故障分析课设报告

山东交通学院 电力系统故障分析课程设计 电力系统故障分析课程设计电力系统故障分析课程设计 报告书报告书 院院( (部部) )别别 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 姓姓 名名 学学 号号 指导教师指导教师 2 课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书 题题 目目 基于基于 Matlab 的电力系统故障分析的电力系统故障分析 院院 (部部) 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 专专 业业 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 班班 级级 学生姓名学生姓名 学学 号号 5 月月 26 日至日至 6 月月 6 日日 共共 2 周周 指导教师指导教师(签字签字) 负责人负责人(签字签字) 年年 月月 日日 3 目录目录 摘摘 要要.4 ABSTRACT.4 1 电力系统故障分析的意义电力系统故障分析的意义.5 2 电力系统故障分析电力系统故障分析.5 2.1 故障概述.5 2.2 故障类型.6 2.3 故障概率.6 2.4 短路计算的基本原则和规定.7 2.5 短路点选择原则.9 2.6 短路电流计算的基本步骤.9 2.7 电力系统故障分析计算.9 3 电力系统故障仿真电力系统故障仿真.13 3.1 三相短路系统仿真模型及各模块参数设置.13 3.2 仿真结果分析.19 4 结论结论.26 参考文献参考文献.27 4 摘摘 要要 本设计分析了电力系统短路故障的电气特征，并利用 Matlab/Simulink 软件对其 进行仿真，进一步研究短路故障的特点。通过算例对电力系统短路故障进行分析计 算。然后运用 Matlab/Simulink 对算例进行电力系统短路、断路故障仿真，得出仿真 结果。并将电力系统短路故障的分析计算结果与 Matlab 仿真的分析结果进行比较， 从而得出结论。结果表明计算结果与仿真结果差别不大，运用 Matlab 对电力系统短 路故障进行分析与仿真，能够准确直观地考察电力系统短路故障的动态特性，验证 了 Matlab 在电力系统仿真中的强大功能。 关键词：短路故障；Simulink 分析；短路、断路电流计算 Abstract This introduction to the power syetem short-circuit fault analysis method and simulation of Matlab/simulink basic features.First analysis and calculation of power system short-circuit fault,and then use Matlab/simulink to power system short-circuit fault simulation ,obtain simulation results.Compare power system short-circuit fault analysis and calculation of results with the results of Matlab simulation and analysis so as to arrive at conclusions.It shows that using Matlab power system short-circuit fault analysis and simulation can accurately and visually inspect the dynamic characteristics of power system short circuit fault analysis and visually inspect the dynamic characteristics of power system short circuit fault and verified in power system simulation of Matlab. Keywords: Fault analysis; Simulink simulation；Calculation of short-circuit current 5 1 电力系统故障分析的意义电力系统故障分析的意义 电力系统发生使对称结构遭受破坏的短路或断路故障，由于短路会产生十分严 重的后果，因而引起了高度重视。除尽量消除导致短路、断路的原因外，还应在短 路、断路故障发生后及时采取措施，尽量减少短路造成的损失，如采用继电保护将 故障隔离，在合适的地点装设电抗器以限制短路电流，采用自动重合闸消除瞬时故 障使系统尽快恢复正常等。这些措施均须建立在故障计算的基础上。