辽 宁 工 业 大 学

《电力系统分析》课程设计（论文）

题目： 电力系统单相断线计算与仿真（3）

院（系）： 电 气 工 程 学 院

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指导教师：

教师职称：

起止时间： 14-06-30至14-07-11

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

注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

摘 要

电力系统是生产、输送、分配和消费电能的各种电气设备连接在一起而组成的整体。在电力系统的运行过程中，不可避免地会出现故障，尽管故障出现的几率很小，持续的时间也不长，但产生的后果却往往十分的严重。电力系统故障总的来说可以分为两大类：横向故障和纵向故障。横向故障是指各种类型的短路，它包括三相短路、两相短路、单相接地短路和两相接地短路。纵向故障是指各种类型的断线，它包括单相断线、两相断线和三相断线。

本课设主要研究单相断线，首先利用对称分量法将电力系统分解为正序网络、负序网络和零序网络，并且求出各自网络的戴维南等效电路图，然后计算各元件的参数，再代入正序网络、负序网络和零序网络。当支路L1发生单相断线故障时，计算断点处的A、B和C三相电压和电流，再计算其他各个节点的A、B和C三相电压和支路电流。最后利用Matlab进行仿真，将仿真结果与计算结果相比较，分析出现误差的原因。

关键词：正序网络；负序网络；零序网络；单相断线

第1章 绪 论

电力系统断线概述

电力系统断线也就是所谓的纵向故障，它指的是网络中的两个相邻节点之间出现了不正常断开或三相阻抗不相等的情况。发生纵向故障时，由这两个节点组成故障端口。纵向故障为不对称故障，只是在故障口出现了某种不对称状态，系统其余部分的参数还是三相对称的。可以应用对称分量法进行分析。首先在故障口插入一组不对称电势源来代替实际存在的不对称状态，然后将这组不对称电势源分解成正序，负序和零序分量。根据重叠原理，分别作出各序的等值网络。从而可以列出各序网络故障端口的电压方程式进行计算。

运行经验表明，电力系统各种故障中，单相短路占大多数，约为总故障数的65%，三相短路占5～10%。虽然电力系统发生断线的几率很小，但故障产生的后果极为严重，必须引起足够的重视。

本文设计内容

本文设计内容：在一个独立闭式电力网络中，支路L1发生A相断线。

任务要求：

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，计算断点的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，对系统进行单相断线的Matlab仿真；

6 将断线运行计算结果与仿真结果进行分析比较，得出结论。

第2章 电力系统不对称故障计算原理

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，任意一组不对称的三相相量都可以分解为三组三相对称的分量，这就是所谓的“三相相量对称分量法”。对称分量法是将不对称的三相电流和电压各自分解为三组对称分量，它们是：

（1）正序分量：三相正序分量的大小相等，相位彼此相差2pi/3，相序与系统正常运行方式下的相同；

（2）负序分量：三相负序分量的大小相等，相位彼此相差2pi/3，相序与正序相反；

（3）零序分量：三相零序分量的大小相等，相位相同。

三相序等值网络

在三相电路中，对于任意一组不对称的三相相量（电流或电压），可以分解为正序，负序和零序三相对称的三相量。

正序网络

正序网络就是通常计算对称短路时所用的等值网络。除中性点接地阻抗、空载线路（不计导纳）以及空载变压器（不计励磁电流）外，电力系统各元件均应包括在正序网络中，并且用相应的正序参数和等值电路表示。由此可得，电力系统正序网络图如图2.1所示。

图2.1 电力系统正序网络图

我们可以从故障端口看正序网络，它是一个有源网络，可以用戴维南定理简化成图2.2的形式。

图2.2 戴维南正序等效图

负序网络

负序电流能流通的元件与正序电流的相同，但所有的电源的负序电势为零。因此，把正序网络中各元件的参数都用负序参数代替，并令电源电势等于零，而在短路点引入代替故障条件的不对称电势源中的负序分量，便得到负序网络，如图2.3所示。

