短路计算课程设计

课题概述1.1电力系统综述电力工业发展初期，电能是直接在用户附近的发电站（或称发电厂）中生产的，各发电站孤立运行。随着工农业生产和城市的发展，电能的需要量迅速增加，而热能资源和水能资源丰富的地区又往往远离用电比较集中的城市和工矿区，为了解决这个矛盾，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用户。同时，为了提高供电的可靠性以及资源利用的综合经济性，又把许多分散的各种形式的发电站，通过送电线路和变电所联系起来。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的整体，即称为电力系统。现代电力系统提出了“灵活交流输电和新型直流输电”的概念。灵活交流输电技术是指运用固态电子器件与现代自动控制技术对交流电网的电压、相位角、阻抗、功率以及电路的通断进行实时闭环控制，从而提高高压输电线路的诉讼能力和电力系统的稳态水平。新型直流输电技术是指应用现电力电子技术的最新成果，改善和简化变流站的造价等。运营方式管理中，潮流是确定电网运行方式的基本出发点：在规划领域，需要进行潮流分析验证规划方案的合理性；在实时运行环境，调度员潮流提供了电网在预想操作预想下的电网的潮流分布以及校验运行的可靠性。在电力系统调度运行的多个领域都涉及到电网潮流计算。潮流是确定电力网咯运行状态的基本因素，潮流问题是研究电力系统稳态问题的基础和前提。1.2短路计算简介所谓短路，是指供电系统中不等电位的导体在电气上被短接，如相与相之间的短接，或在中性点接地系统中一相或几相与大地相接以及三相四线制系统中相与零线的短接等。当发生短路时，电源电压被短接，短路回路阻抗很小，于是在回路中流通很大的短路电流。在电力系统的设计和运行中，不仅要考虑正常工作状态，而且还必须考虑到发生故障时所造成的不正常工作状态。实际运行表明，破坏供电系统正常运行的故障，多数为各种短路故障。在电力系统和电气设备的设计和运行中，短路计算是解决一系列技术问题所不可缺少的基本计算，对于短路计算的研究，有利于我们在进行电气设计时，选择有足够机械稳定度和热稳定度的电气设备。对电力网中发生的各种短路进行计算和分析，能够合理地配置各种继电保护和自动装置并正确整定其参数。在设计和选择发电厂和电力系统电气主接线时，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。1.3短路产生的原因及危害产生短路的主要原因，是供电系统中的绝缘被破坏。在绝大多数情况下，绝缘的破坏是由于未及时发现和消除设备中的缺陷，以及设计、安装和维护不当所造成的。例如过电压、直接雷击、绝缘材料的老化、绝缘配合不当和机械损坏等；运行人员错误操作，如带负荷断开隔离开关或检修后未撤接地线就合断路器等；设备长期过负荷，使绝缘加速老化或破坏；小电流系统中一相接地，未能及时消除故障；在含有损坏绝缘的气体或固体物质地区。未考虑电气间隙与爬电距离(应符合GB)等。此外，在电力系统中的某些事故也可能直接导致短路，如电杆倒塌、导线断线等：或动物、飞禽跨越导体时也会造成短路。短路电流越大，持续时间越长，对故障设备的破坏程度越大。短路电流所产生的电动力能形成很大的破坏力，如果导体和它们的支架不够坚固，可能遭到难以修复的破坏：这样大的短路电流即使通过的时间很短，也会使设备和导体引起不能允许的发热，从而损坏绝缘，甚至使金属部分退火、变形或烧坏。短路时由于很大的短路电流流经过网路阻抗，必将使网路产生很大的电压损失。如为金属性短路，短路点电压为零，短路点以上各处的电压也要相应降低很多，一旦电压低于额定电压40％以上时，就会使供电受到严重影响或被迫中断；若在发电厂附近发生短路，还可能使全电力系统运行解列，引起严重后果。接地短路时，接地相出现的短路电流为不平衡电流，该电流所产生的磁通将对邻近平行的通讯线路感应出附加电势，干扰通讯，严重时，将危及通讯设备和人身的安全。为了限制发生短路时所造成的危害和故障范围的扩大，需要在供电系统中加装保护，以便在故障发生时，自动而快速地切断故障部分，以保障系统安全正常运行。这就需要我们准确的计算短路电流的大小。2短路计算算法2.1短路电流计算步骤（1）绘制计算系统图在计算用图中应包括与短路电流计算有关的全部电力元件（如系统、发电机、变压器、输电线路等），以及它们之间的连接关系。在元件旁边应注明它们的技术数据，如额定电压、额定容量、线路的长度及线路型号等。另外，在计算图上应标明短路点。为了便于计算，每个元件按顺序编号。（2）计算各元件参数根据给定的电力系统，首先确定是用标幺值的计算方法计算短路电流，还是用实际值计算的方法。一般在有两个及两个以上的电压等级情况下用标幺值的方法较实际值的方法计算简便。用实际值计算时，首先选定一个基准值（即电压等级），此基准值应选被计算短路电流短路点的电压等级，然后将其他电压等级所有的阻抗用变压器变比原理换算到基本级上来。用标幺值计算时，首先选定一个基准容量，此基准容量的选择应上“便于计算”，使x值小数点前后的0最少。