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1、南昌工程学院本科课程设计（论文）第一章 引言随着电力工业的发展，电力系统的规模越来越大，电力系统的所有一次设备在运行过程中由于外力、绝缘老化、过电压、误操作、设计制造缺陷等原因会发生如短路、断线等故障。最常见同时也是最危险的故障时发生各种类型的短路。在发生短路时可能产生以下后果：1.通过短路点的很大短路电流和所燃起的电弧，使故障元件损坏。2.短路电流通过非故障元件，由于发热和电动力的作用使其损坏或缩短其使用寿命。3.电力系统中部分地区的电压大大降低，使大量的电力用户的正常工作遭到破坏或产生废品。4.破坏电力系统中各发电厂之间并列运行的稳定性，引起系统震荡，甚至使系统瓦解。而在分析解决事故故障时
2、要不断的实验，在现实设备中很难实现，一是实际的条件难以满足；二是从系统的安全角度来讲也是不允许进行实验的。考虑这两种情况，寻求一种最接近于电力系统实际运行状况的数字仿真工具十分重要，而MATLAB软件中的SIMULINK是用来对动态系统进行建模、仿真和分析的集成开发环境，是结合了框图界面和交互仿真能力的非线性动态系统仿真工具，为解决具体的工程问题提供了更为快速、准确和简洁的途径。 5第二章 高压输电线路短路故障模型建立2.1对MATLB和SIMULINK的简单介绍在建立仿真模型的过程中我们使用MATLAB软件中的Simulation工具，下面对它们作简单介绍。2.1.1 MATLAB软件任何科
3、学研究和工程设计，都无法离开数学运算。从最初一个新的设计构思到通过软件进行实际情况的模拟，再到应用到具体的工程之中，大量反复的数学计算让技术人员、科研人员费劲心思。其工作量之大往往消耗了大量的精力，但也许因为一个小小的计算失误而前功尽弃。因而科研人员根据自己的工程编制了不同的计算程序，但是浪费了大量的人力、物力。MATLAB就是基于这种需要诞生的。在MATLAB的数值计算方面，提供了矢量、矩阵、数组、线性代数、函数与多项式、微积分等各方面的内容。不管是科学研究还是工程技术所涉及到的数值处理技术，MATLAB都给出了完善的解决方案。MATLAB在科学研究个工程设计方面的另一个重要内容，是推出了与
4、数值处理联系紧密的图形绘制功能。众所周知，图形的直观表示对于科学分析有着举足轻重的作用。单凭数据的累计，技术人员和科研人员无法从繁芜的数据中提取重要的信息。MATLAB的图形处理功能对此进行了完美的解决。2.1.2 SIMULINK/SimPowerSystems介绍MATLAB软件中的SIMULINK是用来对动态系统进行建模、仿真和分析的集成开发环境，是结合了框图界面和交互仿真能力的非线性动态系统仿真工具。SIMULINK 专用元件库包含以下一些子元件库：Communications Blockset（通信元件库）、DSP Blockset （数字信号处理元件库）、SimPowerSyste
5、ms（电力系统元件库）、Neural Network Blockset （神经网络元件库）等。这些元件库为解决具体的工程问题提供了更为快速、准确和简洁的途径，避免了用SIMULINK 提供的基本元件来构造模型的繁琐。SimPowerSystems（电力系统元件库）涵盖了电路分析、电力电子、电力系统等电气工程学科中基本元件的仿真模型。它包括：Electrical Sources（电力元件），Elements（线路元件），Power Electronics（电力电子元件），Machines（电机元件），Connectors（连接器元件），Measurements（电路测量仪器），Extras（附加
6、元件），Demos（演示教程）和Powergui（电力图形用户接口）等元件。2.2仿真模型的设计与实现在电力系统中，大多数故障时由于短路故障引起的。在发生短路故障的情况下，电力系统从一种状态变化到另一种状态，产生复杂的暂态现象。在三相系统中，可能发生短路有三相短路、两相短路、两相短路接地和单相接地短路。我们设定仿真模型使用理想三相电压源作为电路的供电电源，使用分布参数输电线路作为输电线路，输电线line1的长度为100km，输电线路line2的长度为100km；使用三相电路短路故障发生器进行不同类型的短路。电压源为Y接类型，输电线路line2端为中性点接地。在Simulation菜单中选择需要
7、的各种元件、节点等，进行合理放置并连接如图3-1所示。图3-1 恒定电压源电路短路模型2.3仿真参数设置当电路图设计完成后，对其进行参数的设置。（1）在前面设置三相电路短路故障发生器时，将接地短路的时间设置为0.01 0.04。根据接地短路发生时间设置仿真参数。（2）在电路图的菜单选项中，选择Simulation菜单，激活Configuration Parameters命令，弹出Configuration Parameters对话框。根据对暂态过程时间的估算，对仿真参数进行如下设置：Start time: 0;Stop time: 0.1;Type: Variable-step,ode15s(
