電力系統(tǒng)故障

1、湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告書題目: 三相短路故障分析與計(jì)算 課 程： 電力系統(tǒng)分析課程設(shè)計(jì) 專 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班 級： 0312422 學(xué) 號： 031240715 學(xué)生姓名： 鞏 航 林 指導(dǎo)教師： 耿東山 2015年 5月 26日摘 要【摘要】 電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障造成的危害性是最大的。作為電力系統(tǒng)三大計(jì)算之一，分析與計(jì)算三相短路故障的參數(shù)十分重要，巨大的短路電流將在周圍空間產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁場，尤其是不對稱短路所產(chǎn)生的不平衡交變磁場，會(huì)對周圍的通信網(wǎng)絡(luò)、信號系統(tǒng)、晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，因此計(jì)算短路電流的目的是為了限制短路的危害和縮小故障的影響范圍，為電力系統(tǒng)

2、的規(guī)劃設(shè)計(jì)、安全運(yùn)行、設(shè)備選擇、繼電保護(hù)等提供重要依據(jù)。 本文由一個(gè)具體的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，通過化簡制定網(wǎng)絡(luò)的等值電路，計(jì)算了三相短路故障處的沖擊電流和功率大小，由此我們可以通過沖擊電流的大小判斷三相短路故障的危害及我們所做的措施?！娟P(guān)鍵詞】 三相短路；參數(shù)設(shè)計(jì)；沖擊電流；【 abstract 】 the dangers of three phase short circuit fault in power system cause is the biggest of all.As one of three big power system calculation, analysis and ca

3、lculation of the parameters of the three-phase short-circuit fault is very important, large short-circuit current will have a very strong electromagnetic field, in the surrounding space, especially the imbalance of alternating magnetic field produced by asymmetric short circuit, on the surrounding o

4、f the communication network, signal system and the thyristor trigger system and control system to produce interference, so the calculation of short-circuit current in order to limit the harm of short circuit and reduce the fault's sphere of influence, for the safe operation of power system plann

5、ing and design, and provide important basis equipment selection, relay ，In this paper, by a specific power system network, through simplifying network equivalent circuit, calculating the three phase short circuit fault in the impact of the current and power size, thus we can impact the size of the c

6、urrent judgment harm of three-phase short-circuit fault and what we do.【 key words 】 three phase short circuit;Parameter design;Inrush current;目錄第一章 設(shè)計(jì)背景11.1 短路類型的簡單介紹11.2 原始資料4第二章 系統(tǒng)三相短路故障分析52.1 短路后的暫態(tài)過程分析52.2 短路沖擊電流82.3 短路功率9第三章 設(shè)計(jì)步驟103.1 設(shè)計(jì)框圖103.2 有名值參數(shù)設(shè)計(jì)103.2.1 發(fā)電機(jī)參數(shù)103.2.2 變壓器銘牌參數(shù)113.2.3 線路參數(shù)11

7、3.2.4 負(fù)載L參數(shù)123.2.5 電動(dòng)機(jī)參數(shù)12第四章 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)等值電路的制定124.1參數(shù)設(shè)定124.1.1 SB選取124.1.2 的選取124.1.3 的選取124.1.4 的選取124.1.5 的選取134.2 系統(tǒng)標(biāo)幺值計(jì)算134.2.1 發(fā)電機(jī)電抗標(biāo)幺值134.2.2 負(fù)載電抗標(biāo)幺值134.2.3 變壓器電抗標(biāo)幺值144.2.4 線路電抗標(biāo)幺值144.2.5電動(dòng)機(jī)電抗標(biāo)幺值（近似值）154.2.6 等值電路簡化16第五章 結(jié)果與分析175.1短路次暫態(tài)電流標(biāo)幺值（）175.2沖擊電流（）的計(jì)算185.3 短路容量的計(jì)算18第六章 結(jié)論及心得18參考文獻(xiàn)19第1章 設(shè)計(jì)背景1.1

