电力系统稳态分析项目设计

1绪论

电力工业发展初期，电能是直接在顾客附近日勺发电站（或称发电厂）中生产的，

各发电站孤立运行。伴随工农业生产和都市的发展，电能H勺需要量迅速增长，而热能

资源和水能资源丰富H勺地区又往往远离用电比较集中日勺都市和工矿区，为了处理这个

矛盾，就需要在动力资源丰富的地区建立大型发电站，然后将电能远距离输送给电力

顾客。同步，为了提高供电H勺可靠性以及资源运用的综合经济性，又把许多分散的多

种形式的发电站，通过送电线路和变电所联络起来。这种由发电机、升压和降压变电

所，送电线路以及用电设备有机连接起来H勺整体，即称为电力系统。

电力系统有两种基本日勺运行状态，即稳态与暂态。电力系统稳态运行时，发电厂中原

动机日勺输入功率同输出功率相平衡，系统的I频率和电压都是稳定的。然而，这种运动

中的I稳态，并不是绝对不变日勺。当系统受到某种干扰时，上述功率的平衡即被打破，

运动状态也将随之而变，由于系统中包具有许多惯性元件，运动状态的变化不能瞬时

完毕，而必须经历一种过渡状态，这种过渡状态称为暂态。

由于实际的干扰总是有大有小，因此电力系统在经受干扰后来，其过渡的结局便有两

种也许性：一种状况是，系统从本来的稳态过渡到另一种新口勺稳态，其运行参数（电

压和频率）相对于正常值的偏差可以保持在一定的容许范围内，系统仍能正常工作，

正常运行中口勺电力系统，实际上就是常常处在这种较小口勺变动的过程中。另一种状况

是，当电力系统发生多种故障的时候，系统的运行将经历剧烈的变化，所趋于口勺状态,

或者使其运行参数大大偏离正常值，以致电能质量严重变坏。

短路故障计算重要研究电力系统中发生故障（包括短路、断线和非正常操作）时,

故障电流、电压及其在电力网中的分布。短路电流计算是故障分析的日勺重要内容。短

路电流计算日勺目日勺，是确定短路故障的严重程度，选择电气设备参数。整定继电保护,

分析系统中负序及零序电流的I分布，从而确定其对电气设备和系统的影响。

2课题内容

2.1课题阐明及规定

电力系统的短路计算是电力系统最基本的计算，也是最重要日勺计算。本次课程设

计重要是为了掌握电力系统短路计算日勺基本原理和纯熟运用PSCAD仿真软件，为

后来的学习和工作打下基础。课程设计的I详细规定如下：

(1)熟悉PSCAD软件；

(2)理解短路计算的基本措施；

(3)建立系统接线图的仿真过程；

(4)得出仿真成昊。

2.2课题有关技术参数

测试系统由三个控制区域构成，区域1是一种经典供电系统，总装机容量为

5700MVA、最大负荷为5000MW,大部分装机容量距离负荷相对较近，即接于

母线3容量为4400MVA的发电厂。此外，1300MVA是离负荷较远的核电机组，

通过长距离5()()kV线路向负荷送电。区域2代表附近地区日勺总装机容量和总负荷，

此系统总装机容量为6(X)()()MVA，最大负荷为40000MW。区域2通过2条5()()kV

线路与区域1相连，即如图2.1中所示的线路A和线路B。区域3是一种大规模相邻

系统，装机容量为70000MVA，最大负荷为50000MW，此区域也通过2条500kV

线路与区域1相连。本次进行短路计算是母线7发生短路。

3短路计算

3.1短路计算日勺原因及分类

所谓短路,指日勺是由于电力系统相与相之间或相与地之间日勺绝缘破坏后，形成了

非正常的低阻抗通路。

短路产生欧J原因来自于外部和内部。外部原因：雷电、风暴、环境污染和动物进

入导致欧I绝缘破坏，如胃击导致的闪络放电或避雷器动作，大风导致架空断线或导线

覆冰引起电杆倒塌，如运行人员带负荷拉刀闸，线路或设备检修后未拆除接地线就加

电压,如挖沟损伤电流，鸟兽（包括蛇，鼠等）跨接在裸露的载流部分等；内部原因:绝缘

材料日勺老化破裂,如绝缘材料的自然老化,设计、安装及维护不良等所导致的I设备缺陷

发展成短路等。

按短路后的电路状态辨别，短路口勺形式有四种:三相短路,单相接地,两相短路,两

相接地短路。其中三相短路后电路保持三相对称状态，称为对称短路;其他的三种短路

形式均称为不对称短路，按短路原因日勺持续时间、停电后短路状态与否自动消除，将

短路分为瞬时性短路和持续性短路两种。例如，因动物进入带电体间引起日勺短路，当动

物被击落或烧毁后,短路原因消失,停电后可立即恢复供电,因此称为瞬时性短路。电

气设备绝缘破坏,输电线倒杆引起的短路则是持续性短路。

