电力系统短路计算的程序实现.doc
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成都理工大学工程技术学院毕业论文
电力系统短路计算的程序实现
作者姓名：
孔祥天
专业名称：
电气工程及其自动化
指导教师：
赵熹讲师
电力系统短路计算的程序实现
摘要
短路电流计算是电气设计中最基本的计算之一，在发电厂、变电所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、电气设备选型、继电保护整定计算、确定限制短路电流措施、在电力系统中合理地配置各种继电保护并整定其参数等的重要依据。
掌握短路发生以后的物理过程以及计算短路时各种运行参量（电流、电压等）的计算方法是非常必要的。
本文介绍了短路电流计算实用的数学模型、计算原理和方法。
用MATLAB语言编写了计算程序，应用起来方便、快捷、准确，提高了效率和准确度。
关键词 ：
短路电流电气设计继电保护程序电网
-IV-
Abstract
Electricalshort-circuitcurrentcalculationisthecalculationofthebasicdesignofoneofthepowerplants,substationsandthepowersystemdesignandoperationofwork,short-circuitmustbecalculatedinadvance,areasonablechoiceaselectricalwiring,electricalequipment,theelectiontype,relaysettingcalculationtodeterminethemeasurestolimitshort-circuitcurrentinthepowersystemconfigurationinareasonablerangeofrelayanditsparameters,suchassettinganimportantbasis.Haveoccurredaftershort-circuitaswellasthecalculationofthephysicalprocessesatavarietyofshort-runparameters（current,voltage,etc.）thecalculationisverynecessary.Inthispaper,short-circuitcurrentcalculationandpracticalmathematicalmodel,principlesandmethodsofcalculation.MATLABlanguagewiththecomputerprogram,applicationtoconvenient,fast,accurate,andimprovetheefficiencyandaccuracy.
Keywords:
Short-circuitcurrent,ElectricalDesign,RelayProtection,Procedures,PowerGrid.
目录
摘要 I
Abstract II
目录 III
前言 1
1电力系统短路故障分析的基本知识 3
1.1短路故障分析概述 3
1.1.1短路的概念及类型 3
1.1.2短路产生的原因 3
1.1.3短路的危害及限制措施 4
1.2计算短路电流的目的 6
1.3短路计算的作用 6
1.4短路计算的基本步骤 7
1.5标幺制 7
1.5.1标幺值的概念 7
1.5.2基准值的选取 7
1.5.3基准值改变时标幺值的换算 8
1.5.4不同电压等级网络中各元件参数标幺值计算 9
2电力系统三相短路分析计算 11
2.1恒定电势源的三相短路电流分析 11
2.1.1三相短路的暂态过程分析 11
2.1.2短路冲击电流和最大有效值电流 14
2.2同步发电机突然三相短路的物理分析 17
2.3电力系统三相短路的实用计算 18
2.3.1三相短路实用计算的基本假设 18
2.3.2起始次暂态电流和冲击电流的实用计算 19
2.3.3短路电流计算曲线及其应用 20
2.3.4短路电流周期分量的近似计算 23
3电力系统简单不对称故障分析计算 25
3.1对称分量法 25
3.2简单不对称短路的分析计算 26
4短路电流计算程序的实现 31
4.1MATLAB软件简介 31
4.2数学模型的建立 31
4.3短路电流计算的基本原理和方法 32
4.4三相短路电流计算程序 33
4.4.1利用节点阻抗矩阵计算短路电流 33
4.4.2计算节点电压和支路电流 34
4.4.3计算短路电流程序的原理框图 35
4.4.4计算实例 35
4.5不对称短路故障计算程序 37
4.5.1不对称短路故障的计算步骤 37
4.5.2不对称短路故障计算程序原理框图 39
总结 43
致谢 44
参考文献 45
附件1对称短路源程序 46
附件2不对称短路源程序 47
前言
在电力系统和电气设备的设计和运行中，短路电流计算是解决一系列技术问题所不可缺少的基本计算，是接线方案比较、电气设备选择、继电保护计算与整定的基础。
在选择电气主接线时，为了比较各种接线方案或确定某一接线是否需要采取限制短路电流的措施等，均需进行必要的短路电流计算。
在选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障情况下都能安全、可靠地工作，同时又力求节约资金，这就需要进行全面的短路电流计算。
在设计屋外高压配电装置时，需按短路条件检验软导线的相间和相对地的安全距离。
在选择继电保护方式和进行整定计算时，需以各种短路时的短路电流为依据。
评价并确定网络方案，研究限制短路电流的措施。
分析计算送电线路对通讯设施的影响。
