影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的“元兇”

1.問題：如何理解電網(wǎng)中的短路概念及出現(xiàn)的各類故障？回答：所謂短路是指電力系統(tǒng)在運(yùn)行中，相與相之間或相與地（或中性線）之間發(fā)生非正常連接時(shí)而流過非常大的電流。其電流值遠(yuǎn)大于額定電流，并取決于短路點(diǎn)距電源的電氣距離。短路就是不同電位的導(dǎo)電部分之間的低阻性短接，相當(dāng)于電源未經(jīng)過負(fù)載而直接由導(dǎo)線接通成閉合回路。通常這是一種嚴(yán)重而應(yīng)該盡可能避免電路的故障，會(huì)導(dǎo)致電路因電流過大而燒毀并發(fā)生火災(zāi)。值得注意的是，除中性點(diǎn)外，相與相或相與地之間都是絕緣的。圖2電力系統(tǒng)短路的分類電力系統(tǒng)短路可以分為三相短路、單相接地短路、兩相短路和兩相接地短路等。三相短路的三相回路依舊是對(duì)稱的，故稱為對(duì)稱短路。其他的幾種短路的三相回路均不對(duì)稱，故稱為不對(duì)稱短路。根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，單相短路占大多數(shù)，上述短路均是指在同一地點(diǎn)短路，實(shí)際上也可能在不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生短路，例如兩相在不同地點(diǎn)接地短路。圖3故障的分類電網(wǎng)中的故障可以分成兩大類：簡單故障和復(fù)雜故障。復(fù)雜故障一般是指由兩種或者兩種以上的簡單故障組合而成，簡單故障又分為對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障；而不對(duì)稱故障又可以分為短路故障（橫向故障）和斷路故障（縱向故障）。在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，時(shí)常發(fā)生故障，其中大多數(shù)是短路故障。2.問題：產(chǎn)生短路的原因有哪些？回答:產(chǎn)生短路的原因有很多，主要有如下幾個(gè)方面:（1） 元件損壞。例如絕緣材料的自然老化，設(shè)計(jì)、安裝及維護(hù)不良所帶來的設(shè)備缺陷發(fā)展成短路。（2） 氣象條件惡化。例如雷電造成的閃絡(luò)放電或者避雷針動(dòng)作，架空線路由于大風(fēng)或者導(dǎo)線覆冰引起電桿倒塌等。（3） 違規(guī)操作。例如運(yùn)行人員帶負(fù)荷拉刀閘。（4） 其他原因。例如挖溝損傷電纜。3.問題：短路可能造成的危害有哪些？回答：短路電流所產(chǎn)生的電動(dòng)力能形成很大的破壞力，如果導(dǎo)體和它的支架不夠堅(jiān)固，可能遭到難以修復(fù)的破壞，短路時(shí)由于很大的短路電流流經(jīng)網(wǎng)絡(luò)阻抗，必將使網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生很大的電壓損失。另外，短路類型如果是金屬性短路，短路點(diǎn)電壓為零，短路點(diǎn)以上各處的電壓也要相應(yīng)降低很多，一旦電壓低于額定電壓太多的時(shí)候就會(huì)使供電受到嚴(yán)重影響或者被迫中斷，若在發(fā)電廠附近發(fā)生短路，還可能使全電力系統(tǒng)運(yùn)行解列，引起嚴(yán)重后果。接地短路時(shí)，接地相出現(xiàn)的短路電流為不平衡電流，該電流所產(chǎn)生的磁通將對(duì)臨近平行的通訊線路感應(yīng)出附加電勢，從而干擾通訊，嚴(yán)重時(shí)將危及通訊設(shè)備和人身安全。為了限制發(fā)生短路時(shí)所造成的危害和故障范圍擴(kuò)大，需要在供電系統(tǒng)中加裝保護(hù)，以便故障發(fā)生時(shí)，能自動(dòng)快速地切除故障部分，以保障電力系統(tǒng)安全正常運(yùn)行，這就需要我們準(zhǔn)確地計(jì)算短路電流的大小。4.問題：什么是對(duì)稱分量法？如何將不對(duì)稱分量分解成三相對(duì)稱分量？