电力系统分析-电力系统对称短路计算与仿真

《电力系统分析-电力系统对称短路计算与仿真》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力系统分析-电力系统对称短路计算与仿真（23页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学电力系统分析电力系统分析课程设计（论文）课程设计（论文）题目：题目： 电力系统对称短路计算与仿真（电力系统对称短路计算与仿真（2）院（系）：院（系）： 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 教师职称：教师职称： 起止时间：起止时间： 15-07-06 至至 15-07-17 本科生课程设计（论文）I课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语院（系）： 教研室： 课程设计（论文）任务原始资料：系统如图，各元件参数如下：G1：无限大系统，VN=120kV；G3（额定运行）：SN=30MVA，VN=10.5kV，

2、X=0.25；T: SN=31.5MVA，Vs%=10.5， k=10.5/121kV,Ps=220kW, Po=50kW,Io%=0.8；L12:线路长 50km，电阻 0.20/km，电抗 0.41/km，对地容纳 2.8010-6S/km；L14:线路长 70km，电阻 0.18/km，电抗 0.4/km，对地容纳 2.9010-6S/km；L24: 线路长 75km，电阻 0.22/km，电抗 0.42/km，对地容纳 2.9810-6S/km；L45: 线路长 30km，电阻 0.2/km，电抗 0.41/km，对地容纳 2.7810-6S/km；负荷：S2=30MVA，：S4=18

3、MVA，功率因数均为 0.9.任务要求（节点 4 发生三相金属性短路）1 计算各元件的参数；2 画出完整的系统等值电路图；3 计算短路点和其它各个节点的电压和支路电流；4 忽略对地支路，计算短路点和其它各个节点的电压和支路电流；5 在系统正常运行方式下，对各种不同时刻三相短路进行 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。G1 1 L12 2 S2 L14 L24 5 3 G3 4 S4 L45 T 本科生课程设计（论文）II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 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60%

4、答辩20% 以百分制计算本科生课程设计（论文）III摘 要在电力系统运行过程中，时常会发生故障，且大多是短路故障。短路通常分为三相短路、单相接地短路、两相短路和两相接地短路。短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发生通路的情况。产生短路的原因有很多，如元件损坏，气象条件恶化，违规操作等等。三相短路也成为对称短路，系统各项与正常运行时一样仍处于对称状态。三相短路电流计算是电力系统规划、设计、运行中必须进行的计算分析工作。目前，三相短 路电流超标问题已成为困扰国内许多电网运行的关键问题。然而，在进行三相短路电流计算时，各设计、运行和研究部门采用的计算方法各不相同，这

5、就有可能造成短路电流计算结论 的差异和短路电流超标判断的差异，以及短路电流限制措施的不同。本课程设计忽略线路电容和非旋转负载的并联导纳，不计电弧电阻，利用故障前节点电压，节点电阻和短路点电流，构成节点方程，求得短路后各节点电压和各支路电流。三相短路在电力系统中虽然发生的概率很低，但是一旦发生产生将会产生非常严重的后果。电力系统中设备的动稳定性和热稳定性校验，都是要以三相短路电流为依据。最后将利用 MATLAB 软件进行模拟仿真，得到电压和电流的关系。比较它们波形图之间的关系，然后总结出对称短路的特点。关键词：对称短路；动稳定性；热稳定性；金属短路；节点方程本科生课程设计（论文）IV目 录第 1

6、 章 绪论 .11.1 电力系统短路计算概述 .11.2 本文设计内容 .2第 2 章 电力系统对称短路计算原理 .32.1 对称短路计算的基本假设 .32.2 系统元件及等值网络 .32.3 对称短路的计算方法及步骤 .5第 3 章 电力系统三相短路计算 .73.1 系统等值电路及元件参数计算 .73.2 系统等值电路及其化简 .83.3 对称短路计算 .12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 .17参考文献 .18本科生课程设计（论文）1第 1 章 绪论1.1 电力系统短路计算概述电力系统分析是一门介绍电力系统稳态

