电力系统分析课程设计.docx

1、电力系统分析课程设计西华大学课程设计说明书1前言 21.1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 62.2.3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 1.02.4.1fi点三相短路 1.02.4.2f3 点短路 .123电力系统不对称短路电流计算 153.1对称分量法的应用 1.53.2各序

2、网络的制定 163.2.1同步发电机的各序电抗 163.2.2变压器的各序电抗 1.63.3不对称短路的分析 1.73.3.1不对称短路三种情况的分析 1.73.3.2正序等效定则 203.3.3不对称短路时短路点电流的计算 214结论 27.5总结与体会 286谢辞 29.7参考文献 3Q西华大学课程设计说明书/ 、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

3、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

4、、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

5、、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。西华大学课程设计说明书（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

6、） 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，

7、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

8、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。西华大学课程设计说明书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

9、.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 =0.405 Q /km X0 3x;L2 线路，220km，X1 =0.33 Q /km X0 3x ;L3 线路，95km，X1 =0.405 Q /km X0 3x ;西华大学课程设计说明书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

10、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:VbSBZbPQj=P* jQ*SBSBRX j-=R* jX *ZbZbP jQSBR jX(2 一2-2

11、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 3V Pl VP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|b 3VpSb 一 3V b | b 一 3V p v | b 一 3 Sp 応西华大学课程设计说明书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

12、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Sb2惯上也只选Vb和Sb。由此得： ZB二VB二也 I B -ZB 3IB SB VBI sI* I BR jx i 一 r_Sb . jxZ* R* j x* - R 2 jxZB VB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 * I B = I * 卢 B这样，电流和阻抗的标幺值则为:SB(5)2vbj(6)LIII(a)T-1卜 彳厂】JCRT-2(b)k1*:1XG* XT1*曲 AAAlXL*XR*k2*:1XT2*XC*S = S* Sb2 (R* jx*)BSB222有

13、三级电压的的网络中各元件参数标幺值的计算西华大学课程设计说明书图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2V G（N）XG = XG（N）*Sg（n），Xt=X（N）* s2VT1（N 1），k1（N）_ V（Ni）Vti（n2=Xr% V R（N）XR100、3|r（n），Xt2V

14、t2（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 =100 X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 Sb o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

15、际有名值换算成标幺值，即-_Sb_Xg* 一 XG 2V B（I）-_Sb_，Xt _Xt1vB（：）-_Sb_，XL* XL 2V B（H）Sb2B（n）2（NM） （ 7）V b （ n） V B （皿）kB （ I - n） =V B （I） /V B （n）为第St 2 XtSb 二2 2 ， Xr* _ Xr2Vb（h ） X Vk Vt（ni）Vt（nh） kT2 Vt（nn）VtkB（I） V B （ I ） V B （ 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，

16、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，则西华大学课程设计说明书可得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 V av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, 5

17、25（ 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=VavxG1*%2*2VGG1(N )二 XG1(N)*Sg（n）竟=0.285 詈=”125XG3*2G3(N)XG 3( N)*Sg(N)Sb2V3B1000二 0.203 0.7250280X* Xt22Vs% V(N) Sb100 ST1(N) VB(T1)= 0.1461000410= 0.3561S32VT3(N)XT 3*100Sb2V B(T3)= 0.1411000260-0.5423XT 4*ST 3(N)S4%4( N )100

18、StSb2V B(T4)-0.083 1000 =0.2306360XL1* 一 XL12V B(L1)= 0.405 18010002302= 1.3780XL2*X| -=0.33 220 1000 =0.6100 V-.、 345B(L2)XL3*XL3vSb 1000=0.405 95 2 =0.72732 2602B(L3)西华大学课程设计说明书2.2.4系统的等值网络图0.23 060.72 7323.5461.350.-:50225.71IO 22571.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

19、，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。XsiXfiSb(i=1、2、3、)

20、(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西华大学课程设计说明书和。(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*，,I ptg*。(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| ps T ps* |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

21、2.4.1 fi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* 3V aviNi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： 1 1 1 (XG3* +XT3*F(XT4*XL2*= 0.7250 0.5423 0.2306 0.7273(酥250 阿23)(阿06 酥273)=0.6100X36 二 XG3*

