电力系统故障

1、湖北民族学院信息工程学院课程设计报告书题目: 三相短路故障分析与计算 课 程： 电力系统分析课程设计 专 业：电气工程及其自动化班 级： 0312422 学 号： 031240715 学生姓名： 巩 航 林 指导教师： 耿东山 2015年 5月 26日摘 要【摘要】 电力系统发生三相短路故障造成的危害性是最大的。作为电力系统三大计算之一，分析与计算三相短路故障的参数十分重要，巨大的短路电流将在周围空间产生很强的电磁场，尤其是不对称短路所产生的不平衡交变磁场，会对周围的通信网络、信号系统、晶闸管触发系统及控制系统产生干扰，因此计算短路电流的目的是为了限制短路的危害和缩小故障的影响范围，为电力系统

2、的规划设计、安全运行、设备选择、继电保护等提供重要依据。 本文由一个具体的电力系统网络，通过化简制定网络的等值电路，计算了三相短路故障处的冲击电流和功率大小，由此我们可以通过冲击电流的大小判断三相短路故障的危害及我们所做的措施。【关键词】 三相短路；参数设计；冲击电流；【 abstract 】 the dangers of three phase short circuit fault in power system cause is the biggest of all.As one of three big power system calculation, analysis and ca

3、lculation of the parameters of the three-phase short-circuit fault is very important, large short-circuit current will have a very strong electromagnetic field, in the surrounding space, especially the imbalance of alternating magnetic field produced by asymmetric short circuit, on the surrounding o

4、f the communication network, signal system and the thyristor trigger system and control system to produce interference, so the calculation of short-circuit current in order to limit the harm of short circuit and reduce the faults sphere of influence, for the safe operation of power system planning a

5、nd design, and provide important basis equipment selection, relay ，In this paper, by a specific power system network, through simplifying network equivalent circuit, calculating the three phase short circuit fault in the impact of the current and power size, thus we can impact the size of the curren

6、t judgment harm of three-phase short-circuit fault and what we do.【 key words 】 three phase short circuit;Parameter design;Inrush current;目录第一章 设计背景11.1 短路类型的简单介绍11.2 原始资料4第二章 系统三相短路故障分析52.1 短路后的暂态过程分析52.2 短路冲击电流82.3 短路功率9第三章 设计步骤103.1 设计框图103.2 有名值参数设计103.2.1 发电机参数103.2.2 变压器铭牌参数113.2.3 线路参数113.2.4

7、 负载L参数123.2.5 电动机参数12第四章 系统网络等值电路的制定124.1参数设定124.1.1 SB选取124.1.2 的选取124.1.3 的选取124.1.4 的选取124.1.5 的选取134.2 系统标幺值计算134.2.1 发电机电抗标幺值134.2.2 负载电抗标幺值134.2.3 变压器电抗标幺值144.2.4 线路电抗标幺值144.2.5电动机电抗标幺值（近似值）154.2.6 等值电路简化16第五章 结果与分析175.1短路次暂态电流标幺值（）175.2冲击电流（）的计算185.3 短路容量的计算18第六章 结论及心得18参考文献19第1章 设计背景1.1 短路类型

8、的简单介绍 在电力系统的运行过程中,时常会发生故障,如短路故障、断线故障等。其中大多数是短路故障(简称短路)。所谓短路,是指电力系统正常运行情况以外的相与相之间或相与地(或中性线)之间的连接。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；其它几种短路均使三相回路不对称，故称为不对称短路。上述各种短路均是指在同一地点短路,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短路。产生短路的主要原因是电气设备载流部分的相间绝缘或相对地绝缘被损坏。例如架空输

9、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。再如其它电气设备，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。鸟兽跨接在裸露的导线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。 短路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

10、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1015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。短路表1-1 短路类型短路种类短路类型示意图符号发生几率对称短路三相短路f(3)5%不对称短路单相接地短路f(1)10%两相短路f(2)65%两相接地短路f(1,1)20%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图1-1 正常运行和短路故障时

11、各点的电压图7-1 正常运行和短路故障时各点的电压坏。另一方面，导体也会受到很大的电动力的冲击，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（）发生三相短路时各点电压变化的情况。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大，而且几乎是纯感性电流，因此发电机内电抗压降增加，发电机端电压下降。同时

12、短路电流通过电抗器和L-1引起的电压降也增加，以至配电所母线电压进一步下降。折线3表示短路发生在点时的情形。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，它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。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7-1中，无论点短路，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，不可能立即变化，因而发电机的输入和输出功率不平衡，发电机

13、的转速将发生变化，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。短路问题是电力技术方面的基本问题之一。在电厂、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、选用有足够热稳定度和动稳定度的电气设备及载流导体、确定限制短路电流的措施、在电力系统中合理的配置各种继电保护并整定其参数等的重要依据。为次，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。1.2 原始资料1、L2、L3、L4对地电容取0.5，每个T型臂取0.25。L5对地电容取0。1、 以节点一为平衡节点计算。二、要求：1、

