电力系统分析课程设计.docx
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电力系统分析课程设计
西华大学课程设计说明书
1前言2…
1.1短路的原因2.
1.2短路的类型2.
1.3短路计算的目的2.
1.4短路的后果3.
2电力系统三相短路电流计算4.
2.1电力系统网络的原始参数4.
2.2制定等值网络及参数计算5.
2.2.1标幺制的概念5..
2.2.2有三级电压的的网络中各元件参数标幺值的计算6
2.2.3计算各元件的电抗标幺值8.
2.2.4系统的等值网络图9.
2.3短路电流计算曲线的应用9.
2.4故障点短路电流计算1.0
2.4.1fi点三相短路1.0
2.4.2f3点短路.12
3电力系统不对称短路电流计算15
3.1对称分量法的应用1.5
3.2各序网络的制定16
3.2.1同步发电机的各序电抗16
3.2.2变压器的各序电抗1.6
3.3不对称短路的分析1.7
3.3.1不对称短路三种情况的分析1.7
3.3.2正序等效定则20
3.3.3不对称短路时短路点电流的计算21
4结论27.
5总结与体会28
6谢辞29.
7参考文献3Q
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/、八—
1刖言
在电力系统的设计和运行中，都必须考虑到可能发生的故障和不正常运行的情况，
因为它们会破坏对用户的供电和电气设备的正常工作，而且还可能对人生命财产产生威
胁。
从电力系统的实际运行情况看，这些故障绝大多数多数是由短路引起的，因此除了对电力系统的短路故障有一较深刻的认识外，还必须熟练掌握电力系统的短路计算。
短路是电力系统的严重故障。
所谓短路，是指一切不正常的相与相之间或相与地（对于中性点接地的系统）发生通路的情况。
1.1短路的原因
产生短路的原因很多，主要有如下几个方面：
（1）元件损坏，例如绝缘材料的自然老化、设计、安装及维护不良所带来的设备缺陷发展成短路等；
（2）气象条件恶劣，例如雷击造成的网络放电或避雷器动作，架空线路由于大风或导线覆冰引起电杆倒塌等；
（3）违规操作，例如运行人员带负荷拉闸，线路或设备检修后未拆除接地线就加上电压等；（4）其他，如挖沟损伤电缆，鸟兽跨接在裸露的载流部分等。
1.2短路的类型
在三相系统中，可能发生的短路有：
三相短路、两相短路、两相短路接地和单相接地短路。
三相短路也称为对称短路，系统各项与正常运行时一样仍处于对称状态。
其他类型的短路都是不对称短路。
电力系统的运行经验表明，在各种类型的短路中，单相短路占大多数，两相短路较少，三相短路的机会最少。
三相短路虽然很少发生，但情况较严重，应给予足够的重视。
况且，从短路计算方法来看，一切不对称短路的计算，在采用对称分量法后，都归结为对称短路的计算。
因此，对三相短路的的研究是具有重要意义的。
1.3短路计算的目的
在电力系统的设计和电气设备的运行中，短路计算是解决一系列问题的不可缺少的基本计算，这些问题主要是：
（1）选择有足够机械稳定度和热稳定度的电气设备，例如断路器、互感器、瓷瓶、母线、电缆等，必须以短路计算作为依据。
这里包括计算冲击电流以校验设备的电动力稳定度；计算若干时刻的短路电流周期分量以校验设备的热稳定度；计算指定时刻的短路电流有效值以校验断路器的断流能力等。
（2）为了合理地配置各种继电保护和自动装置并确定其参数，必须对电力网中发生的各种短路进行计算和分析。
在这些计算中不但要知道故障支路中的电流值，还必须知道电流在网络中的分布情况。
有时还要知道系统中某些节点的电压值。
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（3）在设计和选择发电厂和电力系统主接线时，为了比较各种不同方案的接线图，确定是否需要采取限制短路电流的措施等，都要进行必要的短路电流计算。
（4）进行电力系统暂态稳定计算，研究短路对用户工作的影响等，也含有一部分短路计算的内容
此外，确定输电线路对通讯的干扰，对已发生故障进行分析，都必须进行短路计算在实际工作中，根据一定的任务进行短路计算时，必须首先确定计算条件。
所谓计算条件，一般包括，短路发生时系统的运行方式，短路的类型好发生的地点，以及短路发生后所采取的措施等。