22、 XT3* Xt4* XL3*S2到母线f2处的电抗为:丄 丄 丄XlXt4* + xl丿XS26 XL2* XT4* XL3* -XG3* XT 3* 丄 10.6100(0.2306 + 0.7273)-0.6100 0.2306 0.7273 2.02900.7250 + 0.5423西华大学课程设计说明书j378 彳029082071.3780 2.0290合并Si, S2可得:XS6 二 XsXs26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：.82 07f1.21 52.53 43图2.4 fi点三相短路等值电路X. =Xf Sg1 Sg2 =0.5343x 2

23、 沃400 =0.4274SbJS12 f 12 1000G的计算由抗为 Xj=Xf 鱼2 =4.2152汉纟80 =1.1802G3的计算电抗为：XJS3 Xf 3 Sb 1000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:I f =1.95612*I 1.003f 3*1I fs* 1.2185Xs6又由 I Pti T pti* I NiSN12I f 12 I f 12* .3V av12= 1.956 2 400 -3.928(kA)(3 730匕“农九0曲急.7050（嵋西华大学课程设计说明书SB =1.2185“000 =3.0587(kA)S fs* 3VaV 、

24、3 2301所以变压器高压侧电流为| | 丄=964(kA)T1 T 2 2 f 12根据变压器的变比可得低压侧电流为| | 1.964 230 = 28.6806(kA)G1 G2 15.75又因为Ifs由S1和S2提供，可得XS26XS2 XS26二 1.9642.02901.3780 2.0290= 1.1696(kA)所以 Il3=3.928+0.6413+3.0578-2X 1.964-1.1696=2.5295 (kA)所以T4高压侧电流为I I】 空2.5295空0 =1.6863(kA)T4 L3 345 345#T4高压侧电流由S2和G3提供，由分流系数我们可以求得L2T4X

25、T3* XgXL2*-1.6863XT3* XG3*0.5423 0.72500.6100 0.5423 0.7250-1.1384(kA)T3高压侧电流为 IT广 I T4T L2 .6863-1.1384 =0.5479(kA)T3低压侧电流为 匚 J 12.0024(kA)G3 T3 15.75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

26、根据星网变换可以分别算出 G2, G3, S1,2对f3的转移阻抗:Xf 0.8207 0.3561 ( 1 1 1 1 )f12 0.3561 1.0686 0.8207 4.2152= 1.5196Xf =4.2152 0.3561 ( 1 1 1 1 )Xf3 0.3561 1.0686 0.8207 4.2152二 7.805 1111x 1.0686 0.3561 ( )Xf2 0.3561 1.0686 0.8207 4.2152-1.9786西华大学课程设计说明书2)1.51 961 3o o d1 2 3图2.5 f3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.

27、=0.7125 汉凹0 =0.285JSi 1000XjS2= 1.97864001000= 0.7914280XjS3=7.805 1000 如854查表得各电源提供的短路电流的标幺值为:I f 1*= 2.4215，I f厂243，I f= 0.470 ，3*I f.6581ptip- 可得:av一400 =2.42151* .3 15.75400-3 15.75= 36.5061(kA)400f2* 3 15.75= 1.243400.3 15.75= 18.2259(kA)西华大学课程设计说明书If =If 280 = 0.470 280 =4.8241(kA)f3 f3* 3 15.

28、75 . 3 15.751000I I SB =0.6581 =24.1241(kA)fs fs* 3 V av 、3 15.75S*由等值电路图可知，Ti低压侧电流应为:IGIf2 If3 If= 18.2259 4.8241 24.1241 = 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)T 2所以其低压侧电路为：丨 丨 230 =18.8508(kA)G2 T2 15.75无限大功率电源S1, S2提供电流为：4 2152Is=(I I ) 1.5261( kA)I I T1 I T2 4.2152 0.8207所以，丨-I S = 0.4650(kA)L1I L1 I L2LiIL33.2304 -1.2901 -0.4650 =1.4744(kA)I t 1 L1 T2I T4Il2230 230=I 1.4744 0.9829 (kA)I L3 345 3450.5423 +0.7250 cc、=I 0.6635 (kA)T4 0.6100 0.5423 0.7250I T30.3194(kA)I T 4 L2=|T =6.9959(kA)西华大学课程设计说明书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