电网经过渡电阻短路时电流、电压的分析与仿真

1、 电网经过渡电阻短路时电流、电压的分析与仿真东南大学成贤学院毕业设计报告（论文）诚 信 承 诺本人承诺所呈交的毕业设计报告（论文）及取得的成果是在导师指导下完成，引用他人成果的部分均已列出参考文献。如论文涉及任何知识产权纠纷，本人将承担一切责任。 学生签名： 日期：电网经过渡电阻短路的模拟与仿真摘 要短路是电力系统中危害最严重的故障，而现实中短路点往往都存在过渡电阻，为了保证继电保护装置的可靠正常工作，本文重点分析了电网经过渡电阻各种短路时的电气量变化特点，分别讨论了相间短路与接地故障时，电流、电压的变化规律与过渡电阻的关系。理论分析表明：电流、电压随过渡电阻由零到无穷大的变化轨迹均为半圆。相

2、间短路时，两故障相电流大小相等、方向相反，数值随过渡电阻的增大而减小；故障相电压变化情况较为复杂，而非故障相电压变化规律不仅与过渡电阻有关还与故障点等值阻抗有关。其他两种经过渡电阻接地短路时的电流、电压变化规律与之变化情况虽不同但类似。最后利用pscad进行了仿真验证，仿真结果与理论分析相符。 关键词：短路；模拟仿真；过渡电阻；电流电压变化规律；电力系统计算机辅助设计simulation of power system short circuit through fault impedanceabstractshort circuit is the most far-reaching faul

3、t in power system.while there are fault impedance at the fault point.to ensure the reliable operation of protective relaying,this paper is aiming at putting emphasis on the analysis of the changing rule of current and voltage when power system occurs short circuit through fault impedance.this paper

4、discussed the relationship between voltage and current changing rule with fault impedance when line to line short circuit and line to ground fault take place in power system.theoretical analyzes that the track of current and voltage change with the fault impedance ranges from zero to infinity are bo

5、th half a circuit.the current of fault phase of the line to line short circuit are of the same magnitude but in the opposite direction.the magnitude of each current decreases with the increase of the fault impedance .while the voltage rule of the phase in fault is quite complex and the voltage not i

6、n fault changes not only with fault impedance but also with the equal impedance of the fault point.the current and voltage of the two kinds of short circuit are not totally the same but similar to each other.finally pscad analogs the rule of current and voltage . keywords:short circuit;fault impedan

7、ce;change rule;pscad目 录摘 要iabstractii目 录iii第一章 引言11.1 理论背景11.2 目前的研究现状11.3 研究方案1第二章 电网经过渡电阻短路故障电流电压变化规律的理论分析22.1 初步分析22.2 两相经过渡电阻接地短路42.2.1 短路点k的电流电压变化规律42.2.2 高压母线m出的各相电流电压变化规律82.2.3 发动机电压侧h点的各相电压电流变化规律92.3 单相经过渡电阻接地短路112.3.2 高压母线m点的电流电压变化规律142.3.3 发电机电压侧h点的电流电压变化规律152.4 两相经过渡电阻接地短路162.4.1 短路点k的各相电

8、流电压变化规律162.4.2 高压母线上m点的各相电流电压变化规律212.4.3 发电机电压侧h点的各相电流电压变化规律22第三章 电网经过渡电阻短路的电压电流模拟仿真253.1 两相经过渡电阻短路的软件模拟仿真253.2 单相经过渡电阻接地短路的软件模拟仿真293.3 两相经过渡电阻接地短路的软件模拟仿真31第四章 数据采集与分析34第五章 结束语37致 谢38参考文献39第一章 引言1.1 理论背景电力系统在发生各种短路时，短路点往往都存在过渡电阻，而这些电阻又都可能在很大的范围内变化。例如相间短路时往往经过其他异物短接，此时有异物的电阻和弧光电阻。异物电阻随物体的不同而异，如鸟兽，树枝等