一般选取整数，如：系统大，取Sb=1000MVA;系统小，取Sb=100MVA。基准电压一般选取平均电压：Ub=Uav比额定电压高5%。Un(kV)22011035100.38;Uav(kV)2301153710.50.4然后算出基准电流值。（3）绘制等值网络图绘制电力系统等值网络图的目的是便于短路电流计算。图中应标明各元件的序号及阻抗。（4）网络化简网络化简是将等值网络化简到最简单的形式，若有两个及两个以上的电源，则归并成一个电源。有并联的回路化简成串联。采取多电源归并成一个电源的方法，是因为我们采取了一系列的假设条件，所以在计算中可以用电源的阻抗相并联的方法。（5）进行短路电流计算通过以上工作，把一个复杂的系统化简成只有一个等效元件的系统，等效元件的一端是综合电动势，另一端是综合阻抗和短路点，这样就可以用最简单的欧姆定律来计算短路电路，即I=E/X；式中E系统电源对短路点的综合次暂态电动势，在化简计算中取1；X系统对短路点的综合阻抗。2.2对称分量法基本原理对称分量法是一种将不对称三相分量分解为三相对称分量的方法，采用这种方法能比较清晰地对电力系统不对称短路故障情况进行分析。若以A相电流为基准相，三相向量与其对称分量之间的关系为：式（2.1）由上式可以作出三相量的对称分量，见图2-1。图2-1正序、负序、零序电流的对称分量图由正序、负序、零序关系可得式（2.2）电力系统运行情况虽然复杂，但是用对称分量法，可以把不对称短路故障分解为三相对称分量来处理，把负载端的不对称电压和电流看成是三组（正序、负序、零序）对称电压和电流的叠加，由于发电机只有正序电势，因此只有正序网络存在发电机电势，负序和零序网络只有负序阻抗和零阻抗，由此可以得其电动势平衡方程式：式（2.3）其中为正序电势，、、分别为正序、负序、零序的电抗，、、为A相电压的正序、负序、零序分量[8]。2.3不对称故障的分析电力系统故障表现各异，形式上又可分为短路故障、断线故障（非全相运行），按分析方法分为不对称故障、对称故障，对称故障一般指三相短路故障，不对称故障则包括不对称短路(单相短路接地、两相短路、两相短路接地)和非全相运行(单相断路、两相断路)2种。电力系统发生短路时，伴随短路所发生的基本现象是：电流剧烈增加，线端处发生三相短路时，电流的最大瞬时值可能高达额定电流的10-15倍，从绝对值讲可达上万安培，甚至十几万安培。在电流急剧增加的同时，系统中的电压大幅度下降，例如系统发生三相短路时，短路点的电压将降到零，短路点附近各点的电压也将明显降低。电力系统中发生不对称短路时，无论是单相接地短路、两相短路还是两相接地短路只是在短路点出现系统结构的不对称，而其它部分三相仍旧是对称的。根据对称分量法列a相各序电压方程式为：上述方程式包含了六个未知量，必须根据不对称短路的具体边界条件列出另外三个方程才能求解。3短路计算设计题目与分析3.1短路计算题目测试系统由三个控制区域组成，区域1是一种典型供电系统，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。另外，1300MVA是离负荷较远的核电机组，通过长距离500kV线路向负荷送电。区域2代表附近地区的总装机容量和总负荷，此系统总装机容量为60000MVA，最大负荷为40000MW。区域2通过2条500kV线路与区域1相连，即图1中的线路A和线路B。区域3是一个大规模相邻系统，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，即图1中线路F和G。我组题目是母线8和母线9之间线路G的中点发生短路。提供的数据包括以下几类：（1）同步电机惯性常数、电抗和时间常数；（2）每个发电机的励磁系统、汽轮机和调速器的类型；（3）励磁机、汽轮机和调速器的动态模型；（4）励磁机、汽轮机和调速器的的有关数据；（5）网络数据：输电线路和变压器的阻抗。图1测试系统3.2课题分析目的电力系统发生短路故障造成的危害性是最大的。作为电力系统三大常规计算之一，分析短路故障的参数更为重要。目的如下：1.通过课程设计,使学生掌握电力系统三相短路计算的基本原理与方法；2.掌握并能熟练运用PSCAD/MATLAB仿真软件；3.采用PSCAD/MATLAB软件，做出系统三相接线图。4PSCAD/EMTDC软件概述4.1PSCAD简介PSCAD/EMTDC是加拿大马尼托巴高压直流研究中心出品的一款电力系统电磁暂态仿真软件，PSCAD（PowerSystemsComputerAidedDesign）是用户界面，EMTDC（ElectromagneticTransientsincludingDC）是内部程序。EMTDC最初代表直流暂态，是一套基于软件的电磁暂态模拟程序。DennisWoodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水电局开发完成了EMTDC的初版，编写这个程序的原因是因为当时现存的研究工具不能够满足曼尼托巴电力局对尼尔逊河高压直流工程进行强有力和灵活的研究的要求。