从短路计算的角度来看，系统运行方式指的是系统中投入运行的发电、变电、输电、用电的设备的多少以及它们之间相互联接的情况，计算不对称短路时，还包括中性点的运行状态。
对于不同的计算目的，所采用的计算条件是不同的。
1.4短路的后果
随着短路类型、发生地点和持续时间的不同，短路的后果可能指破坏局部地区的正常供电，也可能威胁整个系统的安全运行。
短路的危险后果一般有以下的几个方面：
（1）短路故障使短路点附近的支路中出现比正常值大许多倍的电流，由于短路电流的电动力效应，导体间将产生很大的机械应力，可能使导体和它们的支架遭到破坏。
（2）短路电流使设备发热增加，短路持续时间较长时，设备可能过热以致损坏。
（3）短路时系统电压大幅度下降，对用户影响很大。
系统中最主要的电力负荷是异步电动机，它的电磁转矩同端电压的平方成正比，电压下降时，电动机的电磁转矩显著减小，转速随之下降。
当电压大幅度下降时，电动机甚至可能停转，造成产品报废，设备损坏等严重后果。
（4）当短路发生地点离电源不远而持续时间又较长时，并列运行的发电厂可能失去同步，破坏系统稳定，造成大片地区停电。
这是短路故障最严重后果。
（5）发生不对称短路时，不平衡电流能产生足够的磁通在邻近的电路内感应出很大的电动势，这对于架设在高压电力线附近的通讯线路或铁道讯号系统等会产生严重的影响。
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2电力系统三相短路电流计算
2.1电力系统网络的原始参数
345kV
图2.1电力系统接线图
电力系统接线如上图所示。
Si，S2为无穷大电源系统，电抗为零。
发电机G1-G2为汽轮发电机，每台400MVA，Xd‘’=0.285,负序电抗X2=0.29;发电机G3为水轮发电机，280MVA，Xd‘’=0.203，负序电抗X2=0.22;
变压器Ti、T2，每台410MVA，Vs%=14.6,X0"x;
T3变压器，260MVA，Vs%=14.1，X0"x;
T4变压器，360MVA，Vs%=8.3，X0"x;
L1线路，180km，X1=0.405Q/kmX0"3x;
L2线路，220km，X1=0.33Q/kmX0"3x;
L3线路，95km，X1=0.405Q/kmX0"3x;
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2.2制定等值网络及参数计算
2.2.1标幺制的概念
在一般的电路计算中，电压、电流、功率和阻抗的单位分别用V,A,W,Q表示,
这种用实际有名单位表示物理量的方法称为有名单位制。
在电力系统计算中，还广泛的使用标幺制。
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示。
标幺值定义由下式给出：
实际有名值（任意单位）
基准值（与有名值同单位）
（2-1）
由此可见，标幺值是一个没有量纲的数值，对于同一个实际的有名值，基准值选得不同，其标幺值也就不同。
因此，当我们说明一个量的标幺值时，必须同时说明它的基准值，否则，标幺值的意义是不明确的。
当选定电压、电流、功率和阻抗的基准值分别为VbJbSb和Zb时，相应的标幺值如
下:
Vb
SB
Zb
P
Q
j
=P*jQ*
SB
SB
R
X
■j-
=R*jX*
Zb
Zb
PjQ
SB
RjX
>（2一
2-2
222标幺值的选择
在电力系统分析中，主要涉及对称三相电路计算。
计算时习惯上多采用线电压V，
线电流I,三相功率S和一相等值阻抗Z,各物理量之间存在下列关系：
V=J3ZI〜3VP
lVP卜
（2）
S二3VI=3SP
同单相电路一样，应使各量基准值之间的关系与其有名值间的关系具有相同的方程式:
（3）
Vb=3Zb|b3Vp«
Sb一3Vb|b一3Vpv|b一3Sp応
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选择在标幺制中便有:
V*二Z*I*二Vp*
S*=V*I*=Sp*
由此可见，在标幺制中，三相电路的计算公式与单相电路的计算公式完全相同，线电压和相电压的标幺值相等，三相功率和单相功率的标幺值相等。
在选择基准值时，习
Sb
2
惯上也只选Vb和Sb。
由此得：
ZB二VB二也IB-