9、。而弧光电阻则与短路电流的大小，风速及电弧的长度等因素有关。接地短路时的接地电阻也因异物，塔杆及地质条件的不同而异。短路点的过渡电阻不仅影响短路电流，电压的大小，同时也影响他们之间的相位关系。这些对继电保护装置的正常工作都有影响，所以，在继电保护的设计，整定计算，调试及运行事故分析时都必须予以考虑。当短路点存在过渡电阻时，必然使距离保护的测量阻抗发生变化，阻抗的测量值不能准确反映短路点到保护安装地点之间的正序阻抗，可能导致保护的超范围或反方向误动，或造成出口故障时的拒动。一般来说，过渡电阻对不同安装地点的保护，其影响是不同的。短路点距离保护安装处越远，则过渡电阻的影响越小，反之，影响越大。对单

10、电源线路，短路点的过渡阻抗总是使距离保护的测量阻抗变大，使保护范围缩短。在某些情况下，可能导致保护无选择性动作。1.2 目前的研究现状目前我国的输电线路以高压、超高压为主，其主保护为距离保护不受电力系统运行方式和结构变化的影响，虽通过大量研究距离保护的有些问题已在一定程度上得到解决，但是由于传统距离保护自身的局限性，有些问题还是会变得很突出。短路故障点的过渡电阻是影响距离保护正常工作的因素之一。对此提出解决方案，常规模拟式保护阻抗元件有各种构成方法及各种动作特性。过渡电阻对不同动作特性阻抗元件的影响程度也不相同，椭圆特性的阻抗继电器、方向继电器及全阻抗继电器受过渡电阻的影响，在保护区内故障时均

11、可能拒动。目前常规距离保护在防止过渡电阻影响的方法有： a)采用能容许较大的过渡电阻而不致拒动的阻抗继电器，如电抗继电器、四边形继电器、偏移特性的阻抗继电器等。b)采用瞬时测定装置。此类装置的设计出发点是：短路初瞬电弧电阻不大，测量阻抗比较正确;稍后电弧电阻将急剧增大。瞬间测定技术就是将阻抗继电器一开始测量的阻抗固定下来，使之不受后来电弧电阻急剧增大的影响，达到正确测量短路地点的目的。如今从常规距离保护技术发展起来的微机距离保护，其应用零序电流极化量的电抗元件，具有较常规保护采用的接地距离继电器优越的性能，允许大过渡电阻且无超越，但当运行在受端且过渡电阻大于一定值时仍将发生稳态超越。经改进过的

12、具有双下偏零序电流极化接地距离继电器的方案，则能保证任何过渡电阻和系统运行方式下不会引起稳态超越。并且微机保护采用软件算法实现起来十分方便，整定调整也很容易。1.3 研究方案本论文理论研究与软件模拟仿真相辅相成，软件模拟采用pscad软件，辅助以excel，matlab进行数据采集分析。第二章 电网经过渡电阻短路故障电流电压变化规律的理论分析2.1 初步分析在系统结构不变的情况下，对应于某一个短路点，相应的各序电抗分量是不变的，且为已知的参数，而短路点的过渡电阻可能会出现很大的变化。为了说明问题，我们先以一个简单的电阻。电感串联电路为例，如图所示。在外施电压恒定，电抗保持不变的情况下，当电阻由

13、零变化到无穷大范围时，研究电路中电流的变化轨迹。图中电流表示为,式中z=r+jx，y=。图2.1 电阻电感串联电路为常向量（通常对应于某一相的电动势）时，将随y或z的变化而变化。显然，只要将y或z的变化轨迹找出来，则的变化轨迹就不难确定了。如果将、y或z当做无量纲的复数向量来对待，那么，既便于采用统一的直角坐标来描述，又便于了解各电气量之间的相位关系。因此，设，式中，a,b分别表示直角坐标系中的实部和虚部，均随r的变化而变化。于是有：，比较上式的两端，可以知道虚部为0，所以有=0.当x不等于0的常数时，存在不等于0，整理得：，此式为一个圆的方程，圆心坐标为（0，）,半径为。另外，由上式还可以知