回答：實(shí)際電力系統(tǒng)中的短路故障大多數(shù)是不對(duì)稱的，為了保證電力系統(tǒng)和它的各種電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，必須進(jìn)行各種不對(duì)稱故障的分析與計(jì)算。在電力系統(tǒng)中突然發(fā)生不對(duì)稱短路時(shí)，必然會(huì)引起基頻分量電流的變化，并產(chǎn)生直流的自有分量（電感電流的特點(diǎn)）。除此之外，不對(duì)稱短路還會(huì)產(chǎn)生一系列的諧波。要準(zhǔn)確地分析不對(duì)稱短路的過程是相當(dāng)復(fù)雜的，現(xiàn)只介紹分析基頻分量的方法。人們?cè)陂L期的實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，在三相電路中，任意一組不對(duì)稱的三相向量（電壓或電流），可以分解為三組三相對(duì)稱的向量分量。在線性電路中，可以用疊加原理對(duì)這三組對(duì)稱分量按照三相電路去解，然后將其結(jié)果疊加起來，就是不對(duì)稱三相電路的解答，這個(gè)方法就叫做對(duì)稱分量法。三相系統(tǒng)中任意一組不對(duì)稱三相量，都可以分解為三組對(duì)稱的三序分量，即正序分量、負(fù)序分量和零序分量。

對(duì)稱三相量.正序分量負(fù)序分量零序分量圖4不對(duì)稱三相量的分解（1） 正序分量。三相的正序分量大小相等，彼此相位相差120度，與系統(tǒng)正常對(duì)稱運(yùn)行對(duì)稱運(yùn)行方式下的相序相同，達(dá)到最大值。在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生正轉(zhuǎn)磁場，這就是正序分量。（2） 負(fù)序分量。三相的負(fù)序分量大小相等，彼此相位相差120度，與系統(tǒng)正常對(duì)稱運(yùn)行對(duì)稱運(yùn)行方式下的相序相反，達(dá)到最大值。在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生反轉(zhuǎn)磁場，這就是負(fù)序分量。（3） 零序分量。三相的零序分量大小相等，彼此相位相同，三相的零序分量同時(shí)達(dá)到最大值，在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生漏磁，其合成磁場為零，這就是零序分量。電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行一般是對(duì)稱的，它的三相電路參數(shù)相同，各相的電流、電壓對(duì)稱，也就是說只有正序分量存在。當(dāng)電力系統(tǒng)的某一點(diǎn)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，三相電路的對(duì)稱條件受到破壞，三相對(duì)稱電路就成為不對(duì)稱的了。此時(shí)，可用對(duì)稱分量法，將實(shí)際故障系統(tǒng)變?yōu)槿齻€(gè)互相獨(dú)立的序分量系統(tǒng)，而每個(gè)序分量系統(tǒng)本身又是三相對(duì)稱的，從而就可以進(jìn)行電路計(jì)算了。5.問題：簡單不對(duì)稱故障分析的步驟是什么？回答：電力系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，無論是單相接地短路，還是兩相短路、兩相短路接地，只要短路點(diǎn)的電壓、電流出現(xiàn)不對(duì)稱，都可利用對(duì)稱分量法將不對(duì)稱的電流電壓分解為三組對(duì)稱的序分量。由于每一序系統(tǒng)中三相對(duì)稱，則在選好一相為基準(zhǔn)向后，每一序只需要計(jì)算一相即可，用對(duì)稱分量法計(jì)算電力系統(tǒng)的不對(duì)稱故障，其大概步驟如下：（1） 計(jì)算電力系統(tǒng)各個(gè)元件的序阻抗；（2） 制定電力系統(tǒng)的各序阻抗；（3） 由各序網(wǎng)絡(luò)和故障列出對(duì)應(yīng)方程；（4） 從聯(lián)立方程組解出故障點(diǎn)的電流和電壓的各序分量，將相對(duì)應(yīng)的各序分量相加，以求得故障點(diǎn)的各相電流和電壓；（5） 計(jì)算各序電流和各序電壓在網(wǎng)絡(luò)中的分布和指定節(jié)點(diǎn)的各相電壓。