14、严格按照给定内容格式书写课程设计报告。2、根据原始资料，先用手算，后进行程序设计实现系统潮流计算。3、给出算法的运行原理和软件编写流程及程序清单。4、给出运行过程中的Y矩阵和雅可比矩阵。三、答辩：1、以ppt形式提供该组所做的主要工作。2、回答老师提出的问题。第二章 系统三相短路故障分析本节将分析简单三相电路中发生突然对称短路的暂态过程。在此电路中假设电源电压幅值和频率均为恒定，这种电源称为无限大功率电源，这个名称从概念上是不难理解的：1）无限大电源可以看作是由多个有限功率电源并联而成，因而其内阻抗为零，电源电压保持恒定；2）电源功率为无限大时，外电路发生短路引起的功率改变对电源来说是微不足道

15、的，因而电源的电压和频率保持恒定。图7-2 无限大功率电源供电的三相电路突然短路 实际上，真正的无限大功率电源是没有的，而只能是一个相对的概念，往往是以供电电源的内阻抗与短路回路总阻抗的相对大小来判断电源能否作为无限大功率电源。若供电电源的内阻抗小于短路回路总阻抗的10%时，则可认为供电电源为无限大功率电源。在这种情况下，外电路发生短路对电源影响很小，可近似地认为电源电压幅值和频率保持恒定。 2.1 短路后的暂态过程分析 对于图所示的三相电路，短路发生前，电路处于稳态，其a相的电流表达式为： 式中 当在点突然发生三相短路时，这个电路即被分成两个独立的回路。左边的回路仍与电源连接，而右边的回路则

16、变为没有电源的回路。在右边回路中，电流将从短路发生瞬间的值不断地衰减，一直衰减到磁场中储存的能量全部变为电阻中所消耗的热能，电流即衰减为零。在与电源相连的左边回路中，每相阻抗由原来的减小为，其稳态电流值必将增大。短路暂态过程的分析与计算就是针对这一回路的。假定短路在t=0秒时发生，由于电路仍为对称，可以只研究其中的一相，例如a相，其电流的瞬时值应满足如下微分方程： 这是一个一阶常系数、线性非齐次的常微分方程，它的特解即为稳态短路电流，又称交流分量或周期分量为： 式中，Z为短路回路每相阻抗（）的模值；为稳态短路电流和电源电压间的相角（）；为稳态短路电流的幅值。短路电流的自由分量衰减时间常数为微分

17、方程式的特征根负倒数，即： 短路电流的自由分量电流为：又称为直流分量或非周期分量，它是不断衰减的直流电流，其衰减的速度与电路中值有关。式中C为积分常数，其值即为直流分量的起始值。短路的全电流为： 式中的积分常数C可由初始条件决定。在含有电感的电路中，根据楞次定律，通过电感的电流是不能突变的，即短路前一瞬间的电流值（用下标表明）必须与短路发生后一瞬间的电流值（用下标0表示）相等，即：所以： 由于三相电路对称，三相短路电流表达式综合如下： 图2-1 三相短路电流波形图图7-3 三相短路电流波形图由上可见，短路至稳态时，三相中的稳态短路电流为三个幅值相等、相角相差的交流电流，其幅值大小取决于电源电压

18、幅值和短路回路的总阻抗。从短路发生到稳态之间的暂态过程中，每相电流还包含有逐渐衰减的直流电流，它们出现的物理原因是电感中电流在突然短路瞬时的前后不能突变。很明显，三相的直流电流是不相等的。图2-1示出三相电流变化的情况（在某一初始相角为时）。由图可见，短路前三相电流和短路后三相的交流分量均为幅值相等、相角相差的三个正弦电流，直流分量电流使t=0时短路电流值与短路前瞬间的电流值相等。由于有了直流分量，短路电流曲线的对称轴不再是时间轴，而直流分量曲线本身就是短路电流曲线的对称轴。因此，当已知一短路电流曲线时，可以应用这个性质把直流分量从短路电流曲线中分离出来，即将短路电流曲线的两根包络线间的垂直线

19、等分，如图2-3中所示，得到的等分线就是直流分量曲线。由图2-3还可以看出，直流分量起始值越大，短路电流瞬时值越大。在电源电压幅值和短路回路阻抗恒定的情况下，直流分量的起始值与电源电压的初始相角（相应于时刻发生短路）、短路前回路中的电流值有关。由于短路后的电流幅值比短路前的电流幅值大很多，直流分量起始值的最大值（绝对值）出现在| 的值最小、|的值最大时，即，时。在高压电网中，感抗值要比电阻值大得多，即，故，此时，或。三相中直流电流起始值不可能同时最大或同时为零。在任意一个初相角下，总有一相的直流电流起始值较大，而有一相较小。由于短路瞬时是任意的，因此必须考虑有一相的直流分量起始值为最大值。根据