自此之后程序被不断开发，至今已被广泛地应用在电力系统许多类型的模拟研究，其中包括交流研究，雷电过电压和电力电子学研究。EMTDC开始时在大型计算机上使用。然后在1986年被移植到Unix系统和以后的PC机上。PSCAD代表电力系统计算机辅助设计，PSCAD的开发成功，使得用户能更方便地使用EMTDC进行电力系统分析，使电力系统复杂部分可视化成为可能，而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。PSCADV11988年首先在阿波罗工作站上使用，然后大约在1995年PSCADV2开始应用。PSCADV3以PCWindows作为平台，在1999年面世。目前最新版本的是PSCADV4.2.1。用户可以通过调用随EMTDC主程序一起提供的库程序模块或利用用户自己开发的元部件模型有效地组装任何可以想象出的电力系统模型和结构。EMTDC的威力之一是可以较为简单地模拟复杂电力系统,包括直流输电系统和其相关的控制系统。4.2PSCAD的技术背景程序EMTDC（ElectroMagneticTransientinDCSystem）是目前世界上被广泛使用的一种电力系统仿真分析软件，它即可以研究交直流电力系统问题，又能完成电力电子仿真及其非线性控制的多功能（VersatileTool）工具。PSCAD（PowerSystemComputerAidedDesign）是EMTDC的前处理程序，用户在面板上可以构造电气连接图，输入各元件的参数值，运行时则通过FORTRAN编译器进行编译、连接，运行的结果可以随着程序运行的进度在PLOT中实时生成曲线，以检验运算结果是否合理，并能与MATLAB接口。EMTDC/PSCAD主要功能是进行电力系统时域和频域计算仿真，典型应用是计算电力系统遭受扰动或参数变化时，电参数随时间变化的规律；另外EMTDC/PSCAD还可以广泛的应用于高压直流输电、FACTS控制器的设计、电力系统谐波分析及其电力电子仿真。软件还可以作为实时数字仿真器（RealTimeDigitalSimulator，RTDS）的前置端(FrontEnd)。此外，EMTDC/PSCAD还具有强大的自定义功能，用户可以根据自己的需要创建具有特定功能的装置。实时回放系统（RTP）是基于EMTDC/PSCAD软件的测试系统，它可以结合EMTDC/PSCAD计算产生的结果（信号）来测试继电保护系统、控制系统及监控系统。5系统仿真5.1等值机代替发电机仿真根据本组题目要求与PSCAD软件基本操作，综合考虑课题要求，本次仿真先用等值发电机代替发电机，作出用等值机代替同步发电机的仿真图如图5-1。图5-1用等值电机代替发电机PSCAD仿真图根据已做出的PSCAD仿真接线图，设置短路开始时间为仿真后0.2s,短路持续时间为0.05s。运行PSCAD仿真软件，测试出系统在三相短路（对称短路条件）和A相接地短路（不对称短路条件）下短路点的短路电流如图5-2、5-3、5-4、5-5、5-6、5-7、5-8、5-9。图5-2三相短路条件下Ia波形图5-3三相短路条件下Ib波形图5-4三相短路条件下Ic波形图5-5三相短路条件下Ea波形图5-6A相接地短路条件下Ia波形图5-7A相接地短路条件下Ib波形图5-8A相接地短路条件下Ic波形图5-9A相接地短路条件下Ea波形5.2考虑励磁与调速系统仿真在进行完等值发电机代替发电机仿真后，下一步要做的就是考虑发电机的励磁系统与调速系统，根据题目已给出的测试系统图，作出发电机含励磁系统与调速系统的PSCAD仿真图如图5-10图5-10发电机考虑励磁与调速系统PSCAD仿真图与等值机仿真一样，励磁与调速系统仿真同样设置短路开始时间为仿真后0.2s,短路持续时间为0.05s。运行PSCAD仿真软件，测试出系统在三相短路（对称短路条件）和C相接地短路（不对称短路条件）下短路点的短路电流如图5-11、5-12、5-13、5-14、5-15、5-16、5-17、5-18、5-19。图5-11三相短路条件下Ia波形图5-12三相短路条件下Ib波形图5-13三相短路条件下Ic波形图5-14三相短路条件下Ea波形图5-15C相接地短路条件下Ia波形图5-16C相接地短路条件下Ib波形图5-17C相接地短路条件下Ic波形图5-18C相接地短路条件下Ec波形图5-19C相接地短路条件下Ea波形

5.3仿真现象总结此次仿真先是用等值电机代替发电机，作出系统总仿真接线图，设置短路故障类型为三相短路和A相接地短路，测出短路点短路电流电压波形。之后考虑发电机的励磁系统与调速系统，在等值电机的仿真基础上，修改仿真电路图，在发电机模块加入励磁系统与调速系统，设置短路故障类型为三相短路和C相短路，同样测出短路点的短路电流电压波形。仿真过程中，短路开始时间都设置为仿真开始后0.2s，短路持续时间0.05s。可以看到，对于三相短路故障，在仿真后0.2s，A、B、C三相的电