在发电厂、变 电所以及整个电力系统的设计工作中，都必须事先进行短路计算，以此作为合理选 择电气接线、选用有足够热稳定度和动稳定度的电气设备及载流导体、确定限制短 路电流的措施、合理配置各种继电保护并整定其参数等的重要依据。因此故障计算 对于电力系统的设计和安全运行具有十分重要的意义。 2 电力系统故障分析电力系统故障分析 2.1 故障概述故障概述 短路和断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（对于中性点接地的系统）发生系统通路的情况。所谓断路，是指一切不 正常的相与相之间或相与地不发生系统通路的情况。电力系统在运行中，相与相之 间或相与地（或中性线）之间发生非正常连接（即短路）时流过的电流。其值可远 远大于额定电流，并取决于短路点距电源的电气距离。例如，在发电机端发生短路 时，流过发电机的短路电流最大瞬时值可达额定电流的1015倍。大容量电力系 统中，短路电流可达数万安。这会对电力系统的正常运行造成严重影响和后果。 1 6 2.2 故障类型故障类型 三相系统中发生的短路有 4 种基本类型：三相短路，两相短路，单相对地短路 和两相对地短路。其中，除三相短路时，三相回路依旧对称，因而又称对称短路外， 其余三类均属不对称短路。在中性点接地的电力网络中，以一相对地的短路故障最 多，约占全部故障的 90。在中性点非直接接地的电力网络中，短路故障主要是各 种相间短路。表 2.1 给出这几种短路的简略记号。三相系统中发生的断路有 2 种基本 类型：单相断路和两相断路。 表表 2.12.1 短、断路的简略记号短、断路的简略记号 短路类型示意图代表符号 三相短路 二相短路 单相短路 二相短路接地 单相断路 二相断路 )3( F )2( F )1( F )1 . 1( F 2.3 故障概率故障概率 运行经验指出，架空输电线是电力系统中比较薄弱的环节，发生短路的几率最 高，我国某电力系统多年统计出在不同范围内发生短路故障的相对次数列出如表 7 2.2。 表表 2.22.2 不同范围能发生短路故障几率不同范围能发生短路故障几率 线路范围发生几率 在 110kV 线路上 容量为 6000kW 以上的发电机 110kV 变压器 110kV 母线 78.0% 7.5% 6.5% 8.0% 表表 2.3 110kV110kV 线路上各种类型短路故障几率线路上各种类型短路故障几率 短路类型发生几率 三相短路 二相短路 二相短路接地 单相短路 5% 4% 8% 83% 从表 2.3 中的数字中可以看出单相短路几率占压倒性多数，国外的运行经验也证 明了这一点。三相短路的几率是很小的，但这并不说明三相短路无关紧要，相反对 三相短路应该加以重视，因为三相短路的情况最严重，有时为了最后论断电力系统 在短路情况下工作的可能性，他起着决定性的作用。此外，研究三相短路之所以重 要，还由于我们在分析计算不对称短路时，往往把不对称短路看成某种假定的三相 短路来处理。 2.4 短路计算的基本原则和规定短路计算的基本原则和规定 电力系统三相短路计算主要是短路电流周期分量的计算，在给定电源电势时， 实际就是稳态交流电路的求解。 在电力系统短路电流的工程计算中，许多实际问题的解决（如电网设计中的电 气设备选择）并不需要十分精确的结果，于是产生了近似计算的方法。在近似计算 中主要是对系统元件模型和标么值参数计算做了简化处理。在元件模型方面，忽略 发电机、变压器和输电线路的电阻，不计输电线路的电容，略去变压器的励磁电流 （三相三柱式变压器的零序等值电路除外） ，负荷忽略不计或只做近似估计。在标么 8 值参数计算方面，在选取各级平均电压做为基准电压时，忽略各元件(电抗器除外) 的额定电压之比，即所有变压器的标么变比都等于1。此外，有时还假定所有发电 机的电势具有相同的相位，加上所有元件仅用电抗表示，这就避免了复数运算，把 短路电流的计算简化为直流电路的求解。 短路计算的目的是为了选择导体和电器，并对其进行相关校验。 基本假定：短路电流实用计算中，采用以下假设条件和原则： （1）正常工作时，三相系统对称运行； （2）所有电源的电动势相位角相同； （3）系统中的同步和异步电机为理想电机，不考虑电机饱和、磁滞、涡流及导 体集肤效应等影响；转子结构完全对称；定子三相绕组空间相差120电气角； （4）电力系统中各原件的磁路不饱和，即带铁芯的电气设备电抗值不随电流大 小变化； （5）电力系统中所有电源都在额定负荷下运行，其中50%负荷接在高压母线 上，50%负荷接在系统侧； （6）同步电机都具有自动调整励磁装置（包括强行励磁） ； （7）短路发生在短路电流为最大值的瞬间； （8）不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流； （9）除计算短路电流的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的电阻都 略去不计； （10）元件的计算参数均取其额定值，不考虑参数的误差和调整范围； （11）输电线路的电容略去不计； （12）用概率统计法制定短路电流运算曲线。 