1、遼寧工業大學電力系統計算課程設計(論文題目:電力系統兩相接地短路計算與仿真(3院(系:電氣工程學院專業班級:電氣101學號:100303026學生姓名:郭永江指導教師:李寶國教師職稱:教授起止時間:13-07-01至13-07-12 課程設計(論文任務及評語院(系:電氣工程學院教研室:電氣工程及其自動化 注:成績:平時20% 論文質量60% 答辯20% 以百分制計算 摘要本論文介紹了有關電力系統短路故障的基本概念及短路電流的基本算法,主要分析了對稱分量法在不對稱短路計算中的應用。通過具體的簡單環網短路實例,對兩相接地短路進行分析和計算。最后,通過MATLAB軟件對兩相接地短路故障進行仿真,觀察

2、仿真后的波形變化,將短路運行計算結果與各時刻短路的仿真結果進行分析比較,得出結論。現在電力系統規模越來越龐大,電力系統在人民的生活和工作中擔任重要的角色,電力系統的穩定運行直接影響人們的日常生活,因此,關于電力系統的短路計算與仿真也越來越重要。關鍵詞:兩相接地短路;不對稱短路計算;MATLAB仿真 目錄第1章緒論 (11.1電力系統短路計算概述 (11.2本文設計內容 (2第2章電力系統不對稱短路計算原理 (32.1對稱分量法基本原理 (32.2三相序阻抗及等值網絡 (42.3兩相接地不對稱短路的計算步驟 (5第3章電力系統兩相短路計算 (83.1系統等值電路及元件參數計算 (83.2系統等值

3、電路及其化簡 (103.3兩相接地短路計算 (103.4計算其它各個節點的A、B和C三相電壓和電流 (143.5計算各條支路的電壓和電流 (14第4章短路計算的仿真 (154.1仿真模型的建立 (154.2仿真結果及分析 (18第5章總結 (19參考文獻 (20 第1章緒論電力系統短路計算的目的:在電力系統和電氣設備的設計和運行中,短路計算是解決一系列技術問題所不可缺少的基本計算,這些問題主要是:(1選擇有足夠機械穩定度和熱穩定度的電氣設備,例如斷路器、互感器、瓷瓶、母線、電纜等,必須以短路計算作為依據。這里包括計算沖擊電流以校驗設備的電動力穩定度;計算若干時刻的短路電流周期分量以校驗設備的熱

4、穩定度。(2為了合理地配置各種繼電保護和自動裴置并正確整定其參數,必須對電力網中發生的各種短路進行計算和分析。在這些計算中不但要知道故障支路中的電流值,還必須知道電流在網絡中的分布情況。有時還要知道系統中某些節點的電壓值。(3在設計和選擇發電廠和電力系統電氣主接線時,為了比較各種不同方案的接線圖,確定是否需要采取限制短路電流的措施等,都要進行必要的短路電流計算。(4進行電力系統暫態穩定計算,研究短路時用戶工作的影響等,也包含有一部分短路計算的內容。此外,確定輸電或路對通訊的干擾,對己發生故障進行分析,都必須進行短路計算。短路計算的處理方法:(1簡單三相電路中發生突然對稱短路的暫態過程中,假設電

5、源電壓的復制和頻率均保持不變,在這種電源稱為無限大功率電源,其特點是: 頻率恒定(有功變化量遠小于電源的有功功率;電壓恒定(無功變化量遠小于電源的無功功率;電源內阻抗為0,電壓恒定。實際上真正的無限大電源不存在,常用的判斷依據是當功率變化量小于3%電源功率,或者電源內阻抗小于短路回路總阻抗的10%時候,可認為電源為無限大電源。(2在計算高壓電器中的短路電流時,只需考慮發電機、變壓器、電抗器的電抗, 而忽略其電阻;對于架空線和電纜,只有當其電阻大于電抗 1/3 時才需計入電阻,一般也只計電抗而忽略電阻。 (3短路電流計算公式或計算圖表,都以三相短路為計算條件。因為單相短路或二相短路時的短路電流都

6、小于三相短路電流.能夠分斷三相短路電流的電器,一定能夠分斷單相短路電流或二相短路電流。(4磁路的飽和、磁滯忽略不計。系統中各元件的參數便都是恒定的,可以運用疊加原理。(5不對稱短路故障可以用對稱分量法轉化成對稱零、正、負三組對稱短路故障進行分析,仿照三相對稱短路故障。(6各元件的電阻略去不計。如果短路是發生在電纜線路或截面較小的架空線上時,特別在鋼導線上時,電阻便不能忽略。此外,在計算暫態電流的衰減時間常數時,微小的電阻也必須計及。(7短路為金屬性短路。1 計算各元件的參數;2 畫出完整的系統等值電路圖;3 忽略對地支路,計算短路點的A、B和C三相電壓和電流;4 忽略對地支路,計算其它各個節點