3.2短路电流日勺危害

短路电流可达几十到几百千安，因此导致很大的危害。包括两个阶段H勺危害:短路

过程中的危害和短路结束后的危害。

短路过程中日勺危害:短路电流使设备发热增长,短路持续时间较长时,设备也许过

热以致损坏（短路电流大量发热,对电气设备产生热破坏,称为热稳固性破坏）；短路点

附近支路中出现比正常值大许多倍日勺电流，在导体间产生很大的机械应力，也许使导

体和它们的支架遭到破坏（短路电流产生很大的I电动力,对电气设备导致机械破坏,称

为动稳固性破坏）；短路点附近电网电压严重下降,影响负荷供电，并破坏了功率送端

与功率受端之间的能量传播，导致送端旋转机组减速，使电力系统两部分频率不相等,

称为失步；不对称短路后三相电流不对称,产生负序电流引起旋转电动机和转子表层

发热,单相接地和两相接地,还产生零序电流,对外界导致很大的干扰磁场，影响通信。

短路结束后的危害：电力系统的自动保护装置（称为继电保护）切除故障电路部分

后，也许遗留下两个大问题：

（1）短路发生地点离电源不远而乂持续时间较长，也许使电力系统各发电机组失

去同步,破坏系统的稳定,存在与否能重新回到同步状态H勺问题,严重时也许导致系统

瓦解。

(2)切除故障后也许导致电力系统提成多种部分,称为电力系统“解列”，解列后

的系统一般不能保证功率平衡，发电功率不不小于负荷功率的电网部分存在频率瓦解

的危险。电力系统口勺安全自动装置(例如低频减载,低压减载等)的作用就是力图减小

上述危害。

3.3短路电流的限制措施

限制短路电流日勺措施有电力系统可采用H勺限流措施,发电厂和变电所中可采用日勺

限流措施,终端变电所中可采用日勺限流措施。

电力系统可采用的限流措施:提高电力系统的电压等级；直流输电；在电力系统

主网加强联络后，将次级电网解环运行;在容许的范围内，增大系统的零序阻抗，例如

采用不带第三绕组或第三绕组为Y接线口勺全星形自耦变压器，减少变压器的接地点等。

发电厂和变电所中可采用口勺限流措施：发电厂中，在发电机电压母线分段回路中

安装电抗器；变压器分裂运行；变电所中，在变压器回路中装设分裂电抗器或电抗器；

采用低压侧为分裂绕组的变压器；出线上装设电抗器。

终端变电所中可采用欧I限流措施:变压器分列运行;采用高阻抗变压器;在变压器

回路中装设电抗器;采用小容量变压器。

以上是限制电流的措施，但目前在电力系统中，用得较多的限制短路电流的措施

有如卜.几种:合理选择电气主接线形式和运行方式;采用分裂低压绕组变压器;加装限

流电抗器;采用微机保护及综合自动化妆置等。

限流的原理是增大短路点到电源点之间日勺等效电抗,不过正常工作时的电压损耗

有也许因采用限流措施你增大。

3.3.1合理选择电气主接线形式和运行方式

接线中减少并联支路或增长串联支路；如双回线分开运行或两台变压器并列运

行。

3.3.2采用分裂低压绕组变压器

分裂变压器高压绕组由两部分并联的不分裂的绕组构成，低压练级由分裂成两个

支路的容量相等的分裂绕组构成，分裂绕组口勺各个支路间没有电的联络。分裂变压器

具有短路阴抗大,正常电抗小的长处。分裂低压绕组变压器正常工作时,每个低压绕组

流过相似的电流,即1/2,电抗值只相称于两分裂绕组短路电抗的1/4。当一种分裂绕组

的出线发生短路时,来自另一台发电机口勺短路电流或来自系统口勺短路电流都将碰到很

大电抗的限制。采用分裂低压绕组变压器后，也许不另加装电抗器就会使短路电流降

至设备的容许值。

3.3.3加装限流电抗器

线路电抗器,装在引出线断路器日勺背面（负荷侧），则电抗器此前的断路器和隔离

开关可以选择轻型口勺电器，并且可以提高母线残存电压，但正常工作时口勺电压损耗增

大,若出线数目较多，电抗器也多，以至于装置比较复杂。

母线电抗器可以限制从本段母线流向短路母线的电流，从而提高本段母线的残存

电压。电抗器除满足限制短路电流外,还应满足热稳定和动稳定口勺规定。

分裂电抗器的限流作用和分裂变压器低压绕组的J限流作用相似，但分裂电抗器日勺

两臂不仅有互感耦合,并且在电气上也是连通日勺。它的构造和一般大型电抗器相似，

只是中间有抽头作为公共端。为了充足限制短路电路和维持母线有较高日勺残存电压，

采用分裂电抗器。

当分裂电抗器和单臂自感电抗与一般电抗器的电抗值相等时，两者短路时的限流

作用同样，但正常运行时分裂电抗器的电压损失只有一般电抗器的二分之一;分裂电

