电力系统两相接地短路计算与仿真
电力系统两相接地短路计算与仿真
辽宁工业大学《电力系统分析》课程设计（论文）
题目：电力系统两相接地短路计算与仿真（2）
院（系）：电气工程学院
专业班级：电气112
学号：110303057
学生姓名：李晓冬
指导教师：孙丽颖
教师职称：教授
起止时间：14-06-30至14-07-11
课程设计（论文）任务及评语
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）：
G1、G2：S
N
=35MVA，V
N
=10.5kV，X=0.33；
T1: S
N
=31.5MVA，Vs%=10.5，k=10.5/121kV,△Ps=180kW, △
Po=30kW,Io%=0.8；YN/d-11
T2: S
N
=31.5MVA，Vs%=10， k=10.5/121kV,△Ps=200kW, △Po=33kW,Io%=0.9；
YN/d-11
L12:线路长70km，电阻0.2Ω/km，电抗
0.41Ω/km，对地容纳2.78×10-6S/km；
L23:线路长75km，电阻0.18Ω/km，电抗
0.38Ω/km，对地容纳2.98×10-6S/km；；
L13: 线路长85km，电阻0.18Ω/km，电抗
0.4Ω/km，对地容纳2.78×10-6S/km；；
负荷：S3=45MVA，功率因数均为0.9.
任务要求（节点2发生AC两相金属性接地短路时）：
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AC两相接地短路进行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。
G G
G1 T1 1 L12
2 T2 G2
1:k
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% 答辩20% 以百分制计算
摘要
在电力系统的设计和运行中，必须考虑到可能发生的故障和不正常的运行情况，防止其破坏对用户的供电和电气设备的正常工作。从电力系统的实际运行情况看，这些故障多数是由短路引起的，因此除了对电力系统的短路故障有一较深刻的认识外，还必须熟练掌握电力系统的短路计算。这里着重介绍简单不对称故障两相短路接地的常用计算方法。对称分量法是分析不对称故障常用方法，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。在应用对称分量法分析计算不对称故障时必须首先作出电力系统的各序网络，通过网络化简求出各序网络对短路点的输入电抗以及正序网络的等值电势，再根据不对称短路的不同类型，列出边界方程，以求得短路点电压和电流的各序分量。
本论文介绍有关电力系统故障的基本概念及故障计算中标幺值的特点，并通过短路计算对电力系统的运行状态有一初步的认识，同时对电力系统进行不对称故障的分析计算，主要内容为两相接地短路的分析计算，最后，通过Matlab软件对接地短路故障进行仿真，观察仿真后的波形变化。
关键词：电力系统；短路；对称分量
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 (2)
第2章电力系统不对称短路计算原理 (3)
2.1对称分量法基本原理 (3)
2.2三相序阻抗及等值网络 (5)
2.3两相接地不对称短路的计算步骤 (6)
第3章电力系统两相短路计算 (7)
3.1系统等值电路及元件参数计算 (7)
3.2系统等值电路及其化简 (8)
3.3两相接地短路计算 (9)
第4章短路计算的仿真 (12)
4.1仿真模型的建立 (12)
4.2仿真结果及分析 (14)
第5章总结 (17)
参考文献 (18)
第1章绪论
1.1电力系统短路计算概述
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。
产生短路的原因很多，主要有以下几个方面：（1）元件损坏，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等；（2）气象条件恶化，例如雷击造成的闪络放电或避雷器动作，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，线路或设备检修后未拆除接地线就加上电压等；（4）其他，例如挖沟损伤电缆，鸟兽跨接在裸露的载流部分等。
在三相系统中，可能发生的短路有：三相短路、两相短路、两相短路接地和单相接地短路。
短路的后果可能只破坏局部地区的正常供电，也可能威胁整个系统地正常运行，短路的危险后果一般有以下几个方面：（1）短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，导体间将产生很大的机械效应力，可能使导体和它们的支架遭到破坏。（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，电动机可能停转，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而持续时间又较长时，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。（5）对于架设在高压电力线路附近的通讯线路或铁道通讯系统等产生严重影响。
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，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；（2）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；（3）在设计和选择发电厂和电力系统电气主接线时确定是否需要采取限制短路电流的措施等；（4）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。
1.2本文设计内容
本次课设研究电力系统两相接地短路的计算与仿真。
任务要求（节点2发生AC两相金属性接地短路时）：
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AC两相接地短路进行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 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。
一台发电机接于空载输电线路，发电机中性点经阻抗n Z 接地。在线路某处f 点发生单相（例如a 相）短路，使故障点出现了不对称的情况。a 相对地阻抗为零（不计电弧等电阻），a 相对地电压fa
V
?=0，而b 、c 两相的电0,0≠≠?
