《基于PowerWorld的三相短路计算》9400字

基于PowerWorld的三相短路计算摘要在电路系统之中短路问题一直都是我们在铺设电路或者设计电路的时候最关心问题之一。不管是在什么地方，我们在设计和运行的电力系统的过程中必须都应该进行短路电流分析与计算。并以此为根据，在电力系统的铺设中才能进行合理的选择电力系统设计的设备，并设计能够明确限制短路电流的措施，在电力系统中进行合理的配置各种保护继电措施以保证电力系统的正常运行。所以掌握短路以后发生的后续过程以及对电力系统的短路过程进行计算是非常有必要的。本文将会通过PowerWorld进行短路参数计算，由此会发现使用仿真软件则更简单只需要设定其参数就可以直接得出结果，比手动计算快得多。且结果与手动计算相同，并借此说明PowerWorld在电力系统分析方面是一个很好的工具，若能熟练掌握该软件对于电力系统研究会具有重要的意义。关键字：短路计算；PowerWorld；电力系统仿真目录1绪论 11.1选题背景 11.2研究现状 11.2.1运算曲线法 11.2.2计算机算法 11.3课题研究内容 22无限大容量供电模型建立 32.1无限容量电源的概念 32.2无限大容量电源供电系统三相短路的暂态过程 33手动计算无穷大功率的电源系统的短路参数 53.1确定系统各元件的次暂态参数 53.1.1起始暂态电流计算 73.1.2非无限大容量电源供电的电力系统三相短路时的冲击电流 84PowerWorld仿真计算三相短路电流 125总结 15参考文献 161绪论1.1选题背景在电力系统的运行过程中,经常会发生各种类型的短路故障,短路故障对电力系统的正常运行和电气设备都有很大的危害,短路计算是电力系统的基本计算之一。在发电厂、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,根据计算结果来合理选择电气接线、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,或者在电力系统中合理地配置各种继电保护并整定其参数等等，因此准确计算短路电流是非常必要的[1]。而且配电网是一种为用户直接供电的一种设施，有着数量多和分布广范的特点。又因为电力配电网设施自身的绝缘能力较差，所以电力配电网遭到短路致使设备损坏的可能性非常大，设备损坏的话，就会造成用户停电，有时还可能会使民众的人身安全遭到危害。为了得出电力网络里每一个支线中，电压的幅值，电压的相角，每一个用电设备中的功率，以及计算电力网络整体的功率损耗等。依据电力网络里基础的运行条件和器件设备之间的接线和各个设备的运行参数等来进行计算。所以我们对电力系统进行三相短路电流的计算分析非常有必要的。而PowerWorld系列的软件可以用来进行专业的工程分析。在国内逐渐也开展了部分应用PowerWorld系列软件来进行工程计算的试点。并且PowerWorldSimulator是一个在电力系统之中经常用到的仿真软件，由于设计的界面友好，所以这个软件能够进行一些专业的工程分析[2]。PowerWorld是一个由多个子软件所集成的产品，其软件的核心是一个可以用来面向全面系统计算的程序，它的实用性很强，该软件可以让我们全面观察整个电力系统。我们可以通过图形编辑工具，从而很容易的对电路进行修改、切换线路、增加或者减少线路以及发电机。规定计算容量，极大地增强了我们的理解。该软件基本的工具包括经济制度，区域功率，经济分配分析，功率传输分配，短路分析以及事故分析等功能[3]。1.2研究现状1.2.1运算曲线法运算曲线法是我国普遍采用的一种短路电流计算方法，针对我国的电机参数有较强的实用性。应用运算曲线计算电力系统短路电流时，用各台发电机的dx''作为其等值电抗，不计网络中负荷，作出等值网络后进行网络化简，可得到只含有发电机电动势节点和短路点的简化网络，求得各电源对短路点间的转移阻抗。等值网络中所有阻抗是按统一的功率基准值归算的，应将各电源与短路点间的转移阻抗分别归算到各电源的额定容量，得到各电源的计算电抗，利用计算电抗查运算曲线求得各电源到短路点的某时刻的短路电流标幺值，短路点的总电流则为各电源对短路点的短路电流标幺值换算得到的有名值之和[4]1.2.2计算机算法在遇到复杂的电力系统问题时我们会选择使用计算机程序来进行分析计算。该方法的基本原理则是使用叠加定理。通常我们在稳态分析电力系统计算的基础上，可以得到各个节点在稳态时刻的电压值。