电力系统单相短路计算与仿真(4)

辽 宁 工 业 大 学

《电力系统分析》课程设计（论文）

题目： 电力系统单相短路计算与仿真（4）

院（系）： 工程技术学院 专业班级：电气工程及其自 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称：

起止时间：15-06-15 至 15-06-26

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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 原始资料：系统如图 课程设计（论文）任务

G1 T1 2 L24 4 T2 G2 G G 1:k k:1 L23 L34 3 S1 各元件参数标幺值如下（各元件及电源的各序阻抗均相同）： T1：电阻0.01，电抗0.15，k=1.05，标准变比侧YN接线，非标准变比侧Δ接线； T2：电阻0.01，电抗0.15，k=1.05，标准变比侧YN接线，非标准变比侧Δ接线； L24: 电阻0.02，电抗0.09，对地容纳0.04； L23: 电阻0.01，电抗0.08，对地容纳0.03； L34: 电阻0.015，电抗0.07，对地容纳0.032； G1和 G2：电阻0，电抗0.08，电压1.05；负荷功率：S1=0.45+j0.15； 任务要求：当节点4发生A相金属性短路时， 1 计算短路点的A、B和C三相电压和电流； 2 计算其它各个节点的A、B和C三相电压和电流； 3 计算各条支路的电压和电流； 4 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； 5 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。 I

指导教师评语及成绩 平时考核： 设计质量： 论文格式： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 II

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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

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目 录

第1章 绪论 .......................................................... 1

1.1 电力系统短路的定义和内容 ..................................... 1 1.2 短路的危险后果 ............................................... 1 1.3 限制短路故障危害的措施 ....................................... 2 1.4 短路计算的目的 ............................................... 2 第2章 短路计算 ...................................................... 3

2.1 负荷序网 ..................................................... 3 2.2 系统等值电路及其化简 ......................................... 4 2.3 单相短路计算 ................................................. 7 第3章 MATLAB仿真 .................................................. 10

3.1 仿真结果分析 ................................................ 10 3.2 分析比较 .................................................... 11 3.3 系统仿真的总结 .............................................. 11 第4章 课程设计总结 ................................................. 12 参考文献 ............................................................ 13

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第1章 绪论

1.1 电力系统短路的定义和内容

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

产生电路的原因: （1）元件损坏 （2）气象条件恶化 （3）违规操作 （4）挖沟损坏电缆 电力系统的类型有: （1）三相短路 （2）两相短路 （3）两相短路接地 （4）单相接地

三相短路是对称的,其他三种短路都是不对称的.在四种短路类型中,单相短路接地故障发生的概率最高,可达65%,两相短路约占10%,两相短路接地约占20%,三相短路约占5%.虽然三相短路发生的概率最小,但他对电力系统的影响最严重。

1.2 短路的危险后果

短路对电器设备和电力系统的正常运行都有很大的危害.发生短路后,由于电源供电回路阻抗的减小以及产生的暂态过程,是短路回路中的电流急剧增加,其数值可能超过该回路额定电流的许多倍。短路点据发电机的电气距离越近,短路电流越达。例如发电机端发生短路时,流过定子绕组的短路电流最大顺时值可能达到发电机额定电流的10~15倍.再大容量的电力系统中,短路电流可达几万安,甚至几十万安其具体后果如下

（1）短路故障使短路点附近的支路中出现比正常值大许多的电流,由于短路电流电动力作用,导体之间将产生很大机械应力,可能使导体和他们的支架遭到破坏。

（2）短路电流使设备发热增加,短路持续时间较长是设备可能过热导致损坏.

（3）短路时系统电压大幅度下降，对用户影响很大。

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（4）短路发生的点离电源不远切持续时间很长时，并列运行的发电厂可能失去同步，破坏系统稳定，造成大面积停电。

（5）发生不对称短路时，不平衡电流能产生足够的磁通在临近的电路内感应出很大电动势，对于架设在高压电力线附近的通讯信号产生影响。

短路故障分析的内容和目的如下

短路故障分析的主要内容包括故障后电流的计算,短路容量(短路电流与故障前电压的乘积)的计算,故障后系统中各点电压的计算以及其他的一些分析和计算,如故障时线路电流与电压之间的相位关系等。短路电流计算与分析的主要目的在于应用这些计算结果进行机电保护设计和整定值计算,开关电器,串联电抗器,母线,绝缘子等电器设备的设计,制定限制短路电流的措施和稳定性分析等。

1.3 限制短路故障危害的措施

电力系统设计和运行时,都要采取适当的措施来降低发生短路故障的概率,例如采用合理的防雷措施,降低过电压水平,使用结构完善的配电装置和加强运行维护管理等。同时还要采取减少短路危害的措施,其中,最主要的是迅速将发生短路的元件从系统中切除,使无故障部分的电网继续正常运行。

在发电厂,变电所及整个电力系统的设计和运行中,需要合理地选择电器接线,恰当地选用配电设备和短路器,正确地设计机电保护以及选择限制短路电流的措施等,而则些都必须以段路故障设计计算结果作为依据。

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。

1.4 短路计算的目的

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)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。

