不对称故障分析与计算的程序设计电力系统分析课程设计.doc

课程设计报告 题 目 不对称故障分析与计算的程序设计课 程 名 称 电 力 系 统 分 析 院 部 名 称 专 业 M电气工程及其自动化 班 级 M09电气工程及其自动化班学 生 姓 名 学 号 课程设计地点 课程设计学时 指 导 教 师 金陵科技学院教务处制目 录1 绪 论电力系统分析是一门介绍电力系统稳态运行分析、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、电压等）是非常必要的。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。其中三相短路为对称短路，后三者为不对称短路。电力运行经验指出，单相接地短路占大多数。因此分析与计算不对称短路具有非常重要意义。2 课程设计的目的及要求2.1课程设计的目的通过课程设计进一步提高学生的收集资料、专业制图、综述撰写的能力，培养理论与实际应用结合的能力，开发独立思考的能力，寻找并解决工程实际问题的能力，为以后的毕业设计与实际工作打下坚实的基础。在电力系统中，发生不对称短路故障的可能性是最大的，本课题要求通过对电力系统分析不对称短路故障进行分析与计算，为电力系统的规划设计、安全运行、设备选择和继电保护等提供重要的依据。2.2课程设计的要求必须遵守国家有关电气的标准规范。必须严格遵守国家的有关法律、法规、标准。满足电力系统的基本要求（电能质量、可靠性、经济性、负荷等级）必须从整个地区的电能分配、规划出发，确定整体设计方案。要求学生初步掌握工程设计的程序和方法，特别是工程中用到的电气制图标准，常用符号，计算公式和编程技巧。通过独立设计一个工程技术课题，设计应用软件，充分提高运用新技术、新信息、新技术成果和装置的能力。具体要求见各课题。在设计过程中，要多思考，多分析，对设计计算内容和结果进行整理和总结。完成课程设计说明书及相关的图，可以手写，可以计算机打印。准备答辨。3 课程设计的题目和设计大纲3.1课程设计的题目电力系统简单结构图如图3.1所示。图3.1 电力系统简单结构图在K点发生不对称短路，系统各元件参数如下：(为简洁，不加下标*)发电机G1：Sn=120MVA，Un=10.5kV，次暂态电动势标幺值1.67，次暂态电抗标幺值为0.9，负序电抗标幺值为0.45；变压器T1：Sn=60MVA，UK%=10.5变压器T2：Sn=60MVA，UK%=10.5线路L=105km，单位长度电抗x1= 0.4/km，x0=3x1,负荷L1：Sn=60MVA，X1=1.2，X2=0.35负荷L2：Sn=40MVA，X1=1.2，X2=0.35取SB=120MVA和UB为所在级平均额定电压。3.2课程设计的设计任务及设计大纲选择110kV为电压基本级，画出用标幺值表示的各序等值电路。并求出各序元件的参数（要求列出基本公式，并加说明）。化简各序等值电路并求出各序总等值电抗。K处发生单相直接接地短路，列出边界条件并画出复合相序图。求出短路电流。设在K处发生两相直接接地短路，列出边界条件并画出复合相序图。求出短路电流。讨论正序定则及其应用。并用正序定则直接求在K处发生两相直接短路时的短路电流。思考提高：用Matlab仿真并比较结果。附录：要画出完整各序等值电路图以及给出参数计算的程序。4 电力系统不对称故障时元件的序参数和等值电路要求：选择110kV为电压基本级，画出用标幺值表示的各序等值电路。并求出各序元件的参数（要求列出基本公式，并加说明）。4.1电力系统不对称故障时各序等值电路图4.1 电力系统不对称故障时正序等值电路图4.2 电力系统不对称故障时负序等值电路图4.3 电力系统不对称故障时零序等值电路4.2电力系统不对称故障时元件参数的计算4.2.1理论分析进行电力系统计算时，采用有单位的阻抗、导纳、电压、电流、功率等的相对值进行运算、称为有名制。在作整个电力系统的等值网络图时，必须将其不同电压级的各元件参数阻抗、导纳以及相应的电压、电流归算至同一电压等级基本级。而基本级一般电力系统中取最高电压级。式中，K1、K2、Kn为变压器的变比；R、X、G、B、分别为归算前的有名值；R、X、G、B、分别为归算后的有名值。进行电力系统计算时，采用没有单位的阻抗、导纳、电压、电流、功率等的相对值进行运算、称为标幺制。标幺值的定义为：本设计中MVA，和所在级平均额定电压相等。在电力系统计算中，用平均额定电压之比代替变压器的实际变比时，元件参数和变量的标幺值的计算可大为简化。所以将元件参数和变量归算至基本级为：而求取电力系统各元件（发电机G、变压器T、电力线路l、电抗器L）电抗的标么值的计算公式如下：4.2.2各元件各序等值电路电抗标幺值的计算选取110kV为电压基本级，在电力系统暂态分析中，等值电路中的电阻可以忽略不计，所以有以下结论。发电机G1的各序等值电路电抗标幺值：发电机的正序电抗标幺值。发电机的负序电抗标幺值。由于变压器的连接方式为连接，所以零序网络与发电机是断开的，无零序电流流过，其零序电抗为0。MATLAB程序如下：程序运行结果为：即有发电机的正序电抗标幺值，负序电抗标幺值。变压器T1和T2的各序等值电路电抗标幺值：变压器T1的正序电抗标幺值。变压器T1的负序电抗标幺值。变压器T1的零序电抗标幺值。