图2.3 电力系统负序网络图

从故障端口看负序网络，它是一个无源网络，化简后如图2.4所示。

图2.4 戴维南负序等效图

零序网络

在断线处施加代表故障边界条件的零序电势时，由于三相零序电流大小及相位相同，它们必须经过大地（或者架空地线、电缆包皮等）才能构成通路。由此可得，电力系统零序网络图如图2.5所示。

图2.5 电力系统零序网络图

从故障端口看负序网络，它也是一个无源网络，化简后如图2.6所示。

图2.6 戴维南零序等效图

第3章 电力系统单相断线计算

系统电路图

系统的电路图如图3.1所示。

图3.1 电力系统电路图

各元件参数计算

本课设的参数表示方法完全采用标幺值的形式，标幺制是相对单位制的一种，在标幺制中各物理量都用标幺值表。

标幺值=实际有名值（任意单位）／基准值（与有名值同单位）

本课设选取基准功率SB=100MVA,我们选择第一段的额定电压为基准电压，VB1=10.5kV，VB2=121kV，VB3=10.5kV。

发电机标幺值参数计算

变压器标幺值参数计算

线路标幺值参数计算

系统图给出变压器一侧为Y接线，另一侧为Δ接线，所以我们要将电阻进行星角变换。星角变换如图3.2和3.3所示。

图3.2 角形接线图 图3.3 星形接线图

已知各线路的阻抗为：

L1：Z13= 0.12+j0.218

L2：Z12= 0.112+j0.215

L3：Z23= 0.105+j0.196

Y接线转换Δ接线公式：

Z1=Z12×Z13÷(Z12+Z23+Z13) (3-1)

Z2=Z23×Z12÷(Z12+Z23+Z13) (3-2)

Z3=Z13×Z23÷(Z12+Z23+Z13) (3-3)

将各阻抗代入上述公式中，可得：

Z1=0.09+j0.194

Z2=0.105+j0.21

Z3=0.098+j0.199

由戴维南定理可得，对系统的正序网络进行化简，可得正序网络的等效电抗为0.517，等效电压源为1.048V。

由戴维南定理可得，对系统的负序网络进行化简，可得负序网络的等效电抗为0.517。

由戴维南定理可得，对系统的零序网络进行化简，可得零序网络的等效电抗为0.34。

潮流计算

我们可以将G2和T2等效为输出负荷，然后进行潮流计算，可以得到各个节点的电流、电压。如图3.4所示。

图3.4 潮流计算等值电路图

便可以得到其他各个节点的电流，它们分别为：

单相断线计算

电力系统故障总的来说可以分为两大类：横向故障和纵向故障。横向故障是指各种类型的短路。纵向故障是指各种类型的断线，它指的是网络中的两个相邻节点f和f'（都不是零电位节点）之间出现了不正常断开或三相阻抗不相等的情况。发生纵向故障时，由f和f'这两个节点组成故障端口。本课设研究单相断线，如图3.5所示。

图3.5 单相断线示意图

故障处计算

故障处的边界条件为：

==0 （3-4）

若用对称分量则表示则得：

（3-5）

满足这些边界条件的复合序网如图3.6所示。

图3.6 单相断开的复合序网图

故障处各序电流为：

(3-6)

由上述公式得故障处各序电流分别为：

=2j/(j0.340.517/（0.34+0.517）+0.517)=2.57

=-0.34/(0.34+0.517) 2.57=-1.02

=-0.517/(0.34+0.517) 2.57=1.55

故障相的断口电压为：

==0

非故障处计算

非故障相电流：

（3-7）

于是可以得出非故障相电流为：

第4章 单相断线的仿真

仿真模型的建立

Matlab具有强大的运算绘图能力，为用户提供了各种领域的工具箱，而且编程语法简单易学。我们可以在Matlab中建立电力系统的基本模型。在建立模型初期，会遇到一些设置上的困难，通过不断地调整，我最终完成了系统仿真。在对故障模型进行仿真的时候，可以体会到Matlab强大的仿真能力，为电气工作者提供了简便、有效地仿真研究方法。我们可以直观地进行故障类型的选择和波形的查看。

