毕业设计电力系统单相短路计算与仿真

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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 094 学学 号：号： 090303103 学生姓名：学生姓名： 张志强张志强 指导教师：指导教师： 教师职称：教师职称： 起止时间：起止时间：12-07-02 至至 12-07-13 本科生课程设计（论文）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

2、图各元件参数如下（各序参数相同）：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-11T2: SN=31.5MVA，Vs%=10.5， k=10.5/121kV,Ps=210kW, Po=40kW,Io%=0.78；YN/d-11L1: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

3、长 75km，电阻 0.2/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。6G1 T1 1 L1 2 T2 G2 1:k k:1 L3 L2 3 S3

4、 本科生课程设计（论文）注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算本科生课程设计（论文）摘 要电气设备和载流导体的选择、继电保护、自动装置的整定、限制短路电流措施的确定都需要进行短电流的计算。电力系统短路有单相短路、两相短路、 ；两相接地短路、和三相短路之分，对同一点发生单相短路故障的短路电流进行仿真和分析研究，在传统的基础上进行计算，并利用 MATLAB 进行仿真验证。并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。关键词：单相短路电流；单相短路电压；仿真；本科生课程设计（论文）目 录第 1 章 绪论 .11.1 电力系统短路计算概述.11.2 本文设计

5、内容.1第 2 章 电力系统不对称短路计算原理 .32.1 对称分量法基本原理.32.2 三相序阻抗及等值网络.42.3 单相不对称短路的计算步骤.6第 3 章 电力系统单相短路计算 .83.1 系统等值电路及元件参数计算.83.2 系统等值电路及其化简.93.3 单相短路计算.11第 4 章 短路计算的仿真 .144.1 仿真模型的建立.144.2 仿真结果及分析.15第 5 章 总结 .16参考文献 .17本科生课程设计（论文）0第 1 章 绪论1.1 电力系统短路计算概述电力系统在运行过程中常常会受到各种扰动,其中对电力系统运行影响较大的是系统中发生的各种故障.常见的故障有短路,断线和各

6、种复杂故障.因此,故障分析重点是对短路故障的分析。电力系统在正常运行时,除中性点以外,相与相,相与地之间是绝缘的,所谓短路是指相与相或相与地之间发生短接。短路的原因 类型及后果,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

7、)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，对已发生故障进行分析，都必须进行短路计算。1.2 本文设计内容本科设主要计算单相短路及其仿真分析，具体设计安排如下：本科生课程设计（论文）11 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

8、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。：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不对称故障的常用方法，根据不对称分量法，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。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(如电流)为： (2-1)(1)22

9、(2)(3)1113111aaabcaaaaaIIIIII式中运算子且有, ； 分别为 a 相电120jae210aa31a (1)aI(2)aI(3)aI流的正序、负序和零序分量并且有： (2-2)2(1)(1)(1)(1)2(2)(2)(2)(2)(0)(0)(0),bacabacabcaaaaaIIIIIIIIIII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 (2-3)1120abcS II式中 (2-4)12211111Saaaa展开(2-3)并计及式(2-2)有本科生课程设计（论文）3 (2-5)(1)(2)(0)2(1)(

10、2)(0)(1)(2)(0)2(1)(2)(0)(1)(2)(0)aaaabaaabbbcaaacccaaaaIIIIIIIIIIIIIIIIII电压的三相相量与其对称分量之间的关系也与电流一样。2.2 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 2.1 正序网络本科生课程设计（论文）4图 2.2 负序网络图 2.3 零序网络本科生课程设计（论文）5三相序阻抗化简，其等值网络图如下： Xf

11、f(1)0.58+-Va(1)+-Eeq=1图 2.4 正序等值网络 Xff(2)0.58+-Va(2)图 2.5 负序等值网络 Xff(0)0.38+-Va(0)图 2.6 零序等值网络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。本科生课程设计（论文）6

12、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。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（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；本科生课程设计（论文）7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对变压器T1、T2的参数计算：02. 0105 .315 .10180322221NNSTSVPR33. 05 .311005 .105 . 9100%221NNSTSVVXSVPGNT43232011054.

