电力系统单相短路计算与仿真()(精品)

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： 电力系统单相短路计算与仿真（电力系统单相短路计算与仿真（4） 院（系）：院（系）： 电电 气气 工工 程程 学学 院院 专业班级：专业班级： 电气电气 104 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 付瑶付瑶 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 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）

2、： G1、G2：SN=30MVA，VN=10.5kV，X=0.25； T1: SN=31.5MVA，Vs%=9.5， k=10.5/121kV,Ps=180kW, Po=50kW,Io%=0.88；YN/d-11 T2: SN=31.5MVA，Vs%=10.5， k=10.5/121kV,Ps=210kW, Po=40kW,Io%=0.78；YN/d-11 L1:线路长 65km，电阻 0.25/km，电抗 0.4/km，对地容纳 2.810-6S/km； L2:线路长 60km，电阻 0.22/km，电抗 0.38/km，对地容纳 2.810-6S/km； L3: 线路长 75km，电阻 0

3、.2/km，电抗 0.40/km，对地容纳 2.610-6S/km； 负荷：S3=55MVA，功率因数均为 0.9. 任务要求（节点 3 发生 A 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 A 相接地短路进行 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

4、 月 日 G1 T1 1 L1 2 T2 G2 1:k k:1 L3 L2 3 S3 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 摘 要 电力系统正常运行的破坏多半是由短路故障引起的。发生短路时，系统从一 种状态剧变到另一种状态。产生短路的原因有很多，如元件毁坏，气象条件恶化， 违规操作等等。短路的类型有三相短路，两相短路，以及单相接地短路。短路的 后果非常严重，包括短路点附近的支路中出现比正常值大许多倍的电流，产生电 动力效应，使支架遭到破坏。短路也可产生热效应使元件损坏。短路时系统电压 大幅度下降，可能造成电动机停转。还会破坏系统的稳定性，造成大片地区停电， 还会干扰信

5、号 关键词：短路；系统；故障；后果； 目 录 第 1 章 绪论 .1 1.1 电力系统短路计算概述 .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 单相不对称短路的计算步骤 .2 第 3 章 电力系统单相短路计算 .3 3.1 系统等值电路及元件参数计算 .3 3.2 系统等值电路及其化简 .3 3.3 单相短路计算 .3 第 4 章 短路计算的仿真 .4 4.1 仿真模型的建立 .4 4.2 仿真结果及分析 .4 第 5 章 总结 .5 参考文献 .6 第 1 章 绪论 1.1 电力

6、系统短路计算概述 在实际的工作中，根据一定的任务进行短路计算时，必须首先确定计算条件。 所谓的计算条件，一般包括，短路发生时系统的运行方式，短路的类型和发生地 点，以及短路发生后采取的措施等。从短路计算的角度来看，系统运行指的是系 统中投入运行的发电，变电，输电，用电的设备的多少以及它们之间相互连接的 情况，计算不对称短路时，还应包括中性点的运行状态。对于不同的计算目的， 所采用的计算条件是不同的。 所谓短路,是指一切不正常的相与相之间或相与地之间发生通路的情况。在电 力系统和电气设备的设计和运行中, 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

7、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。 2）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。 3)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。 4）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。此外，确定输电线路对通讯的干扰，对已发生故障进行

8、分析，都必须进 行短路计算。 1.2 本文设计内容 本文设计讲述了短路对称法的基本原理，以及对称分量法在不对称短路 中的应用。画出等值电路以及三相序阻抗。本文完成的任务是： （1）求出各元件的参数 ； （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 A 相接地短路进行 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。 ： 第 2 章 电力系统不对称短路计算原理 2.1

9、对称分量法基本原理 对称分量法（method of symmetrical components）电工中分析对称系统不 对称运行状态的一种基本方法。广泛应用于三相交流系统参数对称、运行工况不 对称的电气量计算。 电力系统正常运行时可认为是对称的，即各元件三相阻抗相同，各自三相电 压、电流大小相等，具有正常相序。对称分量法是分析不对称故障的常用方法， 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。所以计算不对称短路时一般不使用直接求解复杂的三相不对称电路的方 法，而采用更简单的对称分量法进行分析。 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