7、运行分析、故障分析和暂态过程分析的课程。电力系统分析的基础为电力系统潮流计算、短路故障计算和稳定计算。 在电力系统运行过程中，时常会发生故障，其中大多数是短路故障（简称短路） 。所谓短路，是指电力系统正常运行情况以外的相与相之间或相与地（或中性线）之间的连接。产生短路的主要原因是电气设备载流部分的相间绝缘或相对地绝缘损坏。此外运行人员在短路检修后未拆除地线就加电压等误操作也会引起短路故障。 短路问题是电力技术方面的基本问题之一。在发电厂、变电站以及整个电力系统的设计和运行工作中，都必须事先进行短路计算，以此作为合理选择电气接线、确定限制短路电流措施等的重要依据。为此计算短路时各种运行参量（电流

8、、电压等）是非常必要的。产生短路的原因很多主要有如下几个方面：(1)原件损坏，例如绝缘材料的自然老化，设计，安装及维护不良所带来的设备缺陷发展成短路，(2)气象条件恶化，例如雷电造成的闪络放电或避雷针动作，架空线路由于大风或导线覆冰引起电杆倒塌等。(3)违规操作，例如运行人员带负荷拉刀闸(4)其他，例如挖沟损伤电缆。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

9、系统的正常运行造成严重影响和后果。随着短路类型、发生地点和持续时间的不同，短路的后果可能只是破坏局部地区的正常供电吗，也可能威胁整个系统的安全运行，短路的危险后果一般有以下几个方面：本科生课程设计（论文）2(1)路故障使短路点附近的支路中出现比正常值大许多倍的电流，由于短路电流的电动力效应，导体间讲产生很大的机械应力，可能使导体和他们的支架遭到破坏。(2)路电流使设备发热增加，短路持续时间较长时，设备可能过热以致损坏。(3)短路时系统电压大幅度下降，对用户影响很大。系统中最主要的电力负荷是异步电动机，他的电磁转矩同端电压的平方成正比，电压下降时，电动机的电磁转矩显著减小，转速随之下降。当电压大

10、幅度下降时，电动机甚至可能停转，造成产品报废，设备损坏等严重后果。 (4)当短路发生地点离电源不远二持续时间又较长时，并列运行的发电厂可能失去同步，破坏系统稳定，造成大片地区停电。这是短路故障的最严重后果。 (5)发生不对称短路时，不平衡电流能产生足够的磁通在邻近的电路内感应出很大的电动势，这对于架设在高压电力线路附近的通讯线路或铁道讯号系统等会产生严重的影响。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，比如在选择发电厂和电力系统的主接线时为啦比较不同方案接图，进行电力系统暂态稳定计算，研究短路对用户的影响。合理配置各种继电保护和自动装置并正确整定其参

11、数都必须进行短路的计算和分析。1.2 本文设计内容本次课程设计研究的是根据电力系统分析课程中所讲的基于节点方程的三相短路计算的原理和方法。三相短路在电力系统中虽然发生的概率很小，但是一旦发生产生的影响非常严重，电力系统中设备的动稳定和热稳定校验都要以三相短路电流为依据，三相对称短路，根据给定的系统图及各个元件参数，计算短路点的电压和电流，然后依次计算其他各节点的电压和电流。画出系统的等效电路图，根据此等效电路图分别计算各个支路的短路点呀和电流。忽略对地支路，重新计算各短路点的短路电压和电流，其他各个节点及支路的电压和电流。在系统正常运行方式下，对各种不同时刻三相短路进行 Matlab 仿真，最

12、后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。本科生课程设计（论文）3第 2 章 电力系统对称短路计算原理2.1 对称短路计算的基本假设电力系统三相短路主要是短路电流周期分量的计算，工程中着重实用，电力系统三相短路电流计算可采用实用的计算方法，采用一定的简化和假设。1.无限大功率电源所谓无限大功率电源，是指当电力系统的电源距短路点的电气距离较远时，由短路而引起的电源输出功率（电流及电压）的变化，远小)(QjPSS于电源所具有的功率 S，即存在如下关系 S，则称该电源为无限大功率电源，S记作 S=。无限大功率电源的特点是：1) 由于 P ，所以可以认为在短路过程中无限大功率电源的频率是