13、4105 .105010SVSIBNNT3232011067. 25 .101005 .3188. 010100%95. 0115/5 .10121/5 .101TK02. 0105 .315 .10210322222NNSTSVPR37. 05 .311005 .105 .10100%222NNSTSVVXSVPGNT4323202106 . 3105 .10401095. 0115/5 .10121/5 .102TK对其余原件的参数计算：取基准容量，第一段基准电压，第二段基准电压100BSMVA(1)10.5BVKV，第三段基准电压。(2)115BVKV(3)10.5BVKV79. 05

14、.101005 .315 .1025. 0222)1(2*1BBNNGVSSVXX79. 05 .101005 .315 .1025. 0222)3(2*2BBNNGVSSVXXSVSIBNNT3232021022. 25 .101005 .3178. 010100%本科生课程设计（论文）830. 05 .101005 .315 .101005 . 9100%222)1(2)1(1*1BBNNTSTVSSVVX37. 01151005 .311211005 .10100%222)2(2)2(2*2BBNNTSTVSSVVX12. 011510025. 06522)2(1*1BBLLVSXX10

15、. 011510022. 06022)2(2*2BBLLVSXXjjVSjSVXBBSS5422)2(32*31005. 61023. 1115100)44. 09 . 0(551)sin(cos1, 121EE对线路节点的对地容纳的计算：02. 0100115652108 . 22222262)2(111BBSVLbB02. 0100115602108 . 22222262)2(222BBSVLbB03. 0100115752106 . 22222262)2(333BBSVLbB3.2 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：11. 011510

16、02 . 07522)2(3*3BBLLVSXX本科生课程设计（论文）9abcaaabbccabcabbabbccacabcaabbccaZ ZZZZZZ ZZZZZZ ZZZZZ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：122112eqE EE EEEE1212eqZ ZZZZ代数得，0.110.100.030.110.120.100.120.110.040.110.120.100.100.120.040.110.120.10abcaaabbccabcabbabbccacabccabbccajjjjjjjjjjjjjjjjjjZ ZZZZZZ ZZZZZZ ZZZZZ对于正序

17、图，1221121 1.11 1 1.0811.08 1.11eqE EE EEEE (1)1.11 1.080.030.581.08 1.11eqZ同理，对于负序图，(2)1.08 1.110.030.581.08 1.11eqZ对于零序图，(0)0.68 0.740.030.380.680.74eqZ本科生课程设计（论文）103.3 单相短路计算单相接地短路时，故障处的三个边界条件为，经过整0,0,0fbfcfaVII理后便得到用序量表示的边界条件为 (3-1)(1)(2)(0)(1)(2)(0)0fafafafafafaVVVIII短路点电流和电压的各序分量为 (3-2)(1)(2)(0

18、)(1)(1)(2)(0)(1)(1)(0)(2)(1)(2)(0)(1)(0)()fafafafffafffffafaffffafafffafajjjjIIIVVXIXXIVXIVXI 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。 abcIc=0Ib=0IaV a=0图 3.1 单相接地短路本科生课程设计（论文）11jX ff1+-V fjX ff2jX ff3Ifa1Ifa2Ifa0V fa1V fa2V fa0图 3.2 单相短路的复合序网短路点的故障相电流为

19、(3-3)(1)(1)(2)(0)(1)3ffafafafafaIIIIII或 (3-4)(0)(1)(1)(2)(0)3()ffffffffjVIXXX带入式(3-4)各个数据，得(0)(1)(1)(2)(0)33 13()(0.580.580.38)1.54ffffffffjjjVIXXX由式(3-3)和式(3-1)得本科生课程设计（论文）12(1)(2)(0)(1)1131.54fafafafjIIII由式(3-2)得(2)(0)(1)(1)1()(0.580.38)0.621.54fffffafajjjVXXI(2)(1)(2)10.580.381.54fffafajjjVXI (0)

20、(1)(0)10.380.251.54fffafajjjVXI 本科生课程设计（论文）13第 4 章 短路计算的仿真4.1 仿真模型的建立当 A 相发生接地短路时故障点 A 相电压降为零，由于系统为不接地系统，即Xff 无穷大，由公式可知，单项短路电流减为零，非故障相即 BC 两项电压上升为线电压，其夹角为 60。故障切除后各相电压水平较原来升高，这是中性点电位升高导致的。 图 4.1 单项接地（A 相）电压图 4.2 单项接地（A 相）电流本科生课程设计（论文）14当输电线路发生 A 相接地短路时，B 相、C 相电流没有变化，始终为 0。在正常状态时，三相短路故障发生器处于断开状态，A 相电