本课设仿真出了两个仿真图形，第一个图形为：系统正常运行时，无任何故障，电力系统各个节点的电压，电流的波形。第二个图形为：系统发生单相断线故障时（线路L1发生A相断线），电力系统各个节点的电压，电流的波形。通过两个仿真图形的对比，我们可以直观、清晰地看出系统发生单相断线故障时电压，电流波形的变化程度。方便了我们对单相断线故障处进行分析，同时我们也清楚地了解到单相断线对我们的危害，同时这也给我们敲响警钟，我们在日常生活中要对电力系统严谨操作。所以此次课设的研究题目非常有必要，而且对于电网的研究十分重要。

图4.1 系统仿真图

图4.2 系统正常运行仿真图

图4.3 系统出现单相断线仿真图

仿真结果及分析

本文提出了负序电流和故障相电压的能量测度保护。 基于负序电流的能量测度断线保护具有如下特点:

(1) 单相断线故障产生的负序电流在系统中的分配不受中性点接地方式的影响,能量测度保护原理可以适合各种中性点接地方式。

(2) 断线故障的暂态谐波量主要为低次，提高了线路的灵敏度。

(3) 单相断线故障和单相接地故障的能量测度相差很大，在接地故障时所提保护方案不会误动。

(4) 此保护具有很高的可靠性和灵敏度。

第5章 总结

现如今，电力已经成为人们生产、生活中必不可少的物品。随着科技的迅猛发展，电力系统的功能日趋强大，给我们的生活带来诸多方便之处，与此同时也会产生一定的危害，一旦电力系统发生故障，将会给我们的生产和生活带来巨大损失。所有我们要防患于未然。

本课设研究的题目是：电力系统单相断线。通过本课设我了解到虽然电力系统发生断线的几率很小，但故障产生的后果极为严重，必须引起足够的重视。本课设存在许多不足的地方，例如：课设中仅仅做出了仿真结果，没有做出实物，因为电力系统在运行过程中还有可能存在我们考虑不到的其他问题。同时，本课设也存在许多优点，例如：把各个元件的计算参数都计算出来了，方便我们直观的计算和分析。因为电力系统大部分线路都是强电流，对人体具有很大的危险性，所有不建议研究人员亲自实地研究。我们完全可以利用Matlab仿真软件进行模拟，模拟出线路断线的真实情况，再测量出故障处和非故障处的电压和电流。我们可以直观地看出单相断线对电力系统的危害。本人建议利用Matlab软件进行电力系统故障的仿真，因为这样既直观又安全。

近几年，随着微机技术和控制技术的不断更新和功能的日益强大。由弱电控制强电已经成为社会的主流趋势，所有作为我们主要学习强电的学生，在学好强电的同时也要学好弱电，让电力系统在弱电的控制下更加安全，为我们的生产和生活提供更加方便之处。

参考文献

[1] 何仰赞 温增银 电力系统分析（上册）（第三版） 华中科技大学出版社.2002

[2] 何仰赞 温增银 电力系统分析（下册）（第三版） 华中科技大学出版社.2002

[3] 赵晶 Prote199高级应用 人民邮电出版社.2000

[4] 李光琦 电力系统暂态分析（第二版） 水利电力出版社.1995

[5] 韩祯祥 吴国炎 电力系统分析 浙江大学出版社.2002

[6] 王宝华 电力系统故障分析 中国电力出版社.2006

[7] 华智明 岳湖山 电力系统稳态计算 重庆大学出版社.1991

[8] 陆敏政 电力系统习题集 水利电力出版社.1990

[9] 张钟俊 电力系统电磁暂态过程 中国工业出版社.1961

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/f4a94eb2876fb84ae45c3b3567ec102de3bddfd3.html