我们使用计算机算法，并且利用所求到的阻抗矩阵，就可以一次性针对多个电路节点发生的故障进行分析，同时这也是这种方法最大的优势所在。可以使用对复杂的电力系统进行分析计算。1.3课题研究内容短路计算是我们在设计电路不可或缺的部分，正如前文所写，如果电流系统发生短路现象后果可能会不堪设想。所以我们必须要进行短路电流计算[5]。如何准确地分析、计算电力系统的短路故障，并预测短路电流，使电力系统运行更加安全、可靠，是电力系统技术人员一直关注的课题。随着计算机软件技术的发展，很多软件公司都已经开发出各种软件。这种供电模式增加了三台10kV断路器，相应的投资有所增加。该种接线方式10kV系统操作更加灵活，高低压供电系统的可靠性也可达到较高的水平。但这种供电模式的投资比较高，我国10kV供电系统中这种接线方式比较多，主要是因为变压器的容量一般都不能达到一备一用[6]。在分析电路过程中，如果遇到的电力系统是靠手工计算进行求解会十分复杂，费时费力还会容易出现计算失误的时候。我们就应该用更加的简便的方法计算。PowerWorld由于其明显的特点，可以通过PowerWorld的编辑对电路支路上的电源、电流、频率等进行求解。所以如果问题比较复杂，就可以用其对电路进行仿真计算分析，快速简单而且容易理解。PowerWorld能够对电力系统快速的进行故障仿真，并进行分析。PowerWorld提供的电力系统工具箱可方便迅速的对所研究的电力系统对象进行各种暂态和稳态的数字仿真分析，是电力系统仿真分析的理想工具。

2无限大容量供电模型建立2.1无限容量电源的概念无限大容量电力系统指无论用户负荷如何变化，即使系统发生短路，电力系统母线的电压幅值和频率都不会发生变化这个词通常用来计算短路电流用过。严格定义来说无限大容量的电源并不存在，但为了计算方便。如果电源容量不太影响计算结果，则不必计算电源的内阻。如果系统电源的阻抗小于配电系统阻抗的三分之一，就将其视为无限大容量电源。而且我们发现电源的端电压和频率在短路后的暂态过程中是保持不变的。所以，我们就只要考虑线路的电流变化情况，这样问题的分析就简单的多[7]。2.2无限大容量电源供电系统三相短路的暂态过程如下图2-1所示是一个无限大容量电源供电的简单三相电路，其系统负荷为恒定负荷。在图示点出现三相短路故障设在短路现象发生之前，电路暂时正处于稳定状态，因为电路是三相对称的，所以可以只求出其中一项的电流、电压为：i=Imsinωt+θ−φu=Umsinωt在算式中Im=Um/φ=arctanωL图2-1无穷大功率电源供电的三相电路突然短路φ在式子中为短路前电路的阻抗角。而L1假设在t=0s时刻f点发生三相短路故障。电路的阻抗由R+R'+jωL+Li在式子当中，Iωm=U而短路电流中又包括了周期分量与非周期分量两个部分，短路电流的波形也发生了改变。而且短路电流的最大瞬时值与电路各项参数皆有关系。为了选择合适的电气设备，就必须知道最大短路电流的瞬时值。冲击电流用iimpiimp=IωmKimp=1+e−0.01τ被称之为冲击系数;变化范围是1≤Kimp≤2,在实用计算中，当短路点发生在发电端的低压母线段时，取Kimp=1.9短路电流最大有效值也是用iimpiimp=I/2短路电流的最大有效值通常可以用来检测电气设备的断流能力和电力系统的耐力强度[10]。

3手动计算无穷大功率的电源系统的短路参数在三相电路中，各相的合闸相角不同，所以各相的非周期分量的初相值也各不相同，所以即使是在同一时刻各相电路所对应的非周期分量的最大有效值也是各不相同的，也就是说如想具体计算数值也是比较麻烦的一件事。故在手工计算时通常会选择一些实用的计算方法，即先将计算分成两个部分，首先第一部分是计算在发生短路的瞬间对应的短路电流的周期有效值。但是在严格意义上来说这部分并不算是周期分量，因为此时系统的数据处于一个不断衰减的过程。我们通常将其称为起始的暂态电流，主要用来校验以及整定计算。而我们的第二部分就是要考虑周期分量的有效值在随时间衰减的情况。在t>0时刻以后不同的时刻的短路电流的周期分量的有效值的计算，通常这部分计算只会大体进行估算，因为主要用于电力系统设备的热度稳定性的校验以及继电保护的整定计算。3.1确定系统各元件的次暂态参数在计算三相系统的起始次暂态电流I''的时候，首先会假设自电力系统中的静止元件（比如变压器与电力系统线路设备）上的参数与其稳态的参数相同，但是也有例外像发电机、电动机以及同步协调器所对应的暂态参数与其稳态参数并不相同[11]起始暂态电流在计算时，我们通常还可以做出如下的计算假设：（1）对于线路中所要计算的各个同步发电机包括同步协调器都将其视为理想的同步发电机，其等效的电路图皆如图3-1所示。