21、流为 0。在 0.01s 时，三相短路故障发生器闭合，此时 A 相接地短路，其短路电流形发生了剧烈的变化，但大体上仍呈现正弦规律变化。在 0.04s 时，三相短路故障发生器打开，故障排除，此时故障点 A 相电流迅速变为 0。具体的仿真波形如图所示： 图 4.3 单项(A 相)接地各项电流波形4.2 仿真结果及分析系统采用中性点不接地方式时，发生单相接地故障三相间线电压仍然对称，不必马上切除故障部分，提高了供电的可靠性。但是接地电流在故障处可能产生稳定或间歇性的电弧，将危害整个电网的安全运行。若系统改为直接接地，中性点会与故障点成短路回路，线路上将流过很大的短路电流，此时系统不能继续运行，需要迅

22、速切除故障线路。若系统采用中性点经电阻接地，故障点电压、电流波形均得到改善。系统采用中性点经消弧线圈接地时，由于线圈可产生感性电流，与容性电流相互补偿，减少故障的故障电流，可以提高供电的可靠性。电力系统中性点的接地方式涉及系统电压等级，电力网结构等诸多因素，需综合考虑各接地方式的特点，结合具体情况进行选择，以提高系统安全运行的水平。本科生课程设计（论文）15第 5 章 总结电力系统发生不对称短路后，由于短路点对地故障支路的不对称，使得整个网络电流电压三相不对称：。本论文解决不对称短路的问题核心是对称分量法。根据对称分量法采取的具体方法之一是解析法，即把该网络分解为正，负，零序三个对称序网，这三

23、组对称序分量可分别按对称的三相电路分解。然后将其结果叠加起来。求解不对称短路。首先应该计算各原件的序参数和画出等值电路。然后制定各序网络。根据不同的故障类型，确定出以相分量表示的边界条件，进而列出以序分量表示的边界条件，按边界条件将三个序网联合成复合网，由复合网求出故障处各序电流和电压，进而合成三相电流电压。本科生课程设计（论文）16参考文献1 何仰赞等. 电力系统分析（上）.华中科技大学出版社.2002.1 2 夏道止. 电力系统分析.中国电力出版社.2004.53 李光琦. 电力系统稳态分析.水利电力出版社.1999.74 张岩. 电力自动化设备.电子工业出版社.2006.55 曹路. 电

24、网技术.北京航天航空大学出版社.2007.96 林飞. 电力系统 matlab 仿真.中国电力出版社.2009.1本科生课程设计（论文）17课程设计（论文）报告的内容及其文本格式课程设计（论文）报告的内容及其文本格式1、课程设计（论文）报告要求用 A4 纸排版，单面打印，并装订成册，内容包括：封面（包括题目、院系、专业班级、学生学号、学生姓名、指导教师姓名、起止时间等）设计(论文)任务及评语中文摘要 （黑体小二，居中，不少于 200 字）目录正文（设计计算说明书、研究报告、研究论文等）参考文献2、课程设计（论文）正文参考字数：2000 字周数。3、封面格式4、设计（论文）任务及评语格式5、目录

25、格式标题“目录”（小二号、黑体、居中）章标题（小四号字、黑体、居左）节标题（小四号字、宋体）页码（小四号字、宋体、居右）6、正文格式页边距：上 2.5cm，下 2.5cm，左 3cm，右 2.5cm，页眉 1.5cm，页脚 1.75cm，左侧装订；字体：一级标题，小二号字、黑体、居中；二级，黑体小三、居左；三级标题，黑体四号；正文文字，小四号字、宋体；行距：20 磅行距；页码：底部居中，五号、黑体；7、参考文献格式标题：“参考文献”，小二，黑体，居中。示例：（五号宋体）期刊类：序号作者 1,作者 2,作者 n.文章名.期刊名（版本）.出版年,卷次（期次）:页次.图书类：序号作者 1,作者 2,作者 n.书名.版本.出版地:出版社，出版年:页次.