13、恒定P的；2) 由于 Q，所以可以认为在短路过程中无限大功率电源的电压是恒定Q的；3) 电压恒定的电源，内阻抗必然等于零。因此可以认为无限大功率电源的内阻抗 X=0。2.短路计算的基本假设条件1)磁路的饱和、磁滞忽略不计。系统中各元件的参数便都是恒定的，可以运用叠加原理；2)系统中除三相不对称故障处以外都可以当作是对称的。因而在应用对称分量法时，对于每一序的网络可以单相等值电路进行分析；3)短路为金属性短路短路处的过渡电阻等于零。过渡电阻指短路处的接触电阻，如电弧电阻或外物电阻，接地电阻；4)不计线路电容，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） 。本科生课程设计（论文）42

14、.2 系统元件及等值网络L12 元件实际值计算如下：1020. 05012LR5 .2041. 05012LXSSBL4612104 . 11080. 250L14 元件实际值计算如下： 6 .1218. 07014LR2840. 07014LXSSBL46121003. 21090. 270L24 元件实际值计算如下： 5 .1622. 07524LR5 .3142. 07524LXSSBL462410235. 21098. 275L45 元件实际值计算如下：620. 03045LR3 .1241. 03045LXSSBL464510834. 01078. 230根据计算公式变压器 T 的实

15、际值如下：244. 010315005 .1022010322 .322NNSTSVPR3675. 010315001005 .105 .1010100%3232NNSTSVVX系统原网络及等值网络如图 2.1 和 2.2 所示：本科生课程设计（论文）5图 2.1 系统的原网络图图 2.2 系统等值网络图2.3 对称短路的计算方法及步骤对称短路的计算对于不太复杂的电力系统，在制订等值电路并完成元件参数计算后，可以直接对原网络进行等值变换求得转移阻抗可以保留电势源节点和短路点，通过原网络的等值变换逐步消去一切中间节点，形成以电势源节点和短路点为顶点的全网形电路，这个最终电路中联接电势源节点和短路

16、点的支路阻抗即为该电源对短路点的转移阻抗短路电流计算的标准主要有 IEC 标准和 ANSI 标准，中国采用的是 IEC 标准。国标规定了短路电流的计算方法、计算条件。国标推荐的三相短路电流计算方法是等值电压源法，其计算条件为：1) 不考虑非旋转负载的运行数据和发电机励磁方式；2) 忽略线路电容和非旋转负载的并联导纳；3) 具有分接开关的变压器，其开关位置均视为在主分接位置；4) 不计弧电阻，35 kV 及以上系统的最大短路电流计算时，等值电压源取标称电压的 1.1 倍，但不超过设备的最高运行电压。此外，在确定输电线路对通讯的干扰，对已经发生故障进行分析，都必须进本科生课程设计（论文）6行短路计

17、算。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。具体步骤如下： 1. 选择短路点； 2. 画出计算用等值网络，利用标幺值计算： a)基准值选取；b)各种标幺值的计算；c)各元件的电抗编号。3. 网络化简，求转移电抗； 4. 求相应的计算电抗； 5. 求短路电流有名值。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

18、为直流电路的求解。本科生课程设计（论文）7第 3 章 电力系统三相短路计算3.1 系统等值电路及元件参数计算在电力系统的电气计算中，常用等值电路来描述系统元件的特性。电力系统的运行状态基本上是对称的（如正常运行状态）或者是可以化为三相对称的（如用对称分量法） ，因此，只要研究一相的情况就可以了。电力系统各元件的三相，有星形接线法和三角形接法，相应地三相等值电路也有星形电路和三角形电路。为了便于应用一相等值电路进行分析计算，常把三角形电路化为星形电路。等值电路中的参数是计及了其余两相影响（如相间互感等）的一相等值参数。在一般的电路计算中，电压、电流、功率和阻抗的单位分别用 V，A，W，表示，这种

19、用实际有名单位表示的物理量的方法称有名单位制。在电力系统计算中，还广泛地采用标幺制。标幺制是相对单位制的一种，在标幺制中各物理量都是用标幺值表示。由设计要求中的所给的条件和各元件参数，首先设定功率的基准值 ，基准电压。由 2.1 节中所求的各元件实AMVSB100KVUB100际值，利用标幺值的定义：单位）基准值（与有名值同一）实际有名值（任意单位标幺值 10010100100000622BBBSVZ阻抗的基准值：*jXRZjXRZB由上述公式和定义可以得到对应各元器件的标幺值，具体参数如下：各线路元件阻抗的标幺值：16. 008. 02jZL24. 012. 024jZL21. 000. 1