发生短路的原因很多，其根本原因还是电气设备载流部分的相与相之间或相对地之间的绝缘受到损坏。
例如架空输电线的绝缘子可能由于受到过电压（例如由雷击引起）而发生闪络或由于空气的污染使绝缘子表面在正常工作电压下放电。
再如其他电气设备，发电机、变压器、电缆等的载流部分的绝缘材料在运行中损坏。
鸟兽跨接在裸露的载流部分以及大风或导线覆冰引起架空线路杆塔倒塌所造成的短路也是屡见不鲜的。
此外，运行人员在线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。
电力系统的短路故障大多数发生在架空线路部分。
实用的短路电流计算，是在基本假设基础上，对网络利用多次的并、串及星—角等值变换进行化简，求得各电源点对短路点的转移阻抗，然后查运算曲线，求得短路电流。
对于复杂网络，支路和节点较多，手工进行网络化简已很难完成，而且精确度低，又相当容易出错。
对于大电网的潮流计算和短路计算，已有较为成功的计算方法和程序，能对电力网络进行较为精确复杂的分析和计算，但因其程序较大，需要硬件资源较高，计算前的准备工作较复杂，计算结果也并不完全适合中小型供配电网的设计工作和运行。
当前大多数中小型设计院及一些厂矿企业等还仍然采用手工计算。
本文从实际工作需要出发，基于实用短路电流计算，简化了计算过程，介绍了数学模型、计算原理和方法、程序框图。
同时给出程序计算结果。
1电力系统短路故障分析的基本知识
1.1短路故障分析概述
1.1.1短路的概念及类型
在电力系统的运行过程中，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，是指一切不正常的相与相之间或相与地之间（对于中性线接地的系统）发生通路的情况。
在正常运行时，除中性点外，相与相或相与地之间是绝缘的。
表1.1示出三相系统中短路的基本类型。
电力系统的运行经验表明，单相短路接地占大多数。
三相短路时三相回路依旧是对称的，故称为对称短路；其他几种短路均为三相回路不对称，称为不对称短路。
上述各种短路均是在同一地点短路，实际上也可能是在不同地点同时发生短路，例如两相在不同地点接地短路。
表1.1短路类型
短路类型
符号
三相短路
两相短路
单相接地短路
两相接地短路
1.1.2短路产生的原因
发生短路的原因很多，其根本原因还是电气设备载流部分的相与相之间或相对地之间的绝缘受到损坏。
例如架空输电线的绝缘子可能由于受到过电压（例如由雷击引起）而发生闪络或由于空气的污染使绝缘子表面在正常工作电压下放电。
再如其他电气设备，发电机、变压器、电缆等的载流部分的绝缘材料在运行中损坏。
鸟兽跨接在裸露的载流部分以及大风或导线覆冰引起架空线路杆塔倒塌所造成的短路也是屡见不鲜的。
此外，运行人员在线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。
电力系统的短路故障大多数发生在架空线路部分。
总之，产生短路的原因有客观的，也有主观的，只要运行人员加强责任心，严格按规章制度办事，就可以把短路故障的发生控制在一个很低的限度内。
1.1.3短路的危害及限制措施
短路故障对电力系统的正常运行和电气设备有很大的危害。
在发生短路时，由于电源供电回路的阻抗减小以及突然短路时的暂态过程，使短路回路中的短路电流值大大增加，可能超过该回路的额定电流许多倍。
短路点距发电机的电气距离愈近（即阻抗愈小），短路电流愈大。
例如在发电机端发生短路时，流过发电机定子回路的短路电流最大瞬时值可达发电机额定电流的10～15倍。
在大容量的系统中短路电流可达几万甚至几十万安培。
短路点的电弧有可能烧坏电气设备。
短路电流通过电气设备中的导体时，其热效应会引起导体或其绝缘的损坏。
另一方面，导体也会受到很达的点电动力的冲击，致使导体变形，甚至损坏。
因此，各种电气设备应有足够的热稳定度和动稳定度，使电气设备在通过最大可能的短路电流时不致损坏。
短路还会引起电网中电压降低，特别是靠近短路点处的电压下降得最多，结果可能使部分用户的供电受到破坏。
图1.1中示出了一简单供电网在正常运行时和在不同地点（和）发生三相短路时各点电压变化的情况。
折线1表示正常运行时各点电压的大致情况。
折线2表示点短路后的各点电压。
点代表降压变电所的母线，其电压降至零。
由于流过发电机和线路L-1、L-2的短路电流比正常电流达，而且几乎时纯感性电流，因此发电机内电抗压降增加，发电机端电压下降。
同时短路电流流过电抗器和L-1引起的电压降也增加，以致配电所母线电压进一步下降。
折线3表示短路发生在点时情形。
电网电压的降低使由各母线供电的用电设备不能正常工作，例如作为系统中最主要的电力负荷异步电动机，他的电磁转矩与外施电压的平方成正比，电压下降时电磁转矩将显著降低，使电动机转速减慢甚至完全停转、从而造成产品报废及设备损坏等严重后果。
图1.1正常运行和短路故障时各点的电压
系统中发生短路相当于改变了电网的结构，必然引起系统中功率分布的变化，则发电机输出功率也相应地变化。
如图1.1中，无论或点短路，发电机输出的有功功率都要下降。
但是发电机的输入功率是由原动机的进汽量或进水量决定的，不可能立即相应变化，因而发电机的输入和输出功率不平衡，发电机的转速将变化，这就有可能引起并列运行的发电机失去同步，破坏系统的稳定，引起大片地区停电。
这就是短路造成的最严重的后果。
不对称接地短路所引起的不平衡电流产生的不平衡磁通，会在邻近的平行的通信线路内感应除相当大的感应电动势，造成对通信系统的干扰，甚至危及设备和人身的安全。
为了减少短路对电力系统的危害，可以采取限制短路电流的措施，例如图1.1中所示的在线路上装设电抗器。
但是最主要的措施是迅速将发生短路的部分与系统其他部分隔离。
在图1.1中点短路后可立即通过继电保护装置自动将L-2的断路器
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