10、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(如电流)为： 式中运算子且有, ； 分别为 a 相电 120j ae 2 10aa 3 1a (1)aI (2)aI (3)aI 流的正序、负序和零序分量并且有： (1) 2 2 (2) (3) 1 1 1 3 111 a a ab c a aa aa I I II I I 2 (1)(1)(1)(1) 2 (2)(2)(2)(2) (0)(0)(0) , , baca baca bca aa aa IIII IIII III 根据上式可以作出三相量的三组对称分量如图2.1 图 2.1 对称分量 我们看到，正

11、序分量的相序与正常对称运行下的相序相同，而负序分量的相序则 与正序相反，零序分量则三相同相位。 将一组不对称的三相量分解为三组对称分量，这种分解，如同第三章的派克 变换一样，也是一种坐标变换。把（）写成 IIabc S 120 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 1 120 abc S I I 式中 (2-4) 12 2 111 1 1 Saa aa 展开(2-3)并计及式(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。 Ib ) 1 ( Ic ) 1 ( Ia )1( Ia )2( Ib )2( Ic )2

12、( Ic ) 0 ( Ib )0( Ia )0( (1)(2)(0) 2 (1)(2)(0)(1)(2)(0) 2 (1)(2)(0)(1)(2)(0) aaaa baaabbb caaaccc aa aa IIII IIIIIII IIIIIII 2.2 三相序阻抗及等值网络 短路故障的计算与分析,主要是短路电流的大小及其变化规律不仅与短路故障的类 型有关,而且与电源特性,网络元件的电磁参数有关。不对称短路时故障处的短路 电流和电压网络的故障处，对称分量分解后可用序电压方程表示为几种主要的序 网如下图所示： 图 2.2 正序网络 图 2.3 负序网络 图 2.4 零序网络 三相序阻抗化简，其

13、等值网络图如下： 图 2.5 正序等值网络 Ia(1) Va(1) 图 2.6 负序等值电路 图 2.7 零序等值电路 2.3 单相不对称短路的计算步骤 1确定计算条件，画计算电路图 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。 根据计算目的确定系统运行方式，画相应的计算电路图。 选电气设备：选择正常运行方式画计算图； 短路点取使被选择设备通过的短路电流最大的点。 继电保护整定：比较不同运行方式，取最严重的。 2画等值电路，计算参数； 分别画各段路点对应的等值电路。标号与计算图中的应一致

14、。 3网络化简，分别求出短路点至各等值电源点之间的总电抗。 等值电源归算 Ia(2) Va(2) Ia(0) Va(0) （1）同类型且至短路点的电气距离大致相等的电源可归并； （2）至短路点距离较远的同类型或不同类型的电源可归并； （3）直接连于短路点上的同类型发电机可归并； 第 3 章 电力系统单相短路计算 3.1 系统等值电路及元件参数计算 变压器 T1 的参数计算： 变压器 T2 的参数计算： 线路L1 的参数计算： S V SI B N N T 3 2 3 2 0 1 1067 . 2 5 . 10100 5 .3188. 0 10 100 % 95.0 115/5.10 121/5

15、.10 1 T K 1 . 310 5 . 31 121210 10 3 2 2 3 2 2 2 N NS T S VP R 37 . 0 5 . 31100 5 . 10 5 . 10 100 % 22 2 N NS T S VV X S V P G N T 43 2 3 2 0 2 106 . 310 5 . 10 40 10 S V P G N T 43 2 3 2 0 1 1054 . 4 10 5 .10 50 10 33.0 5.31100 5.105.9 100 % 22 1 N NS T S VV X 02.010 5.31 5.10180 10 3 2 2 3 2 2 1 N

16、 NS T S VP R S V SI B N N T 3 2 3 2 0 2 1022 . 2 5 . 10100 5 . 3178 . 0 10 100 % 95 . 0 115/ 5 . 10 121/ 5 . 10 2 T K 线路 L2 的参数计算： 线路 L3 的参数计算： 对各元件电抗标幺值的计算： 取基准容量，第一段基准电压，第二段基准电压100 B SMVA (1) 10.5 B VKV ，第三段基准电压。 (2) 115 B VKV (3) 10.5 B VKV 37 . 0 115 100 5 . 31 121 100 5 . 10 100 % 2 2 2 )2( 2 )