20、前面的分析可以得出这样的结论：当短路发生在电感电路中、短路前为空载的情况下直流分量电流最大，若初始相角满足，则一相（a相）短路电流的直流分量起始值的绝对值到最大值，即等于稳态短路电流的幅值。2.2 短路冲击电流短路电流在前述最恶劣短路情况下的最大瞬时值，称为短路冲击电流。根据以上分析，当短路发生在电感电路中，且短路前空载、其中一相电源电压过零点时，该相处于最严重的情况。以a相为例，将、代入式，得a相全电流的算式如下： 图2-2 直流分量最大时短路电流波形电流波形示于图7-4。从图中可见，短路电流的最大瞬时值，即短路冲击电流，将在短路发生经过约半个周期后出现。当f为50Hz时，此时间约为0.01

21、s。由此可得冲击电流值为： 式中称为冲击系数，即冲击电流值对于交流电流幅值的倍数。很明显，值为12。在使用计算中，一般取为1.81.9。冲击电流主要用于检验电气设备和载流导体的动稳定度。 2.3 短路功率在选择电器设备时，为了校验开关的断开容量，要用到短路功率的概念。短路功率即某支路的短路电流与额定电压构成的三相功率，其数值表示式为： 式中 -短路处正常时的额定电压； -短路处的短路电流有效值，在实用计算中，；在标幺值计算中，取基准功率、基准电压，则有 也即短路功率的标幺值与短路电流的标幺值相等。利用这一关短路功率就很容易由短路电流求得。第3章 设计步骤3.1 设计框图图1 三相短路故障设计框

22、图3.2 有名值参数设计3.2.1 发电机参数发电机G1额定的有功功率110MW，额定电压=10.5kV；次暂态电抗标幺值=0.264，功率因数=0.85 。发电机G2：火电厂共两台机组，每台机组参数为额定的有功功率25MW；额定电压UN=10.5kV；次暂态电抗标幺值=0.130；额定功率因数=0.80。3.2.2 变压器铭牌参数变压器T1：型号SF7-10/110-59-16.5-10.5-1.0，变压器额定容量10MVA，一次电压110kV，短路损耗59kW，空载损耗16.5kW，阻抗电压百分值UK%=10.5，空载电流百分值I0%=1.0。变压器T2：型号SFL7-31.5/110-1

23、48-38.5-10.5-0.8，变压器额定容量31.5MVA，一次电压110kV，短路损耗148kW，空载损耗38.5kW，阻抗电压百分值UK%=10.5，空载电流百分值I0%=0.8。变压器T3：型号SFL7-16/110-86-23.5-10.5-0.9，变压器额定容量16MVA，一次电压110kV，短路损耗86kW，空载损耗23.5kW，阻抗电压百分值UK%=10.5，空载电流百分值I0%=0.9。3.2.3 线路参数对下标的说明 ；。线路1：钢芯铝绞线LGJ-120，截面积1202，长度为100，每条线路单位长度的正序电抗X0（1）=0.408；每条线路单位长度的对地电容b0(1)=

24、2.79106S。线路2：钢芯铝绞线LGJ-150，截面积1502，长度为100，每条线路单位长度的正序电抗X0（1）=0.401；每条线路单位长度的对地电容b0(1)=2.85106S。线路3：钢芯铝绞线LGJ-185，截面积1852，长度为100，每条线路单位长度的正序电抗X0（1）=0.394；每条线路单位长度的对地电容b0(1)=2.90106S。3.2.4 负载L参数容量为8j6（MVA），负载的电抗标幺值为。3.2.5 电动机参数电动机为2MW，起动系数为6.5，额定功率因数为0.86。第四章 系统网络等值电路的制定4.1参数设定设基准容量SB=100MVA；基准电压（kv）。4.

25、1.1 SB选取SB的选取是为了计算元件参数标幺值计算方便，取SB=100MVA，可任意设值但必须唯一值进行分析与计算。4.1.2 的选取的选取是根据所设计的题目可知系统电压有110kV、6kV、10kV，而平均额定电压分别为115、6.3、10.5kV。平均电压与线路额定电压相差5%的原则，故取。4.1.3 的选取为次暂态短路电流有效值，短路电流周期分量的时间t等于初值（零）时的有效值。满足产生最大短路电流的三个条件下的最大次暂态短路电流作为计算依据。4.1.4 的选取为冲击电流，即为短路电流的最大瞬时值（满足产生最大短路电流的三个条件及时间=0.01s）。一般取冲击电流=2.55。4.1.5 的选取为短路电流冲击系数，主要取决于电路衰减时间常数和短路故障的时刻。其范围为12，高压网络一般冲击系数=1.8。4.2 系统标幺值计算 4.2.1 发电机电抗标幺值 公式式中 发电机电抗百分数，由发电机铭牌参数的； 已设定的基准容量（基值功率），； 发电机的额定有功功率，MW 发电机额定有功功率因数。由即可求得发电机电抗标幺值： 4.2.2 负载电抗标幺值 公式式中 U元件所在网络的电压标幺值； 负载容量标幺值； 负载无功功率标幺值。由即可求得负载电抗标幺值： 4.2.3 变压器电抗标幺值 公式变压器中主要