由于变压器T1和变压器T2的参数一样，所以变压器T2的正序电抗、负序电抗、零序电抗的标幺值与变压器T1的正序电抗、负序电抗、零序电抗相等。MATLAB程序如下：程序运行结果为：即有变压器T1(T2)的正序电抗标幺值，变压器T1(T2)的负序电抗标幺值，变压器T1(T2)零序电抗标幺值。电力线路l的各序等值电路电抗标幺值：电力线路l的正序电抗标幺值。电力线路l的负序电抗标幺值。电力线路l的零序电抗标幺值。MATLAB程序如下：程序运行结果为：即有电力线路l的正序电抗标幺值，电力线路l的负序电抗标幺值，电力线路l的零序电抗标幺值。负荷L1的各序等值电路电抗标幺值：负荷L1的正序电抗标幺值。负荷L1的负序电抗标幺值。MATLAB程序如下：程序运行结果为：即有负荷L1的正序电抗标幺值，负荷L1的负序电抗标幺值。负荷L2的各序等值电路电抗标幺值：负荷L1的正序电抗标幺值。负荷L1的负序电抗标幺值。MATLAB程序如下：程序运行结果为：即有负荷L2的正序电抗标幺值，负荷L2的负序电抗标幺值。由于变压器的连接方式为连接，所以零序网络与负荷是断开的，无零序电流流过，其零序电抗为0。4.3电力系统不对称故障时用标幺值表示的各序等值电路图4.4 电力系统不对称故障时用标幺值表示的正序等值电路图4.5 电力系统不对称故障时用标幺值表示的负序等值电路图4.6 电力系统不对称故障时用标幺值表示的零序等值电路5 电力系统不对称故障时各序等值电路的化简与计算要求：化简各序等值电路并求出各序总等值电抗。5.1正序等值电路的化简计算图5.1 正序等值电路首先求整个网络对短路点的正序等值电动势和正序等值电抗。在图5.1中，将支路1和支路5并联得支路7，它的电抗和电动势分别为：将支路7、2、4串联，得支路9，它的电抗为：将支路3、6串联得支路8，其电抗为：将支路8、9并联得：图5.2 正序等值网络化简后的电路图5.2负序等值电路的化简计算图5.3 负序等值电路首先求整个网络对短路点的负序等值电抗。在图5.2中，将支路1和支路5并联得支路7，它的电抗分别为：将支路7、2、4串联，得支路9，它的电抗为：将支路3、6串联得支路8，其电抗为：将支路8、9并联得：图5.4 负序等值网络化简后的电路图5.3零序等值电路的化简计算图5.5 零序等值电路将支路1和支路4串联得：图5.4 负序等值网络化简后的电路图6 电力系统不对称故障分析与计算要求：若K处发生单相直接接地短路，列出边界条件并画出复合相序图，求出短路电流；若在K处发生两相直接接地短路，列出边界条件并画出复合相序图，求出短路电流。电力系统中发生不对称短路时，无论是单相接地短路、两相短路还是两相接地短路，只是在短路点出现系统结构的不对称，而其它部分三相仍旧是对称的。根据对称分量法列a相各序电压方程式为上述方程式包含了六个未知量，必须根据不对称短路的具体边界条件列出另外三个方程才能求解。6.1单相接地短路图6.1 单相接地短路边界条件当电力系统中的K点发生单相（A相）直接短路接地故障时，其短路点的边界条件为A相在短路点K的对地电压为零，B相和C相从短路点流出的电流为零，即：复合相序图将边界条件用对称分量法表示为：由上式可以作出单相接地短路的复合序网络图如图6.2所示。图6.2 单相接地短路的复合序网络(Zf=0)所以有：MATLAB程序如下：程序运行结果为：即发生单相直接接地短路时，其短路电流，其短路电流有效值。6.2两相直接接地短路边界条件当电力系统中的K点发生单相（B相和C相）直接短路接地故障时，其短路点的边界条件为：图6.3 两相直接接地短路复合相序图将边界条件用对称分量法表示为：由上式可以作出两相接地短路的复合序网络图如图6.4所示。图6.4 单相接地短路的复合序网络(Zf=Zg=0)由此图直接可以求其序电流为(设各序阻抗为纯阻抗)：进而推出：MATLAB程序如下：程序运行结果为：即发生两相直接接地短路时，其短路电流，。其短路电流有效值。7 正序等效定则及其应用要求：讨论正序定则及其应用。并用正序定则直接求在K处发生两相直接短路时的短路电流。7.1正序等效定则的内容三种简单不对称短路时短路电流正序分量的通式为：式中，称附加阻抗。正序等效定则：在简单不对称短路的情况下，短路点电流的正序分量与在短路点后每一相中加入附加阻抗而发生三相短路的电流相等。表7.1 各种类型短路时附加阻抗值由于故障相短路点短路电流的绝对值与它的正序分量的绝对值成正比，即：式中，是比例系数。其值视短路的种类而异。各种简单短路的值见表7.2。表7.2 各种类型短路时比例系数值根据以上的讨论，可以得到一个结论：简单不对称短路电流的计算，归根结底，不外乎先求出系统对短路点正序、负序和零序等值阻抗（或电抗）；再根据短路种类的不同而组成附加阻抗，将它接入短路点的正序等值电抗；然后就像计算三相短路一样，计算出短路点的正序电流，从而可以算出其他各序电流、各序电压，及短路点的三相电流和三相电压。这样三相短路电流的各种计算方法，也适用于不对称短路时正序电流的计算。7.2正序等效定则的应用利用正序定则直接求在K处发生两相(B相和C相)直接短路时的短路电流。由于在K处B相和C相发生两相直接短路，根据表7.1和表7.2可以得出以下结论：，则：MATLAB程序为：程序运行结果为：即发生两相短路时，短路电流的有效值。