8、 短路類型的簡單介紹 在電力系統(tǒng)的運(yùn)行過程中,時(shí)常會(huì)發(fā)生故障,如短路故障、斷線故障等。其中大多數(shù)是短路故障(簡稱短路)。所謂短路,是指電力系統(tǒng)正常運(yùn)行情況以外的相與相之間或相與地(或中性線)之間的連接。在正常運(yùn)行時(shí)，除中性點(diǎn)外，相與相或相與地之間是絕緣的。表1-1示出三相系統(tǒng)中短路的基本類型。電力系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，單相短路接地占大多數(shù)。三相短路時(shí)三相回路依舊是對稱的，故稱為對稱短路；其它幾種短路均使三相回路不對稱，故稱為不對稱短路。上述各種短路均是指在同一地點(diǎn)短路,實(shí)際上也可能是在不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生短路，例如兩相在不同地點(diǎn)短路。產(chǎn)生短路的主要原因是電氣設(shè)備載流部分的相間絕緣或相對地絕緣被損壞。

9、例如架空輸電線的絕緣子可能由于受到過電壓（例如由雷擊引起）而發(fā)生閃絡(luò)或由于空氣的污染使絕緣子表面在正常工作電壓下放電。再如其它電氣設(shè)備，發(fā)電機(jī)、變壓器、電纜等的載流部分的絕緣材料在運(yùn)行中損壞。鳥獸跨接在裸露的導(dǎo)線載流部分以及大風(fēng)或?qū)Ь€覆冰引起架空線路桿塔倒塌所造成的短路也是屢見不鮮的。此外，運(yùn)行人員在線路檢修后未拆除地線就加電壓等誤操作也會(huì)引起短路故障。電力系統(tǒng)的短路故障大多數(shù)發(fā)生在架空線路部分?？傊?，產(chǎn)生短路的原因有客觀的，也有主觀的，只要運(yùn)行人員加強(qiáng)責(zé)任心，嚴(yán)格按規(guī)章制度辦事，就可以把短路故障的發(fā)生控制在一個(gè)很低的限度內(nèi)。 短路對電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行和電氣設(shè)備有很大的危害。在發(fā)生短路時(shí)，由于

10、電源供電回路的阻抗減小以及突然短路時(shí)的暫態(tài)過程，使短路回路中的短路電流值大大增加，可能超過該回路的額定電流許多倍。短路點(diǎn)距發(fā)電機(jī)的電氣距離愈近（即阻抗愈小），短路電流愈大。例如在發(fā)電機(jī)機(jī)端發(fā)生短路時(shí)，流過發(fā)電機(jī)定子回路的短路電流最大瞬時(shí)值可達(dá)發(fā)電機(jī)額定電流的1015倍。在大容量的系統(tǒng)中短路電流可達(dá)幾萬甚至幾十萬安培。短路點(diǎn)的電弧有可能燒壞電氣設(shè)備。短路表1-1 短路類型短路種類短路類型示意圖符號發(fā)生幾率對稱短路三相短路f(3)5%不對稱短路單相接地短路f(1)10%兩相短路f(2)65%兩相接地短路f(1,1)20%電流通過電氣設(shè)備中的導(dǎo)體時(shí)，其熱效應(yīng)會(huì)引起導(dǎo)體或其絕緣的損圖1-1 正常運(yùn)行和

11、短路故障時(shí)各點(diǎn)的電壓圖7-1 正常運(yùn)行和短路故障時(shí)各點(diǎn)的電壓壞。另一方面，導(dǎo)體也會(huì)受到很大的電動(dòng)力的沖擊，致使導(dǎo)體變形，甚至損壞。因此，各種電氣設(shè)備應(yīng)有足夠的熱穩(wěn)定度和動(dòng)穩(wěn)定度，使電氣設(shè)備在通過最大可能的短路電流時(shí)不致?lián)p壞。 短路還會(huì)引起電網(wǎng)中電壓降低，特別是靠近短路點(diǎn)處的電壓下降得最多，結(jié)果可能使部分用戶的供電受到破壞。圖1-1中示出了一簡單供電網(wǎng)在正常運(yùn)行時(shí)和在不同地點(diǎn)（）發(fā)生三相短路時(shí)各點(diǎn)電壓變化的情況。折線2表示點(diǎn)短路后的各點(diǎn)電壓。點(diǎn)代表降壓變電所的母線，其電壓降至零。由于流過發(fā)電機(jī)和線路L-1、L-2的短路電流比正常電流大，而且?guī)缀跏羌兏行噪娏?，因此發(fā)電機(jī)內(nèi)電抗壓降增加，發(fā)電機(jī)端電壓