17、2(2 *2 B B N NT S T V S S V V X 20. 0 115 100 4 . 065 22 )2( 1*1 B B LL V S XX 17 . 0 115 100 38. 060 22 )2( 2*2 B B LL V S XX 25.166525 . 0 1 L R 26654.0 1 L X 2.136022.0 1 RL 8.226038.0 1 XL 15752.0 3 RL 307540.0 3 XL 83. 0 5 .10 100 30 5 .10 25. 0 2 2 2 )1( 2 *1 B B N N G V S S V XX 83 . 0 5 . 10

18、 100 30 5 . 10 25. 0 2 2 2 )3( 2 *2 B B N N G V S S V XX 30. 0 5 . 10 100 5 .31 5 . 10 100 5 . 9 100 % 2 2 2 )1( 2 )1(1 *1 B B N NT S T V S S V V X jj V S j S V X B B S S 54 22 )2(3 2 *3 1005 . 6 1023 . 1 115 100 )44. 09 . 0( 55 1 )sin(cos 0.12 115 100 650.25 22 2 1*1 B B LL V S RR 23. 0 115 100 4 .

19、 075 22 )2( 3*3 B B LL V S XX 对地容纳的计算： 3.2 系统等值电路及其化简 为使电路简化，需要将线路的三角形连接转化为星形连接，其转化公式为： 在进行电路化简时，还需要对电源、阻抗进行合并，其公式如下： 代数得， 012 . 0 100 115 65 2 108 . 2 22 26 2 )2( 1 11 B B S V L bB 011 . 0 100 115 60 2 108 . 2 22 26 2 )2( 2 22 B B S V L bB 013. 0 100 115 75 2 106 . 2 22 26 2 )2( 3 33 B B S V L bB a

20、bca a abbcca bcab b abbcca cabc a abbcca Z Z Z ZZZ Z Z Z ZZZ Z Z Z ZZZ 08 . 0 23 . 0 17 . 0 2 . 0 23 . 0 2 . 0 jjj jj ZZZ ZZ Z cabcab caab a 06 . 0 23 . 0 17 . 0 2 . 0 17 . 0 2 . 0 jjj jj ZZZ ZZ Z cabcab bcab b 07 . 0 17. 023. 02 . 0 17 . 0 23. 0 jjj jj ZZZ ZZ Z acbcab bcca c 0.10 115 100 0.2260 22

21、2 2*2 B B LL V S RR 0.10 121 100 0.275 22 2 3*3 B B LL V S RR 018.0 5.10 100 10 5.31 5.10180 10 2 3 2 2 1 3 2 2 *1 B B N NS T V S S VP R 02. 0 115 100 10 5 . 31 121210 10 2 3 2 2 2 2 3 2 2 *2 B B N NS T V S S VP R 1221 12 eq E EE E E EE 对于正序图， 同理，对于负序图， 对于零序图， 3.3 单相短路计算 单相接地短路时，故障处的三个边界条件为，经过 0,0,0

22、 fbfcfaVII 整理后便得到用序量表示的边界条件为 短路点电流和电压的各序分量为： (1)(2)(0) (1)(1)(2)(0)(1)(1)(0) (2)(1)(2) (0)(1)(0) () fafafa fffafffffafaf fffafa fffafa jj j j III VVXIXXI VXI VXI 1221 12 1 1.11 1 1.08 1 1.08 1.11 eq E EE E E EE 69 . 0 07. 0 26 . 1 21 . 1 26 . 1 21. 1 )1( Zeq 69 . 0 07 . 0 26 . 1 21 . 1 26 . 1 21 . 1

23、 )2( Zeq 16 . 0 07 . 0 43 . 0 11 . 0 43 . 0 11 . 0 )0( Zeq (1)(2)(0) (1)(2)(0) 0 fafafa fafafa VVV III 图 3.1 单相接地短路 电压和电流的各序分量，也可以直接应用复合序网来求得。根据故障处各序 分量之间的关系，将各序网络在故障端口联接起来构成的网络称为复合序网。用 复合序网进行计算，可以得到同样结果。 短路点的故障相电流为 (1)(1)(2)(0)(1) 3 ffafafafafaIIIIII 或 带入式(3-4)各个数据，得 由式(3-3)和式(3-1)得 由式(3-2)得 a b c

