT2XG2 Z3Z2 Y120Y210 Y230 Y320 Y130 Y310 21 S3 图 2 1 系统等值电路图 分别为 a 相电流的正序 负序和零序分量并 23 1 2 0 10 1 aaa aaaIII 且有 本科生课程设计 论文 3 2 1 1 1 1 bacaIa IIaI AAAA 2 2 2 2 2 bacaIaIIa I AAAA 2 1 0 0 0 bcaIII AAA 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 1 2 2 2 0 1 1 1 3 111 a a a b a c II aa IaaI II AA AA AA 2 2 1 2 0 aaaaIIII AAAA 展开 2 2 有 1 2 0 bbbbIIII AAAA 1 2 0 ccccIIII AAAA 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 本科生课程设计 论文 4 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 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 如果故障点的 故障点远离 21 ZZ 电源 则两侧短路电流等于该点三相短路电流的倍 2 3 jx1 jx2 Ujb 0 Ijb1 Ijb2 Ufb1 Ufb2 图 2 2 A C 两相短路复合序网络 本科生课程设计 论文 5 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短 12 ZZ 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的2 3 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 6 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 MWSN5 10 2 26 0 X 变压器 T1 MWSN 5 31 1 KVKT121 5 10 1 5 10 Vs 220kwPs 变压器 T2 MWSN5 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 0 R08 333 负荷 S3 45MVA 功率因数均为 0 9 解题过程如下 1 计算各元件标幺值 取 aVBB VVAMVS 100 发电机 G1 22 12 22 10 5100 XX 0 26 0 825 31 510 5 nb nb VS X SV 发电机 G2 22 12 22 10 5100 XX 0 26 0 825 31 510 5 nb nb VS X SV 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 变压器 T2 2 12 2 10 5100 X 0 33 10010031 5 stb tb VVS X SV 线路 L1 0 22 121 100 80 4 0 X 22 121 b b V S lXX 本科生课程设计 论文 7 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 S 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 0 15 0175 0 25 0 15 0175 025 0 1 50 0333 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 3 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 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 1 所示 图 3 1 电力系统接线图 本科生课程设计 论文 8 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 0 E1 0 55 0 1590 0960 1670 55 1 0 e2 0 1020 104 1 053 V b 1 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 经转化后的正序网络如图 3 3 所示 本科生课程设计 论文 9 1 0 E1 0 55 0 1590 1670 55 1 0 e2 0 035 1 053 Vb 1 0 0320 083 图 3 3 星角变换后正序网络图 将正序图合并电抗后为 Z1 0 741 Z2 0 75 Z3 1 088 1 0 E1 1 0 E2 V b 1 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 10 0 55 0 1590 0960 1670 55 0 1020 104 1 053 V b 2 图 3 5 负序网络 将负序图合并电抗后图 3 6 所示 0 741 Z5 0 75 Z6 1 088Z7 Vb 2 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 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 本科生课程设计 论文 11 1 75 0 741 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 7 所示 jXff 1 Vb 1 Eeq 图 3 7 正序网络等值电路 461 1088 1373 0 34 1 jjjZZZ ff 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 8 所示 jXff 2 Vb 2 图 3 8 负序网络等值电路 461 1088 1373 0 78 2 jjjZZZ ff 将图 3 7 和图 3 8 合并成两相短路复合序网如图 3 9 所示 本科生课程设计 论文 12 jXff 2 Eeq Vb 1 Vb 2 图 3 9 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 342 0 461 1 461 1 1 2 1 1 j j XXj E I ffff eq fb 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 1 1 0 5 2 fafbfb VVV 1 1 0 5 2 fcfafbfb VVVV 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 根据以上数值的计算及系统等值电路 可建立仿真模型如图 4 1 所示 图 4 1 仿真模型图 Continuous powergui A B C Three Phase Source1 A B C Three Phase Source A B C A B C Three Phase Fault A B C a b c Three Phase Transformer Two Windings 1 A B C a b c Three Phase Transformer Two Windings A B C Three Phase Series RLC Load Scope6 Scope5 Scope4 Scope3 Scope2 Scope1 Scope 3 Multimeter Line3 abc Mag Phase Discrete 3 phase Sequence Analyzer Fundamental i Current Measurement2 i Current Measurement1 i Current Measurement i 5 i 4 i 3 Line2 Line1 本科生课程设计 论文 14 4 2 仿真结果及分析 图 4 2 故障点 A 相电流 图 4 3 故障点 B 相电流 本科生课程设计 论文 15 图 4 4 故障点 C 相电流 图 4 5 故障点三相电流波形图 在开始时 三相电路短路故障发生器闭合 此时电路发生 A C 两相短路 故障点 A 相电流发生变化 由于闭合时有初始输入量和初始状态量 因而波形下 移 呈正弦波形变化 在 0 04s 时 三相电路短路故障发生器断开 相当于排除 了故障 此时故障点 A 相电流迅速上升为 0A 故障点 C 相电流与 A 相电流大小相等 方向正好相反 在 A C 发生