12、下降。同時(shí)短路電流通過電抗器和L-1引起的電壓降也增加，以至配電所母線電壓進(jìn)一步下降。折線3表示短路發(fā)生在點(diǎn)時(shí)的情形。電網(wǎng)電壓的降低使由各母線供電的用電設(shè)備不能正常工作，例如作為系統(tǒng)中最主要的電力負(fù)荷異步電動(dòng)機(jī)，它的電磁轉(zhuǎn)矩與外施電壓的平方成正比，電壓下降時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩將顯著降低，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速減慢甚至完全停轉(zhuǎn)，從而造成產(chǎn)品報(bào)廢及設(shè)備損壞等嚴(yán)重后果。系統(tǒng)中發(fā)生短路相當(dāng)于改變了電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，必然引起系統(tǒng)中功率分布的變化，則發(fā)電機(jī)輸出功率也相應(yīng)地變化。如圖7-1中，無論點(diǎn)短路，發(fā)電機(jī)輸出的有功功率都要下降。但是發(fā)電機(jī)的輸入功率是由原動(dòng)機(jī)的進(jìn)汽量或進(jìn)水量決定的，不可能立即變化，因而發(fā)電機(jī)的輸入和輸出功率不平

13、衡，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速將發(fā)生變化，這就有可能引起并列運(yùn)行的發(fā)電機(jī)失去同步，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定，引起大片地區(qū)停電。短路問題是電力技術(shù)方面的基本問題之一。在電廠、變電所以及整個(gè)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行工作中，都必須事先進(jìn)行短路計(jì)算，以此作為合理選擇電氣接線、選用有足夠熱穩(wěn)定度和動(dòng)穩(wěn)定度的電氣設(shè)備及載流導(dǎo)體、確定限制短路電流的措施、在電力系統(tǒng)中合理的配置各種繼電保護(hù)并整定其參數(shù)等的重要依據(jù)。為次，掌握短路發(fā)生以后的物理過程以及計(jì)算短路時(shí)各種運(yùn)行參量（電流、電壓等）的計(jì)算方法是非常必要的。1.2 原始資料1、L2、L3、L4對地電容取0.5，每個(gè)T型臂取0.25。L5對地電容取0。1、 以節(jié)點(diǎn)一為平衡節(jié)點(diǎn)計(jì)算。二、

14、要求：1、嚴(yán)格按照給定內(nèi)容格式書寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。2、根據(jù)原始資料，先用手算，后進(jìn)行程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)潮流計(jì)算。3、給出算法的運(yùn)行原理和軟件編寫流程及程序清單。4、給出運(yùn)行過程中的Y矩陣和雅可比矩陣。三、答辯：1、以ppt形式提供該組所做的主要工作。2、回答老師提出的問題。第二章 系統(tǒng)三相短路故障分析本節(jié)將分析簡單三相電路中發(fā)生突然對稱短路的暫態(tài)過程。在此電路中假設(shè)電源電壓幅值和頻率均為恒定，這種電源稱為無限大功率電源，這個(gè)名稱從概念上是不難理解的：1）無限大電源可以看作是由多個(gè)有限功率電源并聯(lián)而成，因而其內(nèi)阻抗為零，電源電壓保持恒定；2）電源功率為無限大時(shí)，外電路發(fā)生短路引起的功率改變對電源來說