抗器可比一般电抗器多供一倍的出线。分裂电抗器的两个分支负荷应尽量靠近,否则

也许出现过电压，尽量防止安装出线电抗器，因其投资大、配电复杂、运行费用高。

3.3.4采用微机保护及综合自动化妆置

从短路电流分析可知，发生短路故障后约0.01s时间出现最大短路冲击电流,采用

微机保护仅需0.005s就能断开故隙回路，使导体和设备防止承受最大短路电流的冲击,

从而抵达限制短路电流的目日勺。

4仿真软件简介

PSCAD是世界各国广泛使用口勺电力系统仿真软件，PSCAD是其顾客界面，

PSCAD的开发成功，使得顾客能更以便地使用EMTDC进行电力系统分析，使电

力系统复杂部分可视化成为也许，并且软件可以作为实时数字仿真器的前置端。可模

拟任意大小的交直流系统。

PSCAD/EMTDC在时间域描述和求解完整口勺电力系统及其控制的微分方程

（包括电磁和机电两个系统）。这一类的模拟工具不同样于时尚和暂态视定的模拟工

具。后者是用稳态解去描述电路（即电磁过程）。不过在解电机的机械动态（即转动惯

量）微分方程。PSCAD/EMTDC的成果是作为时间口勺即时值被求解。但通过内置口勺

转换器和测量功能（象实有效值表计，或者迅速育里叶变换频谱分析等）。这些成果能

被转换为矢量的幅值和相角。

实际系统的测量可以通过诸多途径来完毕。由于短路和稳定的程序是通过稳定方

程来代表，它们只能基频段幅值和相位。因此PSCAD的模拟成果可以产生电力系

统所有频率H勺对应，限制仅在于顾客自己选择啊时间步长。这种时间步长可以在毫秒

到秒之间变化。

因此PSCAD是电力专业十分有用的仿真软件，我们组的课题系统节点较多，

老式的手工计算显然不切实际，于是运用PSCAD仿真运行出成果就成了本次课程

设计最为关键的一种环节。运用PSCAD对系统进行的仿真可以迅速精确得出各母

线上的短路参数及系统口勺其他运行状态，输出显示迅速、明了。

5系统调试及仿真成果

系统PSCAD仿真图如下图5.1所示:

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图5.1系统仿真图

总结

在这次课程设计中，我强烈感觉到自己在诸多方面日勺局限性，对他人的依赖性比

较强。我想我会在后来的学习中不停去发现自己的局限性，并一一改正，但愿在后来

H勺工作中不要犯同样日勺错误。

在这次课程设计中，我们尽量按照老师的规定做，但在详细日勺操作过程中，还是

出现了诸多日勺问题。搞完这个课程设计让我感觉电力系统分析是一门很有用时课程。

由于我对它的I学到的I知识比较少。在诸多时候我诸多东西都不理解。并且走了诸多日勺

弯路。并且我感觉自己H勺知识不够连贯。好些时候都出现了卡壳日勺状况。这次课程设

计后，我一定要重新对电力系统分析这门课程做深入的理解。对在此过程中遗留下日勺

问题做好好的研究。争取早点对电力系统分析这门课程有个全方位的理解。为在后来

的毕业课程设计中多些方案。也为我后来走上工作岗位，提高自己的专业技能，打下

扎实的基础。

尚有就是在十几天的课程设计中，使我养成了很好日勺学习习惯，和对学习知识日勺

严谨日勺态度，同步也养成了积极查阅有关资料的好习惯，好习惯的养成是来之不易的,

我相信在后来的学习和工作中，我将继续保持这些良好的习惯，并积极努力的学习。

让自己更上一层楼。同步在此也感谢一直指导我的老师，本次课程设计的完毕与老师

的指导师分不开日勺，终在我们的一起努力下，完毕了这门课程设计。在此对指导老师

致以衷心的感谢。还要感谢邵阳学院图书馆为我提供丰富的参照资料，也感谢班上同

学给了我诸多宝贵的意见和参照，使我获益诸多。

参照文献：

[1]何仰赞、温增银.电力系统分析[M].华中科技大学出版社2023.3

[2]西安交通大学等.电力系记录算[M].北京:水利电力出版社，1993.力

[3]陈衍.电力系统暂态分析[M].北京:水利电力出版社，2023.1

[4]于永源，杨绮雯.电力系统分析（第二版）[M].北京：中国电力出版社，2023.3

附录系统输出波形图

图6.1三相短路电压波形

图6.2三相短路电流波形

图6.3A相接地短路电压波形

图6.4A相接地短路电流波形

图6.5AB相短路接地电压波形

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