?
fc
fb
V
V
。
现在在原短路点人为地接入一组三相不对称的电势源，电势源的各相电势与上述各相不对称电压大小相等，方向相反。
图2.1.(1) 单相接地短路
这种情况与发生不对称故障时等效的，也就是说，网络中发生的不对称故障，可以用在故障点接入一组不对称的电势源来代替。这组不对称的电势源可分解为正序、负序和零序三组对称分量，根据叠加原理，简化为各序的一相等值网络。
注意，在一相得零序网络中，中性点接地阻抗必须增大为三倍。这是因为接地阻抗n Z 上的电压降是由三倍的一相零序电流产生的，从等值观点看，也可以认为是一相零序电流在三倍中型电阻抗上产生的压降。
a
c
b
L
f
a
E ?
b
E ?
c
E ?
++
-+a I b
I ?
c
I ?
图3.1 简单系统的单相短路
图2.1(2) 简化网络图
虽然实际的电力系统接线复杂，发电机的数目也很多，但通过网络化简，任然可以得到与以上相识的的各序电压方程式
)
1()
1()1(fa fa ff eq V
I
Z E ?
??
=-
)
0()
0()0(0fa fa ff V
I
Z ?
?
=-
式中，
eq E .
为正序网络中相对于短路点的戴维南等值电势，)1(ff Z ，)2(ff Z ，)0(ff Z 分别为正序、负序和零序网络中的短路点电流的输入阻抗，)1(fa I ?
,)2(fa I ?
,)0(.fa I ?
分别为短路点电流的正序、负序和零序分量，)
1(fa V ?，)
2(fa V
?
，)
0(fa V
?
分别为短路点电
压的正序、负序和零序分量。
)
2()
2()2(0fa fa ff V
I
Z ?
?
=-
Z1
Z2
Z3
Z4
Z5
B24
B23
B23
B34
B24B34
Z6
Z7
Va(2)
z8
Z2
Z3
Z4
Z5
B 24
B 23
B 23
B 34
B 24
B 34
Z6
Va(0)
z8
2.2 三相序阻抗及等值网络
应用对称分量法分析不对称故障时，首先必须做出电力系统各序网络。为
此应根据电力系统的接线图、中性点接地情况等原始资料，在故障点分别施加各序电动势，从故障点开始，逐步查明个序电流流通情况。凡是某一序电流能流通的原件，都必须包括在该序的网络中，并用相应的序参数和等值电路表示，根据上述原则，我们制定各序网络图。
图2.2(1) 正序网络图
图2.2(2) 负序网络图
图2.2(3) 零序网络图
Z1
Z2
Z3
E1
Z4
Z5
B24
B23
B23
B34
B24B34
Z6
Z7
E2
Va(1)
z8
2.3 两相接地不对称短路的计算步骤
图2.3 两相接地短路
课设要求AC 两相接地，边界要求为：
用序量表示边界条件：
计算步骤：
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；
0=?fb
I 0
=?
fa V 0
=?fc V 0
)0()2()
1(=++?
??fb fb fb I I I ?
?
?
==)
0()2()1(fb fb fb V V V
第3章 电力系统两相短路计算
3.1 系统等值电路及元件参数计算
图3.1 等值电路图
输电线路的电阻、等值电抗和电纳分别为：
Ω142.07012
=?=R
L Ω7.2841.07012
=?=X
L
S B L 10106
6
126.19478.270--?=??=
Ω5.1318.07523
=?=R
L Ω5.2838.07523
=?=X
L
S B L 10106
6
235.22398.275--?=??=
Ω3.1518.08531
=?=R
L Ω344.08531
=?=X
L
jxG1
jxT1
jxL13
jxL23
jxL12
jxT2
jxG2
jxS3Y13
Y13
Y23
Y23
Y12
Y12
+
+
---E1E2
E3
.
.
.
.
S B L 10106
6313.25398.285--?=??=
变压器T1
变压器T2
3.2 系统等值电路及其化简
该系统中没有中性点接地的阻抗、空载线路以及空载变压器，所以正序网络包含所有元件。令所有电源的负序电势为零，就得到了负序网络。因G1、G2中性点没接地，因此没有零序电流流过，所以零序网络中不包含它们。系统的各序网络如图所示。
jxG1(1)
jxT1
jxL12
jxT2
jxG2(1)
jxL13jxS3
jxL23+--
+E1
E2
.
