电力系统课程设计短路计算.pdf

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1、课程设计说明书课程设计说明书题目名称：某系统短路计算系部：专业班级：学生姓名：学号：指导教师：完成日期：新疆工程学院电力工程系课程设计评定意见设计题目：某系统短路计算学 生 姓 名：专 业班 级评定意见：评定成绩：指导教师（签名）：年月日评定意见参考提纲：评定意见参考提纲：1、学生完成的工作量与内容是否符合任务书的要求。2、学生的勤勉态度。3、设计或说明书的优缺点，包括：学生对理论知识的掌握程度、实践工作能力、表现出的创造性和综合应用能力等。新疆工程学院电力工程系课程设计任务书16/17学年 2 学期 2017 年 5 月 26 日专业设计题目班级课程名称电力系统分析基础刘 华神华楼 A303

2、周数年 6 月 16 日2 周设计地点仿真实验室电力系统短路电流的计算2017年5月26日2017指导教师起止时间设计目的：本次电力系统课程设计是根据给定的原始材料完成、巩固和加深对电力系统短路计算基本原理的理解，学习和掌握应用计算机进行电力系统设计和计算的方法，培养学生独立分析和解决问题的能力。设计任务或主要技术指标：短路点短路电流的计算所需的部分参数都已经标注在电路图中，本组成员计算所需系统C、变压器 T1、线路L、变压器T2、发电机G 等的电抗标幺值。发电机：电压标幺值Eeq=1；线 路：正序负序阻抗的额定标幺值取，零序阻抗的额定标幺值取；a.求系统 C 的正序电抗；b.求 K 点发生

3、bc 两相接地短路和 abc 三相短路时故障点电流；c.求 K 点发生 bc 两相接地短路和 abc 三2.设计进度与要求设计进度：1 第一天：选题，收集资料，完成开题报2 第二天：完成电路等值电路的绘制3 第三、四、五天：完成电路电流的手工计算4 第六、七、八天：基于PSASP 的仿真短路计算5 第九天：设计初审6 第十、十一天：修改初稿，打印终稿。7 第十二天：课程设计答辩。要求：1 a.求系统 C 的正序电抗；b.求 K 点发生 bc 两相接地短路和 abc 三相短路时故障点电流；c.求 K 点发生 bc 两相接地短路和 abc 三相短路时发电机 G 和系统 C 分别提供的故障电流(假设

4、主要参考书及参考资料：1 李庚银.电力系统分析基础 M.北京：机械工业出版社.;2 中国电力科学研究院.短路计算用户手册M.；3 中国电力科学研究院.潮流计算用户手册M.；教研室主任（签名）系（部）主任（签名）年月日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，分析计算短路故障的参数更为重要。在三相系统中，可能发生的短路有：三相短路、两相短路、两相短路接地和单相接地短路。对于各种不对称短路，都可以对短路点列写各序网络的电势方程，根据不对称短路的不同类型列写边界条件方程。联立求解这些方程可以求得短路点电压和电流的各序分量。本设计通过对某系统的短路计算来说明如何分析短

5、路计算，为电力系统的规划设计、安全运行、设备选择、继电保护等提供重要依据。关键词 短路、对称短路、不对称短路目录1 设计任务.02 设计原理.1电力系统各序网络的制定.1不对称三相量的分解.2三相短路.33 计算过程及步骤.6系统 C 的正序电抗计算.6K 点发生两相短路时故障点电流计算.7K 点发生 abc 三相短路时故障点电流.9K 点发生 abc 三相短路时发电机 G 和系统 C 分别提供的故障电流.94 仿真实验.10交直流电力系统分析程序功能.10仿真结果部分截图.125 结果分析.15总结.16致谢.18参考文献.191 设计任务如图所示发电机 G，变压器 T1、T2 以及线路 L

6、 电抗参数都以统一基准的标幺值给出，系统 C 的电抗值是未知的，但已知其正序电抗等于负序电抗。在 K点发生 a 相直接接地短路故障，测得 K 点短路后三相电压分别为Ub1120，Uc1-120。ZG 0.25图 电路原理图要求完成的主要任务要求完成的主要任务:(1)求系统 C 的正序电抗；(2)求 K 点发生 bc 两相短路和 abc 三相短路时故障点电流；(3)求 K 点发生 bc 两相短路和 abc 三相短路时发电机 G 和系统 C 分别提供的故障电流(假设故障前线路中没有电流)。2 2 设计原理设计原理电力系统各序网络的制定电力系统各序网络的制定应用对称分量法分析计算不对称故障时，首先必

7、须作出电力系统的各序网络。为此，应根据电力系统的接线图，中性点接地情况等原始资料，在故障点分别施加各序电势，从故障点开始，逐步查明各序电流流通的情况。凡是某一序电流能流通的元件，都必须包括在该序网络中，并用相应的序参数和等值电路表示。除中性点接地阻抗，空载线路以及空载变压器外，电力系统各元件均应包括在正序网络中，并且用相应的正序参数和等值电路表示，如图所示；负序电流能流通的元件与正序电流的相同，但所有电源的负序电势为零。因此，把正序网络中各元件的参数都用负序参数代替，并令电源电势等于零，便得到负序网络如图所示；在短路点电流施加代表故障边界条件的零序电势时，由于三相零序电流大小及相位相同，他们必

