电力系统的设计.docx

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电力系统的设计

1前言

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。

（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。

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

图2.1电力系统接线图

电力系统接线如上图所示。

S1，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T1、T2，每台410MVA，Vs%=14.6，x0≈x1；

T3变压器，260MVA，Vs%=14.1，x0≈x1；

T4变压器，360MVA，Vs%=8.3，x0≈x1；

L1线路，180km，x1=0.405Ω/km，x0≈3x1；

L2线路，220km，x1=0.33Ω/km，x0≈3x1；

L3线路，95km，x1=0.405Ω/km，x0≈3x1；

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，Ω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：

标幺值=（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,,和时，相应的标幺值如下：

2.2.2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：

（2）

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）

选择在标幺制中便有：

（4）

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，习惯上也只选VB和SB。

由此得：

这样，电流和阻抗的标幺值则为：

（5）

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：

（6）

2.2.2有三级电压的的网络中各元件参数标幺值的计算

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

，，

，，

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=100×标幺值，对于变压器，其标幺电抗xT（N）*常用下式计算：

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（Ⅰ），VB（Ⅱ），VB（Ⅲ），至于功率，整个输电系统用统一，所以各段的基准功率都为SB。

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

，，

，

，（7）

用标幺参数表示的等值电路如图（c）所示，其中变压器kB（Ⅰ-Ⅱ）=VB（Ⅰ）/VB（Ⅱ）为第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-Ⅱ），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

2.2.4系统的等值网络图

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。

（i=1、2、3、…）（8）

式中SNi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

（9）

（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

（10）

无限大功率电源提供的短路电流为

（11）

式中，Vav为短路点处电压级平均额定电压；INi为归算到短路点处电压级第i台等值发电机的额定电流；IB为对应于所选基准功率SB在短路处电压的基准电流。

2.4故障点短路电流计算

2.4.1f1点三相短路

f1点三相短路时，由系统的参数可知，G1，G2可以合并，另外可作星网变换消去f2处节点。

合并G1，G2得

对于f2处节点进行星网变换，算出G3对母线f1处的电抗为：

S2到母线f2处的电抗为：

合并S1，S2可得：

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：

图2.4f1点三相短路等值电路

G3的计算电抗为：

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：

又由可得：

所以变压器高压侧电流为

根据变压器的变比可得低压侧电流为

又因为Ifs由S1和S2提供，可得

所以IL3=3.928+0.6413+3.0578-2×1.964-1.1696=2.5295（kA）

所以T4高压侧电流为

############T4高压侧电流由S2和G3提供，由分流系数我们可以求得

T3高压侧电流为

T3低压侧电流为

由此我们计算出了f1点处短路时各支路的电流