ZB3IBSB""VB
Is
I*IB
Rjxi一r_Sb.jx
Z*R*jx*-R2jx
ZBVB
采用标幺值进行计算，所得结果最后还要换算成有名值，其换算公式为：
v=V*VB'
1=I*IB=I*卢B
这样，电流和阻抗的标幺值则为:
SB
>（5）
2
vbj
（6）
L
I
II
（a）
T-1
卜彳
厂】J
C
R
T-2
（b）
k1*:
1
XG*XT1*
曲AAAl
XL*
XR*
k2*:
1
XT2*
XC*
S=S*Sb
2"（R*jx*）¥B
SB
222有三级电压的的网络中各元件参数标幺值的计算
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图2.2有三段不同电压等级的输电系统
电力系统中有许多不同电压等级的线路段，它们由变压器来耦联。
图2.2（a）表示
了由三个不同电压等级的电路经两台变压器耦联所组成的输电系统，略去各元件的电阻
和变压器的励磁支路，可以算出各元件的实际有名值，变压器的漏抗均按原方绕组电压计算，这样我们就得到各元件电抗用实际有名值表示的等值电路，如图2.2（b）所示，
图中
2
VG（N）
XG=XG（N）*'
Sg（n）
，Xt
=X「（N）*s
2
VT1（N1），k「
1（N）
_V「（Ni）
Vti（n»
2
=Xr%VR（N）
XR「100、3|r（n）
，Xt
2
Vt2（n丿
二Xt2（n）*「
St2（n）
，kT
_Vt2（Nii）
Vt2（NiII）
Xl和Xc分别是架空线路L和电缆线路C的实际电抗。
百分值也是一种相对单位制,对于同一物理量，如果基准值相同，则百分值=100X标幺值，对于变压器，其标幺电抗XT（N）*常用下式计算：
_Vs%
Xt（N）*-100
由于三段电路的电压等级不同，彼此间只是通过磁路耦合而没有直接的电气联系，可以对各段电路分别选基准电压。
假定分别选Vb（!
），Vb（H）,Vbe,至于功率，整个输电系统用统一，所以各段的基准功率都为Sbo
选定基准电压后，可对每一元件都按各段的基准电压用公式（5）将其电抗的实际
有名值换算成标幺值，即
-_Sb_
Xg*一XG2
VB（I）
-_Sb_
，Xt_Xt1vB（：
）
-_Sb_
，XL*XL2
VB（H）
Sb
2
B（n）
2（NM）（7）
Vb（n）VB（皿）
kB（I-n）=VB（I）/VB（n）为第
St2^Xt
Sb二
22，Xr*_Xr
2Vb（h）XV
k「Vt（ni）Vt（nh）kT2Vt（nn）Vt
kB（I』）VB（I）VB（H）2*kB（H』）
用标幺参数表示的等值电路如图（C）所示，其中变压器
I段和第II段的基准电压之比，称为基准变比。
通常选择适当基准电压，使变压器电路得到简化，比如选择I，II段基准电压之比
kB（I-H）,等于变压器下的变比kT1，I,II段的基准电压之比等于变压器T2的变比kT2，则
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可得kT1*=1,kT2*=1，这样在标幺参数的电路中就不需串联理想变压器了。
在实际的计算中，总是把基准电压选得等于（或接近于）该电压级的额定电压。
这样可以从计算结果清晰地看到实际电压偏离额定值的成程度。
为了解决上述的困难，在工程计算中规定，各个电压等级都以其平均额定电压Vav作为基准电压，根据我国现行
的电压等级，各级平均额定电压规定为：
3.15,6.3,10.5,15.75,37，115,230,345,525（kV）
在分段计算中以上述平均额定电压作为各级基准电压。
2.2.3计算各元件的电抗标幺值
在本次实验中，选取Sb=1000MVA,VB=Vav
xG1*
%2*
2
VG
G1（N）
二X
G1（N）*
Sg（n）
竟=0.285詈=”125
XG3*
2
G3（N）
XG3（N）*
Sg（N）
Sb
2
V3B
1000
二0.2030.7250
280
X「*Xt2
2
Vs%V「（N）Sb
100ST1（N）VB（T1）
=0.146
1000
410
=0.3561
S3
2
VT3（N）
XT3*
100
Sb
2
VB（T3）
=0.141
1000
260
-0.5423
XT4*
ST3（N）
S4
%
4（N）
100