7、的A、B和C三相電壓和支路電流;5 在系統正常運行方式下,對各種不同時刻AC兩相接地短路進行Matlab 仿真;6 將短路運行計算結果與各時刻短路的仿真結果進行分析比較,得出結論。 第2章 電力系統不對稱短路計算原理2.1 對稱分量法基本原理對稱分量法是分析不對稱故障的常用方法,根據不對稱分量法,一組不對稱的三相量可以分解為正序、負序和零序三相對稱的三相量。在不同序別的對稱分量作用下,電力系統的各元件可能呈現不同的特性,因此我們首先來介紹發電機、變壓器、輸電線路和符合的各序參數,特別是電網元件的零序參數及其等值電路。一、不對稱三相量的分解的在三相電路中,對于任意一組不對稱的三相相量(電流或電壓

8、,可以分解為三組三相對稱的相量,當選擇a 相作為基準相時,三相相量與其對稱分量之間的關系(如電流為2(12(2(01113111a a a b c a I a I a I a I a I I = (2-1 式中,預算子°120j a e =,°2240j a e =,且有1+a+a 2 =0,a 3 =1;.(1a I 、.(2a I 、.(0a I 分別為a 相電流的正序、負序和零序分量,并且有2(1(1(1(12(2(2(2(2(0(0(0,b a c a b a c a b c a I I I a I a I a I I I a I I I =(2-2 由上式可以作出

9、三相量的三組對稱分量如圖2.1所示。 (a (b (c圖2.1 三相量的對稱分量(a 正序分量;(b 負序分量(c 零序分量.(0aI .(0b I .(0c I .c I .(1b I .(2a I .(2c I 序則與正序相反,零序分量則三相同相位。將一組不對稱的三相量分解為三組對稱分量,這種分解是一種坐標變換,如同派克變換一樣。把式(2-1寫成120abc SI I = (2-3矩陣S 稱為分量變換矩陣。當已知三相不對稱的相量時,可由上式求得各序對稱分量。已知各序對稱分量時,也可以用反變換求出三相不對稱的相量,即1120abc S I I -= (2-4 式中12211111a S a

10、a a - = (2-5 展開式(2-4并計及式(2-2有(1(2(02(1(2(0(1(2(02(1(2(0(1(2(0a a a a b a a a b b b c a a a c c c I I I I I I aI I I I I a I aI I I I I I a =+=+=+=+=+(2-6 電壓的三相相量與其對稱分量之間的關系也與電流的一樣。2.2 三相序阻抗及等值網絡一、正序網絡正序網絡就是通常計算對稱短路時所用的等值網絡。除了中性點接地阻抗、空載線路(不計導納以及空載變壓器(不計勵磁電流外,電力系統各元件均應包括在正序網絡中,并且用相應的正序參數和等值電路表示。例如,正序網

11、絡就不包括空載的線路L-3和變壓器T-3。所有同步發電機和調相機,以及個別的必須用等值電源支路表示的綜合符合,都是正序網絡中的電源。此外,還須在短路點引入代替故障條件的不對稱電勢源中的正序分量。正序網絡中的短路點用f 1表示,零電位點用o 1表示。從f 1o 1即故障端口看正序網絡,它是一個有源網絡,可以用戴維南定理簡化的形式。二、負序網絡負序電流能流通的元件與正序電流的相同,但所有電源的負序電勢為零。因此,把正序網絡中各元件的參數都用負序參數代替,并令電源電勢等于零,而在 網絡中的短路點用f 2表示,零電位點用o 2表示。從f 2o 2端口看進去,負序網絡是一個無源網絡。三、零序網絡在短路點

12、施加代表故障邊界條件的零序電勢時,由于三相零序電流大小及相位相同,他們必須經過大地(或架空地線、電纜包皮等才能構成通路,而且電流的流通與變壓器中性點接地情況及變壓器的接法有密切的關系。為了更清楚地看到零序電流流通的情況,電力系統三線接線如圖2.2(a ,線路L-4和變壓器T-4以及負荷LD 均包括在正(負序網絡中,但因變壓器T-4中性點未接地,不能流通零序電流,所以它們不包括在零序網絡中。相反,線路L-3和變壓器T-3因為空載不能流通正(負序電流兒不包括在正(負序網絡中,但因變壓器T-3中性點接地,故L-3和T-3能流通零序電流,所以它們應包括在零序網絡中,如圖2.2(b 。從故障端口00O