一般规定： （1）验算导体和电器动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短路电流，应按 本工程的设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划（一般为本期工程建 成的510年） 。确定短路电流时，应按可能发生最大短路电流的正常接线方式，而 不应按仅在仅在切换过程中可能并列运行的接线方式； 9 （2）在电气网络中应考虑具有反馈作用的异步电动机的影响； （3）选择导体和电器时，对不带电抗器回路的计算短路点应选择在正常接线方 式时短路电流为最大的地点。对加装电抗器的610KV 出线与厂用分支线回路，除 其母线和母线隔离开关之间隔板前的引线和套管，计算短路点应选择在电抗器前， 其余导体和电器的计算短路点一般选择在电抗器后； （4）导体和电器的动稳定、热稳定和电器的开断电流，一般按三相短路验算。 若发电机出口的两相短路或中性点直接接地系统及自耦变压器等回路中的单相、两 相接地短路较三相严重时，则应按严重情况计算。 2.5 短路点选择原则短路点选择原则 短路计算点是指在正常接线方式时，通过电器设备的短路电流为最大的地点。 所选的短路点一定要是各种短路类型是最严重的情况，因为只要这样才能得出变压 器中性点的最大入地电流，算出后才能进行接地电阻允许值的计算。而且一般不止 选择一个短路点，而是通常选择 23 个分别进行计算，然后将计算结果进行比较。 2.6 短路电流计算的基本步骤短路电流计算的基本步骤 在进行短路电流计算前，应根据计算的目的搜集有关资料，如电力系统接线图、 运行方式、各元件的技术数据等。进行计算时，首先作出计算电路图，再根据计算 电路图对各短路点作出等值电路图；然后利用网络简化规则，将等值电路逐步简化， 求出短路回路总电抗；最后根据总电抗可求出短路电流值。 2.7 电力系统故障分析计算电力系统故障分析计算 题目要求题目要求 某系统接线如下图所示，电源的次暂态电动势及各元件的序电抗均已知。当 K 点发生 c 相接地 短路时，求短路起始瞬间故障点处的各序电气量，并画出故障点处的电压电流相量图。 10 G2 G1 MN 10.5kv 115kv T1 T2 10.5kv L K (1) M E N E 各元件的参数如下： 发电机 G1 31.25MVA 10.5KV %12.5 d X 2% 16X 11 M EKV G2 31.25MVA 10.5KV %12.5 d X 2% 16X 10.5 N EKV 变压器 T1 31.25MVA 10.5/121KV %10.5 K U T2 31.25MVA 10.5/121KV %10.5 K U 线路 1201 0.4/,3 ,40 xxkm xx Lkm 单相断路故障分析的计算过程 解： 1.计算各序网络的等值参数 K 点发生了 C 相接地短路,=100MVA 10.5KV ， 以 C 相为基准相. B S Bav UU 正序等值网络： 1(1)* %12.5 100 0.4 100100 31.25 dB GB N XS X S 1(1)* %10.5 100 0.336 100100 31.25 KB TB N US X S 1(1)*1 22 100 0.4 400.121 115 B LB B S XX L U 2(1)* %12.5 100 0.4 100100 31.25 dB GB N XS X S 2(1)* %10.5 100 0.336 100100 31.25 KB TB N US X S 11 K1 jx N1 jx M1 M E NE 1kcU j0.4j0.336j0.121j0.336j0.4 1kcI N1 负序等值网络： 2 1(2)* %16100 0.512 100100 31.25 B GB N XS X S 2 2(2)* %16100 0.512 100100 31.25 B GB N XS X S 1(2)* %10.5 100 0.336 100100 31.25 KB TB N US X S 2(2)* %10.5 100 0.336 100100 31.25 KB TB N US X S 1(1)*1 22 100 0.4 400.121 115 B LB B S XX L U K2 jx N2 jx M2 2kcU j0.512j0.336j0.121j0.336j0.512 2kcI N2 零序等值网络： 1(0)* %10.5 100 0.336 100100 31.25 KB TB N US X S 12 0(0)* %10.5 100 0.336 100100 31.25 KB TB N US X S 1(0)*1 22 100 33 0.4 400.363 