15、是微不足道的，因而電源的電壓和頻率保持恒定。圖7-2 無限大功率電源供電的三相電路突然短路 實(shí)際上，真正的無限大功率電源是沒有的，而只能是一個(gè)相對的概念，往往是以供電電源的內(nèi)阻抗與短路回路總阻抗的相對大小來判斷電源能否作為無限大功率電源。若供電電源的內(nèi)阻抗小于短路回路總阻抗的10%時(shí)，則可認(rèn)為供電電源為無限大功率電源。在這種情況下，外電路發(fā)生短路對電源影響很小，可近似地認(rèn)為電源電壓幅值和頻率保持恒定。 2.1 短路后的暫態(tài)過程分析 對于圖所示的三相電路，短路發(fā)生前，電路處于穩(wěn)態(tài)，其a相的電流表達(dá)式為： 式中 當(dāng)在點(diǎn)突然發(fā)生三相短路時(shí)，這個(gè)電路即被分成兩個(gè)獨(dú)立的回路。左邊的回路仍與電源連接，而右

16、邊的回路則變?yōu)闆]有電源的回路。在右邊回路中，電流將從短路發(fā)生瞬間的值不斷地衰減，一直衰減到磁場中儲存的能量全部變?yōu)殡娮柚兴牡臒崮?，電流即衰減為零。在與電源相連的左邊回路中，每相阻抗由原來的減小為，其穩(wěn)態(tài)電流值必將增大。短路暫態(tài)過程的分析與計(jì)算就是針對這一回路的。假定短路在t=0秒時(shí)發(fā)生，由于電路仍為對稱，可以只研究其中的一相，例如a相，其電流的瞬時(shí)值應(yīng)滿足如下微分方程： 這是一個(gè)一階常系數(shù)、線性非齊次的常微分方程，它的特解即為穩(wěn)態(tài)短路電流，又稱交流分量或周期分量為： 式中，Z為短路回路每相阻抗（）的模值；為穩(wěn)態(tài)短路電流和電源電壓間的相角（）；為穩(wěn)態(tài)短路電流的幅值。短路電流的自由分量衰減時(shí)間

17、常數(shù)為微分方程式的特征根負(fù)倒數(shù)，即： 短路電流的自由分量電流為：又稱為直流分量或非周期分量，它是不斷衰減的直流電流，其衰減的速度與電路中值有關(guān)。式中C為積分常數(shù)，其值即為直流分量的起始值。短路的全電流為： 式中的積分常數(shù)C可由初始條件決定。在含有電感的電路中，根據(jù)楞次定律，通過電感的電流是不能突變的，即短路前一瞬間的電流值（用下標(biāo)表明）必須與短路發(fā)生后一瞬間的電流值（用下標(biāo)0表示）相等，即：所以： 由于三相電路對稱，三相短路電流表達(dá)式綜合如下： 圖2-1 三相短路電流波形圖圖7-3 三相短路電流波形圖由上可見，短路至穩(wěn)態(tài)時(shí)，三相中的穩(wěn)態(tài)短路電流為三個(gè)幅值相等、相角相差的交流電流，其幅值大小取決

18、于電源電壓幅值和短路回路的總阻抗。從短路發(fā)生到穩(wěn)態(tài)之間的暫態(tài)過程中，每相電流還包含有逐漸衰減的直流電流，它們出現(xiàn)的物理原因是電感中電流在突然短路瞬時(shí)的前后不能突變。很明顯，三相的直流電流是不相等的。圖2-1示出三相電流變化的情況（在某一初始相角為時(shí)）。由圖可見，短路前三相電流和短路后三相的交流分量均為幅值相等、相角相差的三個(gè)正弦電流，直流分量電流使t=0時(shí)短路電流值與短路前瞬間的電流值相等。由于有了直流分量，短路電流曲線的對稱軸不再是時(shí)間軸，而直流分量曲線本身就是短路電流曲線的對稱軸。因此，當(dāng)已知一短路電流曲線時(shí)，可以應(yīng)用這個(gè)性質(zhì)把直流分量從短路電流曲線中分離出來，即將短路電流曲線的兩根包絡(luò)線