13、f 看零序網絡,也是一個無源網絡。簡化后得零序網絡示如圖2.2(c : 圖2.2 零序網絡的制訂2.3 兩相接地不對稱短路的計算步驟在三相系統中,可能發生的短路有:三相短路、兩相短路、兩相短路接地和單相接地短路。三相短路也稱為對稱端粒,系統各相與正常運行時一樣仍出入對稱狀態。其他類型的短路都是不對稱短路。 兩相(b 相和c 相短路接地故障處的三個邊界條件為:0=faI 0=fb V 0=fcV (2-7 兩相接地短路示意圖如圖2.8所示: a bc圖2.3 兩相短路接地這些條件同單相短路的邊界條件極為相似,只要把單相短路邊界條件式中的電流換成電壓,電壓換成電流就是了。用序量表示的邊界條件為=+

14、0(2(1(0(2(1(0fa fa fa fa fa fa V V V I I I (2-8根據邊界條件組成的兩相短路接地的復合序網如圖2.9所示: 圖2.4 負荷序網圖 由圖可得+=+-=+-=+=1(0(2(0(2(0(2(1(1(0(2(2(0(1(0(2(0(2(0(2(1(0(1(fa ff ff ff ff fa fa fa fa ff ff ff fa fa ff ff ff fa ff ff ff fa I X X X X jV V V I X X X I I X X X I X X X j V I (2-6短路點故障相的電流為+-=+=+-=+=1(0(2(0(22(0(2

15、(21(1(0(2(0(2(20(2(1(2(fa ff ff ff ff fa fa fa fc fa ff ff ff ff fa fa fa fb I X X X a X a I I a I a I I X X aX X a I I a I a I (2-7 根據上式可以求得兩相短路接地時故障相電流的絕對值為1(20(2(0(2(1,1(13fa ff ff ff ff fc fb f I X X X X I I I +-= (2-8短路點非故障相電壓為1(0(2(0(2(1(33fa ff ff ff ff fa fa I X X X X jV V += (2-9 兩故障相電流相量之間

16、的夾角也與比值2(0(ff ff X X 有關。當00(ff X 時,150(1150-(133j fa fc j fa fb e I I e I I =,其夾角等于60度。兩相短路,fbI 與fc I 反相。 第3章 電力系統兩相短路計算3.1 系統等值電路及元件參數計算變壓器參數1:22332218010.510100.0231500S N T N P V R S =223334T N P G S V -= 333022N T N I S B S V -=121N T N V k V = 線路L12: (12000.200.41601224.6Z r j x l j j'=+=+=

17、+(6412000 3.001060 1.810Y g jb l j S j S -'=+=+= 線路L13:Z r j x l j j '=+=+=+(6414000 2.8810100 2.8810Y g jb l j S j S -'=+=+= 線路L23: (23000.1990.4801632Z r j x l j j'=+=+=+(6423000 2.881080 2.310Y g jb l j S j S -'=+=+= 標幺值:22(11(22G N B G G N G N B V S x X S V *II =22(22(220.351

18、3510.5G N B G G N G N B V S x X S V *=121222B L L B S r r V I = 121222(0.41600.19115B L L B x X V I =1313221000.151000.11115B L L B S r r V =1313221000.381000.29115B L L B S x X V = 2323221000.18800.11115B L L B S r r V =2323221000.4800.24115B L L B S x x V =22331222218010.510010100.023150010.5S N B

19、 T N B P V S r S V =22332222217010.510010100.023150010.5S N B T N B P V S r S V =22(122(%10.510.51000.3210010031.510.5T N S B T T N B V V S x S V =22(222T N S B T T N B V V S x S V =由計算數據可得系統等值電路,如圖3.1所示: 圖3.1 系統等值電路 3.2 系統等值電路及其化簡計算負荷的阻抗值 由22250P Q +=和P22121=0.34100042.5U R K P =22121X=U K Q = 計算其標