14、道，y向量的角度为=,再考虑到r恒为正值，因此，y向量的角度的范围只可能是-900，其中r=0时对应于=-90，r=时对应于=0。综合上述的分析，可以确定：在r由零到无穷大范围内变化时，y向量的轨迹如图半圆00所示。随后，再分析向量的轨迹。考虑到更加一般的情况，假设电压向量角度为，于是，=的轨迹相对于y的轨迹来说，发生了的偏移。另外，半圆的直径也变为u/x，因此，在r变化时，向量端点的变化轨迹如图半圆所示。在下面的应用中，不再考虑y向量的变化情况，而直接由公式来分析电流向量的变化轨迹。应当说，在i的变化轨迹中，r=0和r=所对应的向量是两个关键的端点（尤其是r=0的端点）。确定变化轨迹的具体步

15、骤为：一个端点向量为|r=0=-j(/x)，这个向量落后的角度为90，其模值u/x就是电流变化半圆轨迹的直径；另一个端点为0，对应于r=时的端点；电流变化的半圆轨迹在和|r=0两个向量限定的90之间。其中，|r=0表示为r=0时的电流向量端点。应当说明的是，在直角坐标系中，电压、电流应当按照各自的比例关系进行向量的作图绘制。顺便指出，考虑到系统中各元件的电阻分量r时，元件的阻抗为z=r+jx,此时，半圆形的电流变化轨迹仍然不变，完全按照本节的方法予以分析，仅需在基本的分析结束之后再考虑元件电阻的影响。如图所示，在半圆轨迹不变的情况下，考虑元件的电阻后，电流向量的一个实际端点为图中的m点，其中，

16、0m线（未画出）与向量的夹角为=arctan(元件的阻抗角，x,r均为元件的确定参数)。下面，研究一个如图所示的单电源系统。当短路点k经过渡电阻发生各种不对称故障时，分析系统中不同地点（如图中的k、m、h点）各相电流、电压随过渡电阻的变化规律。为了使分析计算及作图简便起见，假定基准相电源电动势相对于短路点k（在变压器y侧）的标幺值为=j1；系统中各元件的序阻抗均为纯电抗，且为已知。整个系统对短路点的等值电抗为：=；=；= （2-1）式中 代表系统电源的正、负序电抗； 代表变压器的正、负、零序电抗，=； 代表输电线路的正、负、零序电抗，=时，等于在的顶点端加上一个表达式为的小半圆，即以顶部为轴心

17、，将的半圆逆时针选择90，然后叠加在的顶端，此时有大于等于。当时， ，此时，相当于以顶端为轴心，将表达式为的半圆顺时针旋转90，再叠加到上，此时有小于等于，其变化轨迹如图2.5中的下面的小半圆所示。另外，当不等于时，与上式相比较，的轨迹也会发生稍微的变化，不再详细画出。2.2.2 高压母线m出的各相电流电压变化规律对单电源系统来说，m点各相电流与k点对应相的电流完全相同，因为各相流过的是同一个电流，如，所以，m点与k点的各相电流随变化的轨迹一样。顺便指出，如果是双电源系统，则m点的各相电流还需要考虑一个电流分布系数，时有：，（1） （2-12）由图可知，只要将式中的，分别用代替并进行整理： （

18、2-13） （2-14） （2-15）,比较式与上式可知，m点各相电压都是的线性函数，故他们随由0向无穷大变化时的轨迹均为半圆。（1）当=时，有 （2-16） （2-17） （2-18）按与k点相似的方法， 可以画出m点各相电压随变化的轨迹如图2.6所示。图2.6 m点电压向量及其变化轨迹图从图2.6中可以看出，由于时，随变化的轨迹为右边小半圆； 时，的变化轨迹如图2.16所示中顶端左边的小半圆；当时，端点的变化轨迹中右边个小半圆。图2.16 bc两相接地短路时k点电流电压向量及其变化轨迹图图2.17 bc两相接地短路时k点电压向量及其变化轨迹图2.4.2 高压母线上m点的各相电流电压变化规律