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第2章 短路计算

2.1 负荷序网

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 正序图

图2.2 负序图

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图2.3 零序

2.2 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，转化后其正序、负序和零序网络图如下。

图2.4 正序网络

图2.5 负序网络

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图2.6 零序网络

对正序、负序和零序网络内电抗进行Y—△转换计算如下

X34X240.070.09X10.026X24X34X230.070.080.09X34X230.070.08X20.024X24X34X230.070.080.09X23X240.080.09X30.03X24X34X230.070.080.09三相序阻抗化简，其等值网络图如下。

图2.7正序等值网络

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图2.8负序等值网络

图2.9零序等值网络

对等效电抗进行计算 （1）正序

jXG1(1)jXT1jX3j0.15j0.15j0.03j0.33

jX2jXS1(1)j0.026j0.15j0.176

jXT2jXG2(1)j0.15j0.08j0.23

0.712通过等效变换得jXff(1)j0.117，EV eq（2）负序

jXG1(2)jXT1jX3j0.15j0.15j0.03j0.33

jX2jXS1(2)j0.026j0.15j0.176

jXT2jXG2(2)j0.15j0.08j0.23

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jXff(2)jXG1(2)1111jXT1jX3jX2jXS1(2)jXT2jXG2(2)jX11j0.021j0.117111j0.3245j0.221j0.35（3）零序

jXff(0)1jX1(0) 111jXT1jX3(0) jX2(0)jXT2 1j0.021j0.03911 1j0.15j0.0245j0.021j0.22.3 单相短路计算

0,I0,I0，单相接地短路时，故障处的三个边界条件为V经过整理后abc便得到用序量表示的边界条件为

Vfa(1)+Vfa(2)+Vfa(0)=0

 Ifa(1)=Ifa2=Ifa(0) (2-1) 短路点电流和电压的各序分量为

Ifa(1)Ifa(2)Ifa(0)Vfa(1)Vf(0)-jXff(1)Ifa(1)Vfa(2)-jXff(2)Ifa(1)Vfa(0)-jXff(0)fa(1) (2-2)

I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。

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Va=0abcIaIb=0Ic=0

图2.10 单相接地短路

图2.11 单相短路的复合序网

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短路点的故障相电流为 III If(1)fafa(1)fa(2)Ifa(0)3Ifa(1)

(2-3)

或

 If(1)3Vf(0)j(Xff(1)Xff(2)Xff(0))

(2-4)

带入式(2-4)各个数据，得

3V3×13f(0) If(1)===j(Xff(1)+Xff(2)+Xff(0))j(0.1166+0.1166+0.0381)j0.2713由式(2-3)和式(2-1)得

11 Ifa(1)=Ifa(2)=Ifa(0)=If(1)=3j0.2713由式(2-2)得

VVa(1)a(0)Va(2)Va(0)j(0.11660.0381jXff(1)I)a(1)j0.116610.58j0.273

jXff(2)Ia(1)jXff(0)a(1)I1-0.43j0.27131j0.0381-0.14j0.2713短路点非故障相的对地电压

a2VVaVVfbfa(1)fa(2)fa(0)j[(a2a)Xff(2)(a2-1)Xff(0)]Ifa(1)1j0.2713

j[(a2-a)0.1166(a2-1)0.0381]22VfcaVaVVj[(a-a)Xff(2)(a-1)Xff(0)]Ifa(1)fa(2)fa(2)fa(1)j[(a-a2)0.1166(a-1)0.0381]1j0.2713

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第3章 Matlab仿真

3.1 仿真结果分析

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3.1 单项接地（A相）电压

图3.2 单项接地（A相）电流

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

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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3.3 单项(A相)接地各项电流波形

3.2 分析比较

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。

3.3 系统仿真的总结

系统仿真技术是解决工程领域问题的主要手段之一，本次利用MATLAB软件在仿真平台上进行电力系统单项短路故障的仿真和分析。在科技水平日益发达的今天，需要我们灵活掌握现有工具，帮助加深理解，找寻解决问题的方法。软件在电力系统分析课程中的运用也必将成为大势所趋。

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第4章 课程设计总结

用对称分量法计算单相接地短路电流，需要用变换矩阵进行相模变换求出正、负、零序电压、电流和阻抗9个参数，经给出的（1）-（3）个方程求得短路电流If用不对称三相电路分析计算，要经(4)-(7)式4个方程才能求得短路电流If用戴维南定理分析法，只需在系统等值的基础上求出短路点f点的电压，Z参数可直接从系统等值电路求得。再进行MATLAB仿真得出短路点的电流和电压与计算的结果进行比较得出正确的结论。

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参考文献

[1]《电力系统分析》（上、下册），何仰赞编，华中科技大学出版社，2000年

[2] 《实用电气工程师手册》（上、下册）（2001、2002广东科技出版社）

[3] 夏道止 《电力系统分析》 北京：中国电力出版社 2004年 [4] 陈衍 《电力系统稳态分析》 北京：水利电力出版社 1995年 [5] 李光琦 《电力系统暂态分析》 北京：水利电力出版社 1995年 [6] 何仰赞等 《电力系统分析（上、下册）》 武汉：华中工学院出版社 1995

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[7]西安交通大学主编 〈〈电力系统工程基础〉〉 北京：电力工业出版社，1981

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