在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，三相電路的參數(shù)相同，只有正序分量。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，三相電路的條件受到破壞，對(duì)稱三相電路變成不對(duì)稱電路。但是，除了故障點(diǎn)出現(xiàn)不對(duì)稱外，電力系統(tǒng)的其余部分仍舊是對(duì)稱的。可見，故障點(diǎn)的不對(duì)稱是使原來對(duì)稱三相電路變?yōu)椴粚?duì)稱的關(guān)鍵，因此，在計(jì)算不對(duì)稱故障時(shí)必須抓住這個(gè)關(guān)鍵，設(shè)法在一定條件下，把故障點(diǎn)的不對(duì)稱轉(zhuǎn)化為對(duì)稱，此時(shí)，可用對(duì)稱分量法，將實(shí)際的故障系統(tǒng)變成三個(gè)互相獨(dú)立的序分量系統(tǒng)，而每個(gè)序分量系統(tǒng)本身又是三相對(duì)稱的，從而就可以用單相電路進(jìn)行計(jì)算了。6.問題：各序網(wǎng)絡(luò)是如何制定的？回答：發(fā)電機(jī)、各類變壓器、電力線路（包括架空線路和電纜線路）的等值電路這里不再贅述。下面就說一下各序網(wǎng)絡(luò)的制定：（1）正序網(wǎng)絡(luò)的制定。正序網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算對(duì)稱電路時(shí)所用的等值網(wǎng)絡(luò)。除中性接地阻抗，空載線路（不計(jì)導(dǎo)納時(shí)）及空載變壓器（不及勵(lì)磁電流時(shí)）外，電力系統(tǒng)各個(gè)元件均應(yīng)包括在正序網(wǎng)絡(luò)中，并用正序參數(shù)和等值電路表示，網(wǎng)絡(luò)中不包括空載變壓器和變壓器中的中性電阻抗。所有同步發(fā)電機(jī)和調(diào)相機(jī)，以及等值電源表示的綜合負(fù)荷，都是正序網(wǎng)絡(luò)的電源。此外，還必須在短路點(diǎn)引入代替故障條件的正序電勢。從故障端口看正序網(wǎng)絡(luò)，它是一個(gè)有源網(wǎng)絡(luò)，可以用戴維南等值電路化簡。（2） 負(fù)序網(wǎng)絡(luò)的制定。負(fù)序網(wǎng)絡(luò)通路與正序電流相同，因此組成負(fù)序網(wǎng)絡(luò)的元件與組成正序網(wǎng)絡(luò)的元件相同，只不過所有電源的負(fù)序電勢為零，所有元件參數(shù)采用負(fù)序參數(shù)，在短路點(diǎn)引入故障元件的負(fù)序電勢。便可得到負(fù)序網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中從故障端口看負(fù)序網(wǎng)絡(luò)，它是一個(gè)無源網(wǎng)絡(luò)，利用戴維南定理可簡化等值電路。（3） 零序網(wǎng)絡(luò)的制定零序網(wǎng)絡(luò)中不包含電源電勢。在不對(duì)稱短路點(diǎn)施加代表故障的零序電勢，查明零序電流通路，凡是零序電流能流通的元件都包括在零序網(wǎng)絡(luò)中。零序電流的流通和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、變壓器的接線方式及中性點(diǎn)的接線方式有關(guān)。需要注意的是：？發(fā)電機(jī)沒有零序電視源，零序電流不能通過。？變壓器角形接線零序電流不能通過，當(dāng)零序電抗為正無窮時(shí)，該支路相當(dāng)于斷開。？由于中性點(diǎn)經(jīng)接地能流通零序電流，所以包含在零序網(wǎng)絡(luò)中。同樣，從故障端口看零序網(wǎng)絡(luò)，它也是一個(gè)無源網(wǎng)絡(luò)，利用戴維南定理可化簡等值電路。7.問題：如何用復(fù)合序網(wǎng)法求解單相短路、兩相短路、兩相短路接地故障？