8、stiff/NDF);Max step size: auto;Min step size: auto;Intial step size:auto;Relative tolerance: le-3;Absolute tolerance:auto。结束后还要对每个元件进行参数设置，然后才可以进行仿真实验。29第三章 简单不对称故障的分析计算3.1 不对称三相系统中的对称分量法对称分量法：就是将一组不对称的三相相量分解为三组对称的三相相量，或者将三组对称的三相相量合成为一组不对称的三相相量的方法。对称分量法的实质是叠加定理在电力系统中的应用，因此只适用于线性系统的分析。在一个多相系统中，如果各相量的
9、绝对值相等，且相邻两相间的相位差相等，这就构成了一组对称的多相量。在三相系统中，任意不对称的三相量只可能分为三组对称分量，这三组对称分量分别为：（1）正序分量：三相量的正序分量大小相等，彼此相位互差120，且与系统在正常对称运行方式下的相序相同，这就是正序分量。此正序分量为一平衡三相系统，如图3-1（a）所示（图中的 可以为电动势、电压和电流）。正序分量通常又称为顺序分量。（2）负序分量：三相量的负序分量大小相等，彼此相位互差120，且与系统在正常对称运行方式下的相序相反，这就是负序分量。负序分量亦为一平衡三相系统，如图3-1（b）所示。负序分量通常又称为逆序分量。（3）零序分量：是由大小相等
10、，而相位相同的相量组成，如图3-1（c）所示。 （a）正序分量 （b）负序分量 （c）零序分量 图3-1 三相不对称相量所对应的三组对称分量在正序分量中恒有下列关系：， （3-1）式中： （3-2）显然存在：，在负序分量中恒有下列关系：， （3-3）在零序分量中有： （3-4）3.2 横向不对称故障的分析计算现在以图3-2所示的系统接线为例进行讨论。图3-3给出了与之对应的三序等值网络图。由图3-3写出基本方程如下（下标k表示短路处的量）。 （3-5）为从正序网络故障端口看进去的戴维南等值电动势，其值为故障器前故障点的a相电压。当计算稳态时，网络中的电动势用稳态电动势；当计算暂态时网络中的电动
11、势用暂态电动势或次暂态电动势。图3-2 系统接线图 图3-3 正、负、零序等值网络图为了使分析简单清楚，假定短路是发生在理想的阻抗等于零的引线上，电流的正方向为由电源指向短路点，电压的正方向则为故障点的每相指向地。本节将讨论单相接地短路、两相短路以及两相接地短路时故障点的各序的电流、电压分量以及各序的电流、电压的计算方法及其向量图的绘制。基于所选故障的具体情况，计算中均以a相作为基准相。3.2.1 单相接地短路单相接地短路时，假定a相接地短路，短路处以相量表示的边界条件方程为：； （3-6）转换为对称分量关系： （3-7）可见，单相接地短路时有零序电压，同时也存在零序电流（在中性点直接接地的系
12、统中）。由式（3-7）可知，A相接地短路时选基准相为a相，故障点b相和c相的序电压、序电流就没有式（3-7）的简单关系。同样，b相接地时选基准相位b相，c相接地时选基准相位c相，基准相的序电压、序电流具有式（3-7）的关系。故障处以序分量表示的边界条件指明了三序网络在故障端k处的联接方式。分析式（3-7），由于，所以正序网、负序网、零序网应串联。同时因为+，故三个序网串联后应短接，画出复合序网如图3-4所示。由复合序网可求出故障处的各序电流和电压。 图3-4单相接地短路时的复合序网图 （3-8） （3-9）短路处的各序功率为： （s=1,2,0） (3-10)根据对称分量的合成公式，可得各相电
13、流、电压为： （3-11） （3-12）由式（3-12）可得： （3-13）式（3-13）说明，两个非故障相电压的幅值比M与其间的相位差与的比值有关。因，作出电流相量关系如图3-5（b）所示。假定和得阻抗角相等（或为纯电抗），由，可知，滞后的相位角为，滞后的相角为，又，作出故障点电压相量图如图3-5（a）所示。图中示出的电压相量关系对应的是的情况，根据式(3-13),此时。图3-5 单相接地故障处电压、电流相量图3.2.2 两相短路两相短路时，假定在K点发生bc两相短路。这种情况下以相量表示的边界条件方程如下：； （3-14）转换为对称分量：可得： ， （3-15） 即： （3-16）于是，以序分量表示的bc相短路的边界条件为：； ； （3-17）应当注意，bc相短路时选基准相为a相，故障点基准相的序电流、序电压才有式（3-17）的关系，b相和c相的序电流、序电压就没有这样的关系。当然ac相短路时选b相为基准相，ab相短路时选c相为基准相，其故障点的序电流、序电压同样有这一关系。图3-6所示系统的各序等值网络。图3-6中k点bc两相短路时，因，故零序网络开路；又、，所以复合序网是正序网和负序网并联而成的，如图3-6（