115 B LB B S XX L U 0kcU j0.336j0.363j0.336 0kcI K0 N0 jx N0 jxM 0 各序网络的等值参数： 11 1 0.857 0.736 / /0.4 0.8570.736 MN XXX 11 11 1.05 0.736 1 0.857 1.02 0.8570.736 MNNM MN E XE X E XX 22 2 0.969 0.848 / /0.45 0.9690.848 MN XXX 00 0 0.699 0.336 / /0.23 0.6990.336 MN XXX 1.021.02 90Ej 计算各序电气量及各向量： C 相短路，以 C 相为基准的边界条件： =; 01KCI 2KCI 3KCI KCU 1KCU 2KCU 3KCU 根据边界条件，将三个序网络串联起来： 13 1 Z 0 Z 2 Z 1aE 正正序序 负负序序 零零序序 1ka U 2ka U 0ka U 1kaI 2kaI 0kaI (1) 由复合序网故障点处的各序电流电压及序功率 0 120 123 1.02 0.944 0.40.450.23 K KCKCKC Uj III ZZZj 0 00 0.944 0.230.217Kc Kc Uj IXjj 2 22 0.944 0.450.425Kc Kc Uj IXjj 120()(0.2170.425)0.642KcKCKCUUUjjj 1110.642 0.9440.606KcKcKcSUIjj 2220.425 0.9440.401KcKcKcSUIjj 0000.217 0.9440.205KcKcKcSUIjj (2) 求故障点处的各项电流、电压 0KaKbII 133 0.9442.832KcKcII 2 20 2 19.4340.6 0.6420.4250.2170.9240.325 0.9790.979 KaKcIKcKc jj UUUU jjjj ee 14 2 20 2 199.4 0.6420.4250.2170.9240.325 0.979 KbKcIKcKc j UUUU jjjj e j0.642-j0.425-j0.217=0 KCU （3）：画出短路点电流，电压向量图： 根据短路处的边界条件： ,。按一定比例1200.944,KCKCKCIII 10.642KcUj 2 0.425 Kc Uj 0 0.217 Kc Uj 画出 K 点电流，电压的向量图如下图： 1KCU 2KaU KaU 1kaU 0kU 2KCU 1kbU kbU 2kbU kcI 0 kbkaII 012kckckcIII 2kaI 1kbI 2kbI 1kaI （4）求各电气量的有名值 短路点所在电压等级的电压、电流基值为; 115 66.4 3 B UKV 100 0.502 3 115 B IKA 2.832 0.5021.422 Kc IKA 0.979 66.465.0 KaKb UUKV 1 0.606 66.4 0.50220.20 Kc SMVA 2 0.401 66.4 0.50213.37 Kc SMVA 0 0.205 66.4 0.5026.83 Kc SMVA 15 3 电力系统故障仿真电力系统故障仿真 3.1 三相短路系统仿真模型及各模块参数设置三相短路系统仿真模型及各模块参数设置 图 3.1 电力系单相故障系统仿真模型 （1）三相电源模块 三相电源原件是电力系统设计中最常见的电路原件，也是最重要的原件，其运 行特性对电力系统的运行状态起到决定性的作用。三相电源原件提供了带有串联 RL 支路的三相电源。 三相电源模块参数设置包含 7 个选项，分别是相电压（Phase-to-Phase rms voltage） ，表征的是三相电源 A 相、B 相和 C 相的相电压；A 想相角（phase angle of 16 phase A） ，单位是度（degrees） ；频率（Frequency） ；内部连接方式（Internal connection） ；短路阻抗值（Specity impedance using short-circuit level） ，用来设定在短 路情况下的阻抗数值；三相电源电阻（Source resistance） ；三相电源电感；其中，内 部链接方式有 3 种，分别是：Y 型，表示中性点不接地；Yn 型，表示中性点接地电 阻或消弧线圈接地；Yg 型，表示中性点直接接地。 图 3.2 三相电源模块的参数 （2）三相线路模块 17 图 3.3 三相线路模块参数 （3）三相变压器模块 （1）变压器模块 变压器模块是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级绕组中通有交流电流 时，铁心（或磁心）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流） 。