在图中的次暂态的电抗X''图3-1发电机等效电路以及相位关系（2）电路的等效电动势设为暂态电动势E''，我们认为在短路的瞬间，电动势并不会发生突变，即E''0+=E''0+=如果在计算中不知道同步发电机在短路前时刻的运行参数，则我们通常认为其标幺值E∗''0+会在1.05~（3）一般的负载（电阻、电容或者电感）通常假设为恒定的阻抗，在电力系统中一般会使用PLRL=U20而当出现负荷的电流比起短路点的电流小得多的时候，则短路点以外的负荷电流可以选择忽略不计，因为并不影响其计算结果，将其视为开路即可。（4）许多电路系统中也还包括了很多的异步电动机，在发生短路点若是有很多的电动机的时候，我们就要顾及到电动机反馈电流产生的影响，正常情况下异步电机的转差率很小，并不会对电力系统计算产生很大的影响，我们通常就可以将其视作为同步电机处理。其异步电动机的等效电路图如下图所示，其对应的电抗XM''与额定的标幺值就可以用电力系统中的异步电动机所对应的启动电流的标幺值来表示。即式（3XM∗''=1/I在一般的情况下，异步电动机的启动电流会很大，所以通常会选择近似的取值异步电机的次暂态稳定阻抗标幺值XM∗''=0.2，另外在实际操作中很多的电动机都会通过变压器与反馈线之间的联系来并入电网。不过配电的变压器与反馈线的电抗标幺值则可以通过计算经验值选取数据，当电动机数据归算为0整个系统中的次暂态电动势EM''在计算中视为等效电动势，并且我们通常将在断流的瞬间认为次暂态电动势并不会改变，也就是说EM''0EM''0+=图3-2发电机等效电路以及相位关系但是，我们如果不清楚在短路前时刻的异步电动机的各相参数，我们也可以取EM''=0.9。但是由于异步电动机的特殊性，其次暂态电动势会远远小于机端电压。所以系统在发生了短路以后，如果此时异步电机的机端残余电压值大于不过我们在实际的计算时只对短路点的附近的电机且对于电流影响较大的电机才会使用XM∗''=1/Ist（5）由于三相短路是属于三相对称故障，所以对于像电抗器、变压器以及像电力线路这种静止的元件，它们自身所对应的次暂态电抗就是其本身的稳态电抗。而在网络方面，由于短路时的网络当中的电压值比正常工作电压低得多，但是相反的，短路电流值却比正常工作时大得多，故我们在电路中其相应的线路对地的电容与变压器的励磁支路之中流经的电流并不会对于电路产生影响。故，我们可以选择在计算中忽略该电流。这也是我们在画等效电路的时候，选择不计算对地的导纳支路，而在计算高压电网（高于110kV的电网）选择忽略电力线路中的电阻值只需计算电抗值即可。3.1.1起始暂态电流计算对于像非无限大容量的电源供电的电力系统发生的三相短路，我们只需要将系统所有的电路元件使用次暂态的电路参数替代，就可以得到对应的等效电路。此时计算方法与无限大容量计算方法相同，若是只想计算短路接地点这一处的短路电流则就有许多的方法其最简单的方法就是使用戴维宁定理先简化电路再使用其他公式进行计算。3.1.2非无限大容量电源供电的电力系统三相短路时的冲击电流对于非无限大容量电源供电的电力系统的三相短路，还是可以将其看做它的短路电流是分为两个部分的即：i=i''+iα其i''发电机给短路电流提供的短路冲击电流为iimp=Kimp2短路点在靠近发电机端的时候取Kimp=1.9，短路点在远离发电机端的时候K异步电机与其他的负载也会对电路点提供反馈电流，其电流值为iimp=Kimp2I''，在一般情况下Kimp会取1.8。而同步发电机给短路点所提供出的短路电流的有效最大值用iimp=1.52I''求取。在计算短路电流的最大有效值的时候，接下来会用例题进行对于之前理论的印证，并且会通过软件对电路仿真。假设某无穷大功率的电源系统，如图（3-3）所示，1号等效发电机G通过电力系统的线路向等效点击传送电能，假设电动机在电路之前所消耗的有功功率为P=20MW，其电路的功率因数为0.8），即是说φ=36.9°，且整个系统的电压标幺值为0.1电动机的机端电压为1图3-3例题首先使用基础方法进行对于故障点的三相分析，这个电路系统是一个简单的三相短路，而且只是告知我们电动机M的极端电压以及三相电动机在短路前的工作状态，若是只通过这些数据进行三相短路计算暂态电流属于计算比较精密的场合，手动计算过程如下。其解法分为两种，第一种是使用标幺值来进行短路计算，第二种则是使用叠加原理进行计算三相短路电流以及各参数。