19、m点各相电压电流变化规律与k点完全一样，如图所示。m点的各序电压为： （2-83） （2-84） （2-85）假定与相等，可得各相电压如下： （2-86） （2-87） （2-88）根据此式可以画出m点各相电压向量端点随的变化轨迹如图所示。图2.18 m点各相电压向量端点变化轨迹2.4.3 发电机电压侧h点的各相电流电压变化规律h点是处于变压器的三角形连结侧，在将yn侧的对称分量转黄到三角形连结侧时必须考虑相位变换才能进行计算。h点的零序电流，电压为零，正，负序电流电压分别为： （2-89） （2-90） （2-91）h点的各相电流为： （2-92） （2-93）h点电流随变化的轨迹如图所示。

20、假定与相等，则h点的各相电压可以表示为： （2-94） （2-94） （2-95）令分别等于0和，可以确定各相电压变化的端点位置，接着便不难画出h点各相电压向量随变化的轨迹，如图所示。由图可以看出：当系统中发生bc两相接地短路时，发动机侧b相的电流，电压都是与无关的；b相电流最大，ac两相电流的绝对值总是相等；b相电压数值较小而ac两相电压的绝对值总是相等，其变化规律也是相似的。顺便指出，在bc两相经公共电阻发生接地短路的情况下，当由0变化至时，短路状态实质上就是冲两相金属性接地短路短路状态向两相短路状态变化。各相电流。电压都是的线性函数，他们的向量端点随的变化轨迹均为半圆。图2.19 h点电

21、流向量轨迹图2.20 h点电压向量轨迹第三章 电网经过渡电阻短路的电压电流模拟仿真3.1 两相经过渡电阻短路的软件模拟仿真图3.1 建模图1采用如图3.1，图3.2所示的建模基于简单电力系统距离保护模型的修改，电源内阻抗设为33欧姆，阻抗角可变。采取的方案是设置可变电阻以仿真变化的短路电阻，接地电阻。如图3.2所示。该模型中有分别采集abc三相电流电压电流向量数据的信号采集器。时间逻辑空间用以控制故障发生的时间和故障持续的时间。图3.2仿真建模2下面简述一下自动运行的设置。如图所示：图3.3 变量设置图1第一个界面是设置变量，目前我们有一个变量。图3.4 变量设置2这个下拉菜单是用来设置短路电

22、阻的，步长决定图线的细致程度。输出通道1vsmb为短路电压b相的幅值，输出通道2vspb为短路电压b相的相角。输出通道3vsmc为短路电压c相的幅值，输出通道4为短路电压c相的相角。输出通道5isma为短路电流a相的幅值，输出通道6ispa为短路电流a相的相角。图3.5 数据记录名称数据记录文件名的设置。图3.6 故障类型设置设置短路类型准备开始进行模拟仿真。a相故障，b相故障，不接地。图3.7 ab短路波形图为ab两相短路的波形图，具体运行数据参照excel文件。3.2 单相经过渡电阻接地短路的软件模拟仿真建模依旧如上，设置短路类型如图3.8所示，a相故障，短路接地。图3.8 故障类似设置数

23、据记录设置如图所示：自动运行步数为6，输出文件名为ag.out图3.9 数据输出运行的波形图如图3.10所示：图3.10 a相接地短路波形具体运行数据参见excel文件。3.3 两相经过渡电阻接地短路的软件模拟仿真建模照旧，短路类型设置如图3.11所示。a相故障，b相故障，接地短路。图3.11 两相接地短路故障设置数据记录与输出设置如图3.13：自动运行步数为6，输出文件名为abg.out图3.12 数据输出最终运行的波形如图所示：图3.13 ab两相接地短路波形详细运行数据参见excel文件。第四章 数据采集与分析输出的数据文件如图所示，采用excel软件进行处理。表4.1为ab两相经过渡电