19、間的垂直線等分，如圖2-3中所示，得到的等分線就是直流分量曲線。由圖2-3還可以看出，直流分量起始值越大，短路電流瞬時(shí)值越大。在電源電壓幅值和短路回路阻抗恒定的情況下，直流分量的起始值與電源電壓的初始相角（相應(yīng)于時(shí)刻發(fā)生短路）、短路前回路中的電流值有關(guān)。由于短路后的電流幅值比短路前的電流幅值大很多，直流分量起始值的最大值（絕對值）出現(xiàn)在| 的值最小、|的值最大時(shí)，即，時(shí)。在高壓電網(wǎng)中，感抗值要比電阻值大得多，即，故，此時(shí)，或。三相中直流電流起始值不可能同時(shí)最大或同時(shí)為零。在任意一個(gè)初相角下，總有一相的直流電流起始值較大，而有一相較小。由于短路瞬時(shí)是任意的，因此必須考慮有一相的直流分量起始值為最

20、大值。根據(jù)前面的分析可以得出這樣的結(jié)論：當(dāng)短路發(fā)生在電感電路中、短路前為空載的情況下直流分量電流最大，若初始相角滿足，則一相（a相）短路電流的直流分量起始值的絕對值到最大值，即等于穩(wěn)態(tài)短路電流的幅值。2.2 短路沖擊電流短路電流在前述最惡劣短路情況下的最大瞬時(shí)值，稱為短路沖擊電流。根據(jù)以上分析，當(dāng)短路發(fā)生在電感電路中，且短路前空載、其中一相電源電壓過零點(diǎn)時(shí)，該相處于最嚴(yán)重的情況。以a相為例，將、代入式，得a相全電流的算式如下： 圖2-2 直流分量最大時(shí)短路電流波形電流波形示于圖7-4。從圖中可見，短路電流的最大瞬時(shí)值，即短路沖擊電流，將在短路發(fā)生經(jīng)過約半個(gè)周期后出現(xiàn)。當(dāng)f為50Hz時(shí)，此時(shí)間約

21、為0.01s。由此可得沖擊電流值為： 式中稱為沖擊系數(shù)，即沖擊電流值對于交流電流幅值的倍數(shù)。很明顯，值為12。在使用計(jì)算中，一般取為1.81.9。沖擊電流主要用于檢驗(yàn)電氣設(shè)備和載流導(dǎo)體的動(dòng)穩(wěn)定度。 2.3 短路功率在選擇電器設(shè)備時(shí)，為了校驗(yàn)開關(guān)的斷開容量，要用到短路功率的概念。短路功率即某支路的短路電流與額定電壓構(gòu)成的三相功率，其數(shù)值表示式為： 式中 -短路處正常時(shí)的額定電壓； -短路處的短路電流有效值，在實(shí)用計(jì)算中，；在標(biāo)幺值計(jì)算中，取基準(zhǔn)功率、基準(zhǔn)電壓，則有 也即短路功率的標(biāo)幺值與短路電流的標(biāo)幺值相等。利用這一關(guān)短路功率就很容易由短路電流求得。第3章 設(shè)計(jì)步驟3.1 設(shè)計(jì)框圖圖1 三相短路

22、故障設(shè)計(jì)框圖3.2 有名值參數(shù)設(shè)計(jì)3.2.1 發(fā)電機(jī)參數(shù)發(fā)電機(jī)G1額定的有功功率110MW，額定電壓=10.5kV；次暫態(tài)電抗標(biāo)幺值=0.264，功率因數(shù)=0.85 。發(fā)電機(jī)G2：火電廠共兩臺機(jī)組，每臺機(jī)組參數(shù)為額定的有功功率25MW；額定電壓UN=10.5kV；次暫態(tài)電抗標(biāo)幺值=0.130；額定功率因數(shù)=0.80。3.2.2 變壓器銘牌參數(shù)變壓器T1：型號SF7-10/110-59-16.5-10.5-1.0，變壓器額定容量10MV·A，一次電壓110kV，短路損耗59kW，空載損耗16.5kW，阻抗電壓百分值UK%=10.5，空載電流百分值I0%=1.0。變壓器T2：型號SFL7