20、幺值可得:忽略系統對地支路,化簡系統等值電路,如圖3.2所示: 圖3.2 化簡后系統等值電路3.3 兩相接地短路計算對等值電路中的的角形阻抗進行變換,改為星形,可得如圖3.3所示:. .圖3.3 星角變換圖 根據以上數據,繪出各序網絡,正序網絡圖如圖3.4所示: 圖3.4 正序網絡圖化簡后如圖3.5所示:圖3.5 正序網絡化簡圖負序網絡如圖3.6所示: 圖3.6 負序網絡圖 化簡后如圖3.7所示:圖3.7 負序網絡化簡圖零序網絡如圖3.8所示: 圖3.8 零序網絡圖化簡后如圖3.9所示:圖3.9 零序網絡化簡圖綜上:0.5eq E =(1 2.66 2.89ff Z j =+ (2 2.65

21、5.08ff Z j =+ (0 2.65 4.42ff Z j =+當節點3發生兩相金屬性短路時,計算短路點的電壓和電流。 A 相正序、負序、零序電流為: (02.28eq fa ff ff ff E I j j Z Z Z j j j j =+=-(0(2(1(2(0ff fa fa ff ff Z j I I j Z Z j j j +=-=-+=-+(2(0(1(2(0ff fa fa ff ff Z j I I Z Z j j +=-=+=+A 相正序、負序、零序電壓為:(2(0(1(1(2(0(2(0265+j5.08265+442136-j2.28265+j5.08+265+44

22、2ff ff fa fa fa fa ff ff Z Z V V V I Z Z j =+=-(.(.(.B 相電流為:2240120(1(2(0(1.36 2.88*(0.63 1.13+(1.330.893.12 2.67j j fb fa fa fa I a I a I I j e j e j j =+=-+-+=-+C 相電流為:j j fc fa fa fa I a I a I I j e j e j j =+=-+-+= A 相電壓為:fa fa fa fa fa V V V V V j j =+=-=- 所以:A 相電壓電流為: 1.71 6.44fa V j =- 0fa I

23、=B 相電壓電流為:0fb V = 3.122.6fb I j =-+C 相電壓電流為:0fc Vfc I j=+ 3.4 計算其它各個節點的A 、B 和C 三相電壓和電流支路L24:電壓:(1(2(0 2.410.82 1.690fa fa fa fa I I I I =+=-=2240120130.77(1(2(0 2.390.81 1.58 3.65j j j fb fa fa fa I a I a I I e e e -=+=-= 2120240130.77(1(2(0 2.390.81 1.59 3.64j j j fc fa fa fa I a I a I I e e e =+=-

24、= (1(2(0(133*0.310.94fa fa fa fa fa V V V V V j j =+=2902409012090(1(2(00.310.310.310j j j fb fa fa fa V a V aV V e e e +=+=+= 2901209024090(1(2(00.310.310.310j j j fb fa fa fa V aV a V V e e e +=+=+=節點3:.12010.0110.19f f f I I I j j =-+122=(0.58-j1.58(0.07-j0.19=0.34-j0.001f f U I Z1U =3=1.02-j0.00

25、3fa f U3.5 計算各條支路的電壓和電流23122123V V V V Z Z -=-(3-1 23323123V V V V Z Z -=-(3-2 解得: 1=1.03-0.07V j 3=1.67-0.12V j 322132VV = 所以節點1、2 的電壓:12120.020.05V V V j =-=+ 211210.01 -j 0.03V V I Z -=V 28j0.012Z V I I Z Z =+=+ 第4章短路計算的仿真本課設利用MATLAB進行電力系統兩相接地短路故障仿真,MATLAB以其強大的計算能力、友好的動態仿真環境和豐富的工具箱越來

26、越成為從事包括電力網絡、電力電子和控制系統等電力系統學習和研究的重要仿真工具。電力系統暫態功角穩定控制是電力系統穩定運行的第一道防線。根據電力系統的特點,利用MATLAB的動態仿真軟件搭建了含發電機、變壓器、輸電線路、無窮大電源等的系統仿真模型,得到了在該系統主供電線路電源發生兩相接地短路故障并由自動跳閘隔離故障的仿真結果,在系統正常運行方式下,對各種不同時刻BC兩相接地短路進行MATLAB仿真,并分析了這一暫態過程。仿真圖如圖4.1所示: 圖4.1 仿真電路圖 通過建立電力系統的基本模型,參考實際電力系數參數,對系統的參數進行設置,模擬電力系統運行,對電力系統運行中出現的故障進行設置,模擬故障時系統狀態,得出各時段的電壓和電流波形圖,通過分析各個波形,了解了發生兩相接地短路故障時電力系統的詳細情況。 圖4.2 故障A相電壓 圖4.3 故障