St
Sb
2
VB（T4）
-0.0831000=0.2306
360
XL1*一XL1
2
VB（L1）
=0.405180
1000
2302
=1.3780
XL2*
X|-^=0.332201000=0.6100「V-.、345
B（L2）
XL3*
XL3v
Sb1000
=0.405952=0.7273
22602
B（L3）
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2.2.4系统的等值网络图
0.2306
0.7273
23
.54
61
.35
'0.-:
:
50
2
25
.71
IO—2
25
71
.O—
图2.3电力系统的等值网络
2.3短路电流计算曲线的应用
在工程计算中常利用计算曲线来确定短路后任意指定时刻短路电流的周期分量，对短路点的总电流和短路点邻近支路的电流分布计算，计算曲线有足够的准确度。
应用计算曲线法的具体计算步骤如下：
（1）绘制等值网络。
a.选取基准功率Sb和基准电压VB=Vav；
b.发电机的电抗用Xd“略去网络中各元件的电阻，输电线路的电容和变压器的励磁支路；
C.无限大功率电源的内电抗等于零；
d.略去负荷。
（2）进行网络变换。
将网络中的电源按合并的原则合并成若干组，求出各等值电机对短路点的转移阻抗
xfi（i=1，2，…）以及无限大功率电源对短路点的转移电抗Xfs。
（3）将求得的转移电抗按各相应的等值机的容量进行归算，便得到各等值机对短路点的计算电抗。
Xsi
Xfi
Sb
（i=1、2、3、…）
（8）
式中Sm为第i台等值机的额定容量，即由它所代表的那部分发电机的额定容量之
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和。
（4）由Xjs1,Xjs2,…分别根据适当的计算曲线找出指定时刻t各等值发电机提供的短路周期电流的标幺值Ipt1*，Ipt2*，…,Iptg*。
（5）网络中无限大功率电源提供的短路周期电流是不衰减的，并由下式确定
1
（9）
|ps*-Xfs
（6）计算短路电流周期分量的有名值。
第i台等值发电机提供的短路电流为
Ni
（10）
无限大功率电源提供的短路电流为
|psTps*|
Sb
式中，Vav为短路点处电压级平均额定电压；值发电机的额定电流；Ib为对应于所选基准功率2.4故障点短路电流计算
2.4.1fi点三相短路
f1点三相短路时，由系统的参数可知，G1，处节点。
ps*3Vav
iNi为归算到短路点处电压级第
Sb在短路处电压的基准电流。
（11）
i台等
G2可以合并，另外可作星网变换消去f2
/*、〃/+、0.3561+0.7125门“从
合并G1，G2得
Xf（12）=仪打Xt1*）〃（Xg*Xt」二2=0.5343
对于f2处节点进行星网变换，算出G3对母线f1处的电抗为：
±111（XG3*+XT3*F（XT4*
XL2*
=0.72500.54230.23060.7273（酥250阿23）（阿06'酥273）=
0.6100
X36二XG3*XT3*Xt4*XL3*
S2到母线f2处的电抗为:
丄丄丄Xl」Xt4*+xl丿
XS26XL2*XT4*XL3*--
XG3*XT3*
±丄10.6100^（0.2306+0.7273）
-0.61000.23060.72732.0290
0.7250+0.5423
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j378°彳0290』8207
1.37802.0290
合并Si,S2可得:
XS6二Xs〃Xs26
由此可得等值电路图如图2.4所示
G1,G2合并后的计算电抗为：
.8207
f1
.2152
.5343
图2.4fi点三相短路等值电路
X.=XfSg1Sg2=0.5343x2沃400=0.4274
Sb
JS12f121000
G的计算由抗为Xj=Xf鱼2=4.2152汉纟80=1.1802
G3的计算电抗为：
XJS3Xf3Sb1000
由所得的计算电抗查表可得1秒时各等值电源提供的短路电流为:
If=1.956
12*
I1.003
f3*
1
Ifs*1.2185
Xs6
又由IPtiTpti*INi
SN12
If12If12*.