解法1：首先取该系统的基准值SB=30MV*A，UB=10.5kV然后假设该短路点在Uk的相位角是0U由此可得U则该电路在短路之前电力系统的工作的额定电压为I电流基准值量I电流标幺值量为I由公式E并考虑有关的线路电抗，可以解得发电机的次级暂态电动势为E=0.91−j而且又因为是在电动机端发生了短路现象，所以可以根据另一公式即E此公式可以用来求出电动机端的次暂态电动势。E=0.91−此时短路以后电路的次暂态电流II此时流过发电机短路支路的起始次暂态短路电流为I此时流过电动机短路支路的起始次暂态短路电流为I可以得到故障点的总起始次暂态电流为标幺值计算为I有名值计算为I除此解法之外，由于此题知道短路前的电压，只是求短路电流，故我们还可选择使用前面提到的叠加定理进行计算叠加定理的解题方法为在短路后的等效电路中的短路支路（即指的是短路点与地之间）我们将其串接上两个理想电压源，这两个电压源我们使其大小相等但是相位相反。用表示，由于电源的相位相反，所以在短路点与地之间的电压值为0.满足了对于短路的定义，且这条短路支路当中流过的电流就将其视为短路电流。该电路的等效视图可看作是两部分相叠加所得到的。其中一部分是短路的发生前电路稳态运行的等效电路，u就是已知短路点的短路前电路的电压，另一部分是故障分量的所对应的等效电路，而且此时电路中所流过的稳态电流为零，所以只需要求出故障分量对应的等效电路就可以直接求出短路电流[13]。解法二：用标幺值进行计算，首先选取基准量SB=30MV∙A设短路点对应电压值的相位角为0，则其标幺值对应的相量值为U从故障点的相量对应的等效电路可求得等效电路整体的总阻抗为Z此时的起始次暂态电流值为I电流的有名值则是I由此可得使用叠加定理与前面的解法得出的结果完全相同，且比之前的方法简单得多，而且若题目没给定短路前的各项参数则可以选择使用近似假设，短路点所对应的电压值为额定电压（大部分时间短路前时刻，电路各点都处于额定工作状态）然后再利用叠加定理，直接求取故障分量的等效电路，也十分简单。那么接下将会使用PowerWorld进行对于该题仿真计算以佐证该软件对于计算三相短路的简便之处[14]。4PowerWorld仿真计算三相短路电流在PowerWorld的绘图界面首先根据其题目要求绘制电路图c。该电路是由一个发电机与电动机的串联组成，在其绘制界面选择插入两个节点，并设置节点的具体数值，有题目可得到节点的具体参数为电压的标幺值为0.1，相角为36.9°且基准电压值为10.5kV。承受的有功功率则是20图4-1节点绘制界面绘制完节点以后继续在电力系统中绘制发电机以便计算使用，其发电机的具体参数由题目可以得到有功功率输出为20MW，无功功率输出为0，且其短路参数中设置基准容量即计算的SB=30MV*A设置完以后可得到发电机在该系统中的电路符号以及其具体参数如图所示，图4-2发电机绘制界面其负载端在题目中要求是一个电动机但在PowerWorld中选择使用一负载的方式代替可达到相同的效果，只需调节参数即可。参数选择也是由题目得到设置其为感性负载，且其消耗的额定功率为P=20MW，将电路的节点与节点之间使用电力线路将其连接起来，最后绘制完以后电路图如下所示图4-3仿真电路图在电路图仿真结束从系统的编辑模式转换为运行模式，选择工具→短路计算模块可得到如下界面图4-4短路计算模块以上的图详细地阐述了电力系统在正常工作状态下的各项参数，以便于对电力系统故障进行分析时对故障后参数作计算。利用PowerWorldSimulator对电力系统的各条母线分别进行三相对称短路故障分析，得出最后计算结果[15]。图4-5计算结果图由系统计算可得到短路点发生的短路电流幅值为4.27kA，相角为-38.03°通过相角的幅值转换a2+b2=求得a=3.36,b=−2.26即电流的有名值为3.36−5总结随着时代的发展，在计算机方面的不断进步我们会发现，计算机可以替人类进行一些对于人类来说较为繁琐的运算，就如这次的运用PowerWorld进行电力系统的三相短路计算，以及对于电力系统的建模等等，同时在本次毕业设计的进行中我也再一次温习了之前学过的知识，这对未来的工作或是学习都具有较大的帮助，但在本次论文的撰写中也还是有许多的问题，例如对PowerWorld软件的掌控还是不熟练以及对于短路计算时各个公式的掌握也不是很熟练，希望来未来的继续学习中能够更加熟练掌握这些技能，一对未来的学习或是工作做出更多的贡献。

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