20、14jZL00. 105. 045jZL本科生课程设计（论文）8各线路元件对地容纳的标幺值：02. 012LB03. 024LB03. 014LB01. 045LB变压器元件一、二次侧阻抗的标幺值：37. 002. 0jZT04. 0002. 0110jkZZT003. 00002. 0)1 (20jkkZZT03. 0002. 012jkZZT发动机元件的标幺值：3G83. 03010025. 03GX13GE发动机元件的标幺值：1G04. 11151201GE3.2 系统等值电路及其化简网络化简，分别求出短路点至各等值电源点之间的总电抗。1.星角变换公式 角星变换公式 2313123112

21、1XXXXXXn23131232122XXXXXXnnnnnnXXXXXX3212112nnnnnXXXXXX3323223本科生课程设计（论文）92. 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；由原系统整体图和所给条件，还有各元件的参数绘出完整的系统等值电路，如图 3.1 所示。图 3.1 系统等值电路图因为系统的等值电路图中在做变压器等效计算时，的对地电容10Z20Z45Z对整体系统的作用不是很大，所以可以对其进行忽略，所以化简后各参数如下：025. 05 .

22、 05 . 012141jBjBjZLLb025. 05 . 05 . 012242jBjBjZLLb23131231323XXXXXXnnnnnnXXXXXX2313113本科生课程设计（论文）1003. 05 . 05 . 045243jBjBjZLLb2 . 207. 03454jZZZZGTLb而在对电容进行合并后可以得到的进一步简化等效电路图，如图 3.2 所示：图 3.2 电容合并后的简化等效电路图再对整体的等效电路图进一步简化，通过星角变换对整体系统的运用后，相应的元器件的参数值如下： 23. 076. 014141214121jZZZZZZLLLLLC 015. 0006. 0

23、14141224142jZZZZZZLLLLLC 015. 013. 014141224123jZZZZZZLLLLLC 03. 0015. 043431jZZZZZbbbbd本科生课程设计（论文）11 004. 0012. 0434331jZZZZZEEbbbbGd地星角变换后简化电路图，如图 3.3 所示：图 3.3 等效电路图反复利用公式化简可将电路化为最简电路，如图 3.4 所示：图 3.4 最简电路 022. 00075. 0025. 023. 076. 0025. 0)23. 076. 0(11111jjjjjZZZZZbCbC011. 00042. 003. 0015. 0006

24、. 003. 0)015. 0006. 0(32322jjjjjZZZZZbCbC本科生课程设计（论文）12 008. 0055. 0011. 00042. 0022. 00075. 0)011. 00042. 0()022. 00075. 0(21213jjjjjZZZZZ18. 065. 0025. 022. 07 . 0025. 0)22. 07 . 0(41414jjjjjZZZZZCbCb 18. 065. 0008. 0055. 0015. 013. 0)18. 065. 0()008. 0055. 0015. 013. 0()(433433jjjjjjZZZZZZZCCff15.

25、 0089. 0j05. 022. 0jEeq3.3 对称短路计算考虑对地支路，节点 4 发生金属性短路时的短路电流： 81. 072. 015. 0089. 005. 022. 0jjjZEIffeqf根据所给条件和之前计算出的相应参数，再由戴维宁定理计算相应的参数，最后对系统进行对称短路计算：各节点电压为： V04. 11VV04VV 13V 0021. 034. 02jV各支路电流计算： 3 . 21 . 116. 008. 0)0021. 034. 0(04. 1122112jjjZVVIL 09. 053. 024. 014. 000021. 034. 0244224jjjZVVI本

26、科生课程设计（论文）13 9 . 16 . 221. 000. 1004. 1144114jjZVVIL 998. 005. 000. 105. 010453445jjZVVIL忽略对地支路，当节点 4 发生三相金属短路时：图 3.5 忽略对地支路等效电路2 . 27 . 0015. 03 . 1 . 023. 0076. 0)2 . 27 . 0()015. 013. 023. 076. 0()(431431jjjjjjZZZZZZZCCCCCCff 87. 021. 1j08. 062. 01)(04. 1431431jZZZZZECCCCCCeq13. 081. 087. 021. 10

27、8. 062. 0jjjZEIffeqff本科生课程设计（论文）14第 4 章 短路计算的仿真4.1 仿真模型的建立Matlab 和 Mathematica、Maple 并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。Matlab 可以进行矩阵运算、绘制函数和 数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 Matlab 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用 Matlab 来解算问题要比用 C，FORTRAN 等语言完成相同的事情简捷得