24、Ic=0 Ib=0Ia V a=0 (1)(2)(0)(1) 11 31.54 fafafaf j IIII 54 . 1 3 )16 . 0 69 . 0 69. 0 ( 13 )( 3 )0()2() 1 ( )0( ) 1 ( jjj XXX V I ffffff f f (0) (1) (1)(2)(0) 3 () f f ffffff j V I XXX 非 故障相电压： 3.4 各节点 电压的计 算 KVVVVV 9 . 1202 . 0)08 . 0 121()( 222 2 2 223 IXaXaVVVaVfaffff fafafafb aja ) 1 () 0 ( 2 ) 2

25、( 2 ) 0 () 2() 1 ( 2 ) 1()( 1 . 0)45 . 0 ()120sin120(cos)55 . 0 ()240sin240(cosjj 1 . 0)45 . 0 ()87 . 0 5 . 0()55 . 0 ()87 . 0 5 . 0(jj 10 . 0 54 . 1 1 16 . 0 ) 1 ( )0( )0( j jj IXVfaff fa 45 . 0 54 . 1 1 69 . 0 ) 1 ( )2( )2( j jj IXVfaff fa 55 . 0 54 . 1 1 16 . 0 69 . 0 ) 1 ( )0()2( ) 1 ( j jj IXXV

26、faffff fa 09. 041. 0j IXXaVVaVVfafffffafafafc aaja )0( )0()2( 2 )2( )2( 2 )1( ) 1()( 1 . 0)45 . 0 ()240sin240(cos)55. 0()120sin120(cosjj 09.041.0j 4 . 216 . 0 3 . 0 j02 . 0 5 .10 30 )( 2 2 11 2 2 1 2 1 1 jjXR V QP S TT N GG T 02 . 3 16 . 0 j0.37)(0.02 5 .10 30 )( 2 2 22 2 2 2 2 2 2 jjXR V QP S TT N

27、GG T 4 . 2-84.294 . 2-16 . 0 -30 111 jjSSS TG 87 . 1 81 . 0 23. 0 j1 . 0 10.5 4 . 229.84 )( 2 22 33 2 2 1 2 1 3 jjXR V QP S LL N L 27.1953.698 . 9 . 15 .4087 . 1 81. 04 . 2-84.29 331 3 jjjjSSSS L j8.064.74j0.17)(0.1 5 . 10 8 .1953.69 )( 2 22 22 2 2 3 2 3 2 LL N SS L jXR V QP S 3 .24 1 . 10402. 384.2

28、906 . 8 74. 427.1953.69 22 3 2 jjjjSSSS L 32 . 0 -84.2903. 3-16 . 0 -30 222 jjSSS TG 08KV . 0 121 1 . 027.3317 . 0 74.27 2 2 22 2 2 V RQXP V LL KVVVVV 8 . 1202 . 0)21. 0121()( 222 1 2 112 KVVVVV 9 . 12008 . 0 ) 1 . 0121()( 222 2 2 223 于是得其他各个节点的电流分别为： 20 . 0 .70 1213 42.6 3 . 146 3 1 1 1 j j V S I 1

29、2. 0.50 8 . 1203 3 . 24104.1 3 2 2 2 j j V S I 7 . 20 4 . 12j0.2)(0.12 5 .10 3 . 241 .104 )( 2 22 11 2 2 2 2 2 1 jjXR V QP S LL N SS L 6 . 42 3 . 146 7 . 20 4 . 1224.31 .1044 . 2-84.29 1 21 1 jjjjSSSS L 33.2727.7406 . 8 74 . 4 27.1953.69 2 3 2 jjjSSS L 21KV . 0 121 0.242.60.12 3 . 146 1 1 11 1 1 V XQRP V LL 20KV . 0 121 12. 042.6-2 . 0 3 . 146 1 1 11 1 1 V RQXP V LL 10KV . 0 121 17 . 0 27.331 . 074.27 2 2 22 2 2 V XQRP V LL j0.0933 . 0 9 . 1203 27.1953.69 3 3 3 3 j V S I 第 4 章 短路计算的仿真 4.1 仿真模型的建立 xxxxxxxxxx。 4.2 仿真结果及分析 第 4 章 总结 对所设计内容、方法、取得的效果、问题的解决方案等