回答：復(fù)合序網(wǎng)法可以簡便直觀的根據(jù)故障類型確定邊界條件，用對(duì)稱分量法求出新的邊界條件（以序分量表示的邊界條件），按新的邊界條件將三個(gè)序網(wǎng)連成復(fù)合序網(wǎng)，由復(fù)合序網(wǎng)求出故障處的各序電壓和電流。（1） 單相接地短路k（1）（假定a相接地短路）邊界條件：Ua=0 Ib=Ic=0新邊界條件：U戶-（U+Un）I=I=I=1/3Iaal'a2 a0， ala2a3根據(jù)新邊界條件聯(lián)成復(fù)合序網(wǎng)由復(fù)合序網(wǎng)求分量：I-I-I-F/（ZZZ）———/（工匕木）ala2a3a1￡ 1E+2E+3ZZUa1—Ea1Z-Ia1Z!ZU—-IZ—-IZa2 a22￡ al2￡U—-IZ—-IZa0 a00￡ al0￡（2） 兩相短路、兩相短路接地的求解不再贅述。問題：如何理解正序等效定則？回答：在求解各種不對(duì)稱短路的正序分量電流時(shí)，可用通式表示:WuE/Zd+Zm）對(duì)于不同的短路類型，ZA（n）的值不同，如下表:表1不同短路類型的ZA（n）值I/』金屬性愜路三相期版③；｛第氏Iif= 瓦C兩相短蹈kc：）⑴:=—』瓦+4n知+瓦翹目梅如雋路史何杼=一魚一十/鹽+4+4+3乙兩相鋤援路；件一一氏如時(shí)知+珥）在上述三種不對(duì)稱短路的分析和計(jì)算中，還有一個(gè)共同的問題一一基準(zhǔn)相的選擇。以上均是以a相為基準(zhǔn)相進(jìn)行分析和計(jì)算，如果同一類型的故障不發(fā)生在上述的那些假定相別上，那就不一定選a相為基準(zhǔn)相。一般在簡單不對(duì)稱計(jì)算中，大多選擇故障時(shí)三相當(dāng)中的特殊項(xiàng)為基準(zhǔn)相。所謂特殊相，是指故障處與另兩相情況不同的那一相。如果故障只涉及一相，則故障相就是特殊相；如果故障涉及到兩相，非故障相才是特殊相。問題：如何計(jì)算非故障相處電流電壓？回答：求網(wǎng)絡(luò)中非故障處的支路電流。先求出短路點(diǎn)的各序分量電流，再將短路點(diǎn)的各序分量電流按照各序網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)分配到各支路中去，最后將同一支路的各序電流按對(duì)稱分量法合成，得到該支路的各相電流。求網(wǎng)絡(luò)中非故障點(diǎn)的電壓。先求出短路點(diǎn)各序電壓，再以短路點(diǎn)各序電壓為基礎(chǔ)，逐段加上相應(yīng)支路各序電壓降，得到各節(jié)點(diǎn)各序電壓，然后再將同一節(jié)點(diǎn)各序電壓按對(duì)稱分量法合成，得到各節(jié)點(diǎn)的各相電壓。對(duì)稱分量經(jīng)變壓器后的相位變化。對(duì)于接線組別為Y0，d11(Y0/A-11)或Y，d11(Y0/*11)的變壓器，兩側(cè)的電流、電壓不僅大小有變化，而且相位上也有變化，變壓器的變比為復(fù)變比。問題：基于Matlab的算法是如何實(shí)現(xiàn)的？回答：Matlab的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)工程中常用的形式十分相似，故用Matlab來解算問題要比用C、Fortran、c++、JAVA等語言簡捷得多。用戶可以直接調(diào)用，也可以將自己編寫的應(yīng)用程序?qū)氲組atlab函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用。Matlab是一個(gè)高度集成的系統(tǒng)，集科學(xué)計(jì)算、圖像處理、聲音處理于一體，具有極高的編程效率。近年來，Matlab已經(jīng)從最初的“矩陣實(shí)驗(yàn)室”，滲透到科學(xué)與工程計(jì)算的多個(gè)領(lǐng)域，在自動(dòng)控制、信號(hào)處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、小波分析等多個(gè)方向，都有著廣泛的應(yīng)用。根據(jù)電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，可以建立合理的短路的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上形成了電力系統(tǒng)短路電流實(shí)用計(jì)算方法