28、多，并且 mathwork 也吸收了像 Maple 等软件的优点,使 Matlab 成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对 C，FORTRAN，C+ ，Java 的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到 Matlab 函数库中方便自己以后调用，此外许多的 Matlab 爱好者都编写了一些经典的程序，用 户可以直接进行下载就可以用。利用 Matlab 对系统调试与仿真模型的建立，如图 4.1 所示。本科生课程设计（论文）15图 4.1 系统仿真模型图4.2 仿真结果及分析由上述仿真模型图将各元件参数输入模型图中进行仿真，在稳态时，故障点各相电流由于三相故障发生器处于断开

29、状态，因而三相电压实际上是加载在 S4上的电压。在 0.015s 时，三相短路故障发生器闭合发生三相短路，故障点各相电流发生变化，由于闭合时有初始输入量和初始状态量。因而故障点各相电流波形上升或者下降。故障点三相电压由于发生三相接地短路，此时三相电压实际上是S4 上的电压，发生暂态波动。电力系统三相短路仿真结果如图 4.2 和图 4.3 所示。图 4.2 发生三相短路各点电流波形本科生课程设计（论文）16图 3.3 节点 4 电压波形在稳态时，故障点电流正序分量由于三相电流短路故障发生器处于断开状态，因而幅值相角为 0。在 0.01s 时，三相电流短路故障发生器闭合，此时电路发生三相短路，故障

30、点电流正序分量得幅值下降，故障点电流正序分量的相角继续下降。系统的正序分量波形图如图 4.4 所示。图 3.4 短路点正序分量波形本科生课程设计（论文）17第 5 章 总结本次课程设计是电力系统对称短路计算与仿真，研究电力系统稳态情况的一种最基本计算，是研究和分析电力系统的基础。本课程设计忽略线路电容和非旋转负载的并联导纳，不计电弧电阻，利用故障前节点电压，节点电阻和短路点电流，构成节点方程，求得短路后各节点电压和各支路电流。三相短路在电力系统中虽然发生的概率很低，但是一旦发生产生将会产生非常严重的后果。电力系统中设备的动稳定性和热稳定性校验，都是要以三相短路电流为依据。同时在计算过程中还利用

31、了 MATLAB 软件工具。MATLAB 软件不仅减小了我的工作量，尤其在进行复数运算时可以很大的提高工作速度，而且还能增加正确率。MATLAB 仿真图所示的结果证实了课设计算结果，最后将利用 MATLAB软件进行模拟仿真，得到电压和电流的关系。比较它们波形图之间的关系，然后总结出对称短路的特点。 在短路计算中通过对支路电流分布计算，可以解决如何是系统支路达到经济分布的效果，从而有利于电力网建设和电能分配，对于在电力网中产的电能损失。 本科生课程设计（论文）18参考文献1 何仰赞等.电力系统分析（上）.华中科技大学出版社.2002.1 2 何仰赞等.电力系统分析（下）.第三版.华中科技大学出版

32、.2002.1 3 熊信银、张步涵.电力系统工程基础M .华中科技大学出版社.2003.24 李广凯、李庚银.电力系统仿真软件综述J. 电气电子教学学报.2005.6 5 彭建飞等.MATLAB 在电力系统仿真研究中的应用J. 计算机仿真.2005.66 周荣光.电力系统故障分析M .清华大学出版社.1988.1 7 钟麟、王峰.Matlab 仿真技术与应用教程M.：国防工业出版社.2004 .88 华智明、岳湖山.电力系统稳态计算M.重庆大学出版社.1991.1 9 张钟俊.电力系统电磁暂态过程M.中国工业出版社.1961.510 西安交通大学等六院校.电力系统计算M.水利电力出版社.1995.5 11 周荣光.电力系统故障分析M .清华大学出版社.1988.112电气工程师手册第二版编辑委员会.北京：机械工业出版社.200013 李光琦.电力系统暂态分析M.北京：水利电力出版社.2002.514 陈衍.电力系统稳态分析M.北京：水利电力出版社.2004.115 刘万顺.电力系统故障分析习题集.北京：水利电力出版社.2004.2