23、-31.5/110-148-38.5-10.5-0.8，變壓器額定容量31.5MV·A，一次電壓110kV，短路損耗148kW，空載損耗38.5kW，阻抗電壓百分值UK%=10.5，空載電流百分值I0%=0.8。變壓器T3：型號SFL7-16/110-86-23.5-10.5-0.9，變壓器額定容量16MV·A，一次電壓110kV，短路損耗86kW，空載損耗23.5kW，阻抗電壓百分值UK%=10.5，空載電流百分值I0%=0.9。3.2.3 線路參數(shù)對下標(biāo)的說明 ；。線路1：鋼芯鋁絞線LGJ-120，截面積1202，長度為100，每條線路單位長度的正序電抗X0（1）=0.

24、408；每條線路單位長度的對地電容b0(1)=2.79×106S。線路2：鋼芯鋁絞線LGJ-150，截面積1502，長度為100，每條線路單位長度的正序電抗X0（1）=0.401；每條線路單位長度的對地電容b0(1)=2.85×106S。線路3：鋼芯鋁絞線LGJ-185，截面積1852，長度為100，每條線路單位長度的正序電抗X0（1）=0.394；每條線路單位長度的對地電容b0(1)=2.90×106S。3.2.4 負(fù)載L參數(shù)容量為8j6（MV·A），負(fù)載的電抗標(biāo)幺值為。3.2.5 電動(dòng)機(jī)參數(shù)電動(dòng)機(jī)為2MW，起動(dòng)系數(shù)為6.5，額定功率因數(shù)為0.86。第

25、四章 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)等值電路的制定4.1參數(shù)設(shè)定設(shè)基準(zhǔn)容量SB=100MV·A；基準(zhǔn)電壓（kv）。4.1.1 SB選取SB的選取是為了計(jì)算元件參數(shù)標(biāo)幺值計(jì)算方便，取SB=100MV·A，可任意設(shè)值但必須唯一值進(jìn)行分析與計(jì)算。4.1.2 的選取的選取是根據(jù)所設(shè)計(jì)的題目可知系統(tǒng)電壓有110kV、6kV、10kV，而平均額定電壓分別為115、6.3、10.5kV。平均電壓與線路額定電壓相差5%的原則，故取。4.1.3 的選取為次暫態(tài)短路電流有效值，短路電流周期分量的時(shí)間t等于初值（零）時(shí)的有效值。滿足產(chǎn)生最大短路電流的三個(gè)條件下的最大次暫態(tài)短路電流作為計(jì)算依據(jù)。4.1.4 的選取為沖擊

26、電流，即為短路電流的最大瞬時(shí)值（滿足產(chǎn)生最大短路電流的三個(gè)條件及時(shí)間=0.01s）。一般取沖擊電流=××=2.55。4.1.5 的選取為短路電流沖擊系數(shù)，主要取決于電路衰減時(shí)間常數(shù)和短路故障的時(shí)刻。其范圍為12，高壓網(wǎng)絡(luò)一般沖擊系數(shù)=1.8。4.2 系統(tǒng)標(biāo)幺值計(jì)算 4.2.1 發(fā)電機(jī)電抗標(biāo)幺值 公式式中 發(fā)電機(jī)電抗百分?jǐn)?shù)，由發(fā)電機(jī)銘牌參數(shù)的； 已設(shè)定的基準(zhǔn)容量（基值功率），； 發(fā)電機(jī)的額定有功功率，MW 發(fā)電機(jī)額定有功功率因數(shù)。由即可求得發(fā)電機(jī)電抗標(biāo)幺值： 4.2.2 負(fù)載電抗標(biāo)幺值 公式式中 U元件所在網(wǎng)絡(luò)的電壓標(biāo)幺值； 負(fù)載容量標(biāo)幺值； 負(fù)載無功功率標(biāo)幺值。由即可求得負(fù)載電抗標(biāo)幺值： 4.2.3 變壓器電抗標(biāo)幺值 公