3Vav
12
=1.9562400-3.928（kA）
（3730
匕“^农九0曲急".7050（嵋
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SB=1.2185〉“」000=3.0587（kA）
Sfs*3VaV、3230
1
所以变压器高压侧电流为||丄=「964（kA）
T1T22f12
根据变压器的变比可得低压侧电流为||1.964230=28.6806（kA）
G1G215.75
又因为Ifs由S1和S2提供，可得
XS26
XS2XS26
二1.964
2.0290
1.37802.0290
=1.1696（kA）
所以Il3=3.928+0.6413+3.0578-2X1.964-1.1696=2.5295（kA）
所以T4高压侧电流为II】空2.5295空0=1.6863（kA）
T4L3345345
############T4高压侧电流由S2和G3提供，由分流系数我们可以求得
L2「T4
XT3*Xg『
XL2*
-1.6863
XT3*XG3*
0.54230.7250
0.61000.54230.7250
-1.1384（kA）
T3高压侧电流为IT广IT4TL2".6863-1.1384=0.5479（kA）
T3低压侧电流为匚J12.0024（kA）
G3T315.75
由此我们计算出了f1点处短路时各支路的电流。
2.4.2f3点短路
f3点短路时：
由于G1点直接接于短路点，应单独考虑，同样G2单独考虑。
S2,G3对f1点的电抗同f1点短路时结果一样，X36=4.2152，xs26=2.0290合并S1，S2,有Sb=0.8207。
由此我们得到图2.6
根据星网变换可以分别算出G2,G3,S1,2对f3的转移阻抗:
Xf0.82070.3561（1111）
f120.35611.06860.82074.2152
=1.5196
Xf=4.21520.3561（1111）
Xf30.35611.06860.82074.2152
二7.8051111
x1.06860.3561（）
Xf20.35611.06860.82074.2152
-1.9786
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2）1.5196
1>3
ood
123
图2.5f3点三相短路等值电路
可以分别算得电压对f3点的计算电抗为:
x.=0.7125汉凹0=0.285
JSi1000
XjS2
=1.9786
400
1000
=0.7914
280
XjS3=7.8051000如854
查表得各电源提供的短路电流的标幺值为:
If1*
=2.4215，
If厂「243，If
=0.470，
3*
If「°.6581
pti
p-可得:
av
一400=2.4215
1*.315.75
400
-315.75
=36.5061（kA）
400
f2*315.75
=1.243
400
.315.75
=18.2259（kA）
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If=If280=0.470280=4.8241（kA）
f3f3*315.75..315.75
1000
II—SB=0.6581=24.1241（kA）
fsfs*3Vav、315.75
S*
由等值电路图可知，Ti低压侧电流应为:
IG^If2If3If
=18.22594.824124.1241=47.1741（kA）
S
所以T1的高压侧电流为：
I「讥1盘亠网旳
T2高压侧的电流为：
［1.2901（kA）
T2
所以其低压侧电路为：
丨丨230=18.8508（kA）
G2T215.75
无限大功率电源S1,S2提供电流为：
42152
Is=（II）1.5261（kA）
IIT1IT24.21520.8207
所以，丨-IS—=0.4650（kA）
L1
IL1IL2
Li
IL3
3.2304-1.2901-0.4650=1.4744（kA）
It1L1T2
IT4
Il2
230230
=I1.47440.9829（kA）
IL3345345
0.5423+0.7250cc—、
=I0.6635（kA）
'T40.61000.54230.7250
IT3
0.3194（kA）
IT4L2
=|T=6.9959（kA）
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3电力系统不对称短路电流计算
3.1对称分量法的应用
（12）
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），可以分解为三组相对
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