24、阻短路模拟仿真的输出数据vsmb为短路电压b相的幅值，vspb为短路电压b相的相角，vsmc为短路电压c相的幅值，vspc为短路电压c相的相角。isma为短路电流a相的幅值，ispa为短路电流a相的相角。由此表可以看出，a相短路电流为0，bc两相的短路电压之差为b相短路电流与故障电阻的乘积。b相电压幅值，相角均随过渡电阻增大而增大。c相电压幅值随过渡电阻增大而逐渐减小，相角稳定不变。a相电流幅值逐渐减小，相角随过渡电阻增大。相间短路时，两故障相电流大小相等、方向相反，数值随过渡电阻的增大而减小；故障相电压变化情况较为复杂，而非故障相电压变化规律不仅与过渡电阻有关还与故障点等值阻抗有关。采用同样

25、的方法导出的a相单相接地数据表格如表4.2所示：表4.2 a相单相接地数据表格vsmb为短路电压b相的幅值，vspb为短路电压b相的相角，vsmc为短路电压c相的幅值。vspc为短路电压c相的相角。isma为短路电流a相的幅值，ispa为短路电流a相的相角。vsmb为短路电压b相的幅值，vspb为短路电压b相的相角，vsmc为短路电压c相的幅值。vspc为短路电压c相的相角。isma为短路电流a相的幅值，ispa为短路电流a相的相角。由数据表格可以看出，b相电压的幅值和相角均不随过渡电阻增大而变化，很稳定。c相电压的幅值相角与b相情况相似均不随过渡电阻增大而变化。a相电流的幅值随过渡电阻的增大

26、而减小，相角逐渐增大但仍未负。采用同样方法导出的两相接地短路数据如表4.3所示：表4.3 两相接地短路输出数据vsmb为短路电压b相的幅值，vspb为短路电压b相的相角，vsmc为短路电压c相的幅值。vspc为短路电压c相的相角。isma为短路电流a相的幅值，ispa为短路电流a相的相角。由该数据表格可以看出：b相电压的幅值随过渡电阻的增大而缓慢增大，当过渡电阻增大到一定程度以后增大幅度较小不明显。c相电压的幅值和相角均不随过渡电阻的变化而变化。a相电流的幅值随过渡电阻增大而减小，相角随过渡电阻增大但仍未负。第五章 结束语本次毕业设计理论分析是以刘万顺版电力系统故障分析中相关章节为基础的。然后

27、采用pscad仿真平台,将电力系统从繁琐的建模、编程中解放出来。通过对电网经过渡电阻短路的电流、电压的仿真研究,克服理论分析上的抽象性,直观地研究电流、电压的变化曲线特性。本论文重点分析了电网经过渡电阻各种短路时的电气量变化特点，分别讨论了相间短路与接地故障时，电流、电压的变化规律与过渡电阻的关系。理论分析表明：电流、电压随过渡电阻由零到无穷大的变化轨迹均为半圆。两相经过渡电阻短路时，过渡电阻主要由电弧阻抗和铁塔阻抗组成，数值并不是很大。其相应的电流非故障相电流为0，两故障相电流大小相等方向相反。两故障相电压向量之差为其中故障相电流向量与过渡电阻的乘积。单相接地短路的过渡电阻主要是铁塔阻抗，树木以及竹子等接触物的阻抗。电流电压的变化规律为两非故障相的短路电流为0.故障相电压向量为故障相电流与过渡电阻的乘积。两相经过渡电阻接地短路的阻抗性质与单相接地的相似。非故障相的短路电流为0，两故障相电压向量相等，均为过渡电阻与两故障相短路电流向量和的乘积。即与过渡电阻成正比。本毕业设计通过psc