..
.
.
.
图3.2.(1) 正序网络
()
Ω=??=??=02.010
5.315.10180102323
2
1N N S T S V P R Ω=???=?=35.01010
5.315.101010%3
22
1N N S T S V V X ()
Ω=??=??=02.010
5.315.10170102323
2
2
N N S T S V P R Ω=???=?=35.01010
5.315.101010%3
2
2
2N N S T S V V X
jxG1(2)
jxT1
jxL12
jxT2
jxG2(2)
jxL13jxS3
jxL23
.
..
.
图3.2.(2) 负序网络
jxT1
jxL12
jxT2
jxL13jxS3
jxL23
.
.
.
图3.2.(3) 零序网络
3.3 两相接地短路计算
取全系统的基准功率
。基准电压等于各级平均额定电压。各元件等值电抗的标幺值计算如下：
299
.0100
33.05
.102
)
1(=?=x
G
299
.0100
33.05
.102
)2(=?
=x G
A MV S
B ?=100
32.05
.101005.315.1010010100%2
2212
11=??=??=B B N N S T V S S V V x
32.05
.101005.315.1010010100%2
2222
22
=??=??=B B N N S T V S S V V x
217
.0100
41.070115
2
1=?
?=x L 215
.0100
38.075115
2
2=??=x L
257
.0100
40.085115
2
3=?
?=x l
179.081.079.081.0=++=eq
E
50
.081
.01
79.011)1(=+
=
ff X
50
.081
.0179.011)2(=+=
ff X 29
.040
.0138.0111.0)0(=++
=ff X
短路点故障相的电流即A 、C 相电流为：
j j X X X j I ff ff ff f
fb V
46.1)
29.0//5.05.0(1
)//()0()2()1()
0()1(-=+=+=?
?
j
j I X X X I fb ff ff ff fb 54.046.129.05.029
.0)1()0()2()
0()2(=-?+-=+-=?
?
j
j I X X X I fb ff ff ff fb 92.046.129
.05.05.0)1()0()2()2()0(=-?+-=+-=??
根据上式可以求得两相短路接地时故障相电流即A 、C 相电流的绝对值为：
短路点非故障相电压即B 点电压为：
80.007.0)46.1()29
.05.029.05.0()(120240)
1()
0()2()0()2(2)0()2()1(2-=-?+?+-=++-=++=?
?
???j j e e
I X X X a X a I I a I a I j j fb ff ff ff ff fb fb fb fa o
o
80
.007.0)46.1()29
.05.029.05.0()(240120)
1()
0()2()0(2)2()0()2(2)1(+=-?+?+-=++-
=++=?
?
?
?
?
j j e e I X X X a X a I I a I a I j j fb ff ff ff ff fb fb fb fc o
o
()()
22.246.129.05.029
.05.013132
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2()0()1,1(=?+?-?=+-===fb ff ff ff ff fc fa f
I X X X X I I I 81
.033)1()
0()2()0()2()
1(=+==?
?
?
?fb ff ff ff ff fb fb
I X X X X j
V
V
第4章短路计算的仿真
4.1仿真模型的建立
目前，电力系统仿真软件有很多，Matlab以其强大的计算能力、友好的动态仿真环境和丰富的工具箱越来越成为从事包括电力网络、电力电子和控制系统等电力系统学习和研究的重要仿真工具。电力系统暂态功角稳定控制是电力系统稳定运行的第一道防线。暂态稳定性是指电力系统在受到大干扰( 如短路故障, 突然增加或减少发电机出力、大量负荷, 突然断开线路等) 后, 各同步发电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力, 通常指第一或第二振荡周期不失步。提高电力系统暂态稳定性的措施是多样的, 本文以单机—无穷大系统为例, 主要对电力系统稳定器、快速切除故障、故障限流器、单相自动重合闸等措施在提高电力系统暂态稳定性方面的作用运用MATLAB 的电力系统仿真模块集SimPowerSystems。
图4.1 仿真连线图
4.2仿真结果及分析
通过建立电力系统的基本模型，参考实际电力系数参数，对系统的参数进行设置，模拟电力系统运行，对电力系统运行中出现的故障进行设置，模拟故障时系统状态，得出各时段的电压和电流波形图，通过分析各个波形，了解了发生两相接地短路故障时电力系统的详细情况。
图4.2 故障A相电压
图4.3 故障A相电流
图4.4故障B相电压