变压 器由铁心（或磁心）和绕组组成，绕组有两个或两个以上的绕组，其中介电源的绕 组叫初级绕组，其余的绕组叫次级绕组。按电源相数来分，变压器单相、三相和多 相几种形式。他的重要特性参数主要有： 工作频率：变压器铁心损耗与频率有很大的关系，故应根据使用频率来设计 和使用，这个频率称工作频率。 额定频率：在规定的频率和电压下，变压器能长期工作，而不超过规定温升 的输出功率。 额定电压：指在变压器的绕组上所允许施加的电压，工作时不得大于该电压。 电压比：指变压器初级电压和次级电压的比值，有空载电压比和负载电压比 的区别。 空载电流：变压器次级开路时，初级仍有一定的电流，这部分电流称为空载 18 电流。 空载损耗：指变压器次级开路时在初级测得的功率损耗。主要损耗是铁心损 耗，其次是空载电流在初级绕组铜祖上产生的损耗（铜损） ，这部分消耗很小。 效率：指次级功率与初级功率比值的百分比。通常变压器的额定功率越 2 P 1 P 大，效率就越高。 （2）标么值参数系统介绍 为了便于工业应用，通常要将有名值转换为标么值，而这需要知道相应绕组的 额定功率（ P ，单位 VA） 、额定电压（V ,单位 V）以及额定频率（f ,单位 Hz） 。 nnn 对每一个绕组，其电阻和电抗的标么值定义如下： )( .).( base up L L R (3-1) )( .).( base up L L L (3-2) n n base P V R 2 )( (3- 3) n base f R L 2 (3-4) 式中：V 、P 和 f 分别为一次绕组的额定电压，额定功率和额定频率。 nnn （3）双绕组三相变压器 双绕组三相变压器的两个绕组可以接成多种形式，如星形 Y、带中性线的星形 Yn、星形接地 Yg、三角形（超前星形 30）它们可以通过该功能模块。 11 D 19 图 3.4 变压器模块的参数 （4）三相电压电流测量模块 三相电压电流测量模块“Three-PhaseV-I Measurement”将在变压器低压侧测量 到的电压、电流信号转变成 Simulink 信号，相当于电压、电流互感器的作用。 20 图 3.5 三相电压电流测量模块的参数 （5）三相故障模块 三相故障模块提供了一种可编程的相间（phase-to-phase）和（phase-to-ground） 故障断路器中。三相故障模块使用了三个独立的断路器，用来模拟各种对地或者相 间故障模型。 三相故障模块中的断路器的开通和关断时间可以由一个 Simulink 外部信号（外 部控制模式）或者内部控制定时器（内部控制模式）来控制。 如果不设计接地故障，接地电阻（Ground resistance）Rg 自动被设置为 10。 6 举例说明如下：当设置一个 A、B 相间短路故障模型时，只需要设置 A 相故障和 B 相故障属性参数；当设置一个 A 相接地故障模型时，只需要同时设置 A 相故障和接 地故障属性参数，并且要指定一个小的接地电阻值。需要注意的是： 如果三相故障模块被设置为外部控制（External control）模式时，在模块的 封装图表中就会出现一个控制输入端。连接到这个输入端的控制信号必须是 0 或者 1 之类的脉冲信号（其中 0 表示断开断路器，1 表示闭合断路器） 。 当三相故障模块被设置为内部控制模式（internal control mode）时，其开关时 21 间（switching times）和开关状态，均在该模块的属性参数对话框中进行设置。 3.2 仿真结果分析仿真结果分析 仿真效果图如下所示 （一）正常状态下个测量点电压、电流波形图 （1）电源端电压与电流 电源端电压 22 电源端电流 （2）变压器端电压与电流 变压器端电压 23 变压器端电流 (3)负载端电压与电流 负载端电压 24 负载端电流 （二）C 相接地短路状态下个测量点电压、电流波形图： 电压波形图： 25 电流波形图： 26 27 4 结论结论 本论文介绍了电力系统故障和 Matlab/Simulink 的基本特点，探索了电力系统故 障中最常见的短路计算一些常用的计算方法，和 Matlab 应用的基本方法和步骤，在 Matlab 软件中电力系统仿真如何应用 SimPowerSystems 模块库构建电力系统故障的 仿真模型并对其仿真结果进行分析，得出一下结果：应用 Matlab/simulink 进行仿真 分析的结果和理论计算的结果相差不大，Matlab 仿真工具是一种很实用的工具。 随着计算机仿真技术已成为电力系统研究、规划、设计和运行等各个方面的重 要方法和手段，由于 Matlab 具有良好的开发性。高效的数据仿真分析，特别是信号 处理和直观的图形显示功能，且 Matlab/simulink 环境下的 SimPowerSystems 模型库 及 Simulink 强大的二次开发功能和丰富的工具箱，能快速而准确的对电路及更复杂 的电力系统进行仿真、计算。因此，它已成为电力科研工作者和工程技术人员应用 它来进行电力系统有关问题的仿真分析和辅助