8、须经过大地才能构成通路，而且电流的流通与变压器中性点接地情况及变压器的接法有密切的关系，如图所示。利用各序的网络图可以计算出相应的各序阻抗。Xc(1)+CXT1XL1+Vfa(1)XT2Xd”+G图系统的正序网络Xc(1)XT1XL1+Vfa(2)XT2Xd”图系统的负序网络XT1XL0+Vfa(0)XT2图 系统的零序网络不对称三相量的分解不对称三相量的分解对称分量法是分析不对称故障的常用方法，根据对称分量法，一组不对称的三相量可以分解为正序、负序、零序三相对称的三相量。在三相电路中，对于任意一组不对称的三相相量(电压或电流)，可以分解为三组对称的相量，当选择 a 相作为基准相时；三相相量与

9、其对称分量之间的关系为：Ia2Ia(1)1 aa 12Ia(2)1 aaIb31 1 1IcIa(3)j1202j240式21a 式（2-1）中，运算子e,a e，且有1 a a 0、a 1。Ia(1),Ia(2),Ia(0)23分别为 a 相电流的正序、负序和零序分量，并且有最后可得到Ib(1)a Ia(1)Ib(2)Ib(0)Ic(1)aIa(1)2 aIa(2)Ic(2)a Ia(2)Ic(0)Ia(0)2式22Ia Ia(1)Ia(2)Ia(0)Ib a Ia(1)aIa(2)Ia(0)Ib(1)Ib(2)Ib(0)Ic aIa(1)a Ia(2)Ia(0)Ic(1)Ic(2)Ic(0

10、)22式(2-3)电压的三相相量与其对应的序分量之间的关系也与电流的一样。三相短路正序等效定则：是指在简单不对称短路的情况下，短路点电流的正序分量与在短路点各相中接入附加电抗而发生三相短路时的电流相等。三种不对称短路电流的正序分量的计算和 三相短路 电流在形式 上很相 近，只是阻 抗为ZZ(1)(0)Z,Z是附加阻抗。在单相短路时附加阻抗为Z3Zf)的串联；两相短路时附加阻抗为Z(2)(2)和Z(0)(或(或Z(2)Zf)；两相短路接地时为Z(2)和Z(0)(或Z(0)3Zf)的并联。因此，对于任一种不对称短路，其短路电流的正序分量可以利用图所示的正序增广网络计算。If(1)(3)图 正序增广

11、网络在图中，阻抗 Z为附加阻抗，对于任一种不对称短路，其短路电流的正序分量可以利用图所示的正序增广网络计算。故障相短路电流的值和正序分量有一定关系，可以用以下公式：EeqIf(1)Z(1)ZIf MIf(1)(3)式（2-4）上式中Z-正序增广网络中附加阻抗；M-故障相短路电流对正序分量的倍数。表 2-1 列出了各种短路时 Z和M 的值，对于两相短路接地，表中的M 值只适用于纯电抗的情况。表 2-1各种短路时的 Z和M 值短路种类三相短路单相短路Z0Z(2)+(Z(1)+3 Zf)Z(2)+ZfM13两相短路两相接地短路3 计算过程及步骤系统 C 的正序电抗计算应用对称分量法分析各种简单不对称

12、故障时，都可以写出各序网络故障点的电压方程式(3-1)，当网络的各元件都只用阻抗表示时,方程可写成式中=Ifa(1)Ufa(1)(1)Z(2)Ifa(2)Ufa(2)Z(0)Ifa(0)Ufa(0)EeqZ，即是短路发生前故障点的电压。式（3-1）a 相接地短路时，故障处的三个边界条件为：Ufa 0,Ifb 0,Ifc 0式（3-2）用对称分量表示为：2Ufa(1)Ufa(2)Ufa(0)0a Ifa(1)aIfa(2)Ifa(0)0式（3-3）aIfa(1)a Ifa(2)Ifa(0)02经整理后便得到用序量表示的边界条件为根据边界条件式和方程式(3-1)。即能确定短路点电流和电压的各序分量

13、为（3-4）Ufa(1)Ufa(2)Ufa(0)0Ifa(1)Ifa(2)Ifa(0)式（3-4）Ufa(1)(ZUfa(2)Ufa(0)Ifa(1)(0)Z(2)Ifa(1)Z(0)Ifa(1)Z(2)式（3-5）短路点非故障相得对地电压为：Ifa(1)Ufc aUfa(1)a2Ufa(2)Ufa(0)(a a2)Z(2)(a 1)Z(0)Ifa(1)根据设计任务所给的已知条件代入式（3-6）式得：Ufb a Ufa(1)aUfa(2)Ufa(0)(a a)Z22(2)(a 1)Z2(0)式（3-6）1322j a a Z(2)(a 1)Z(0)I22fa(1)式（3-7）132j a aZ

14、(2)(a 1)Z(0)Ifa(1)22式（3-8）式（3-7）与式（3-6）式相比并且将a2 1a代入两式得：(2a 1)Z(a 2)Z(0)13j(2)(2a 1)Z(2)(a 1)Z(0)2式（3-9）对式（3-9）式进行化简，最终得到：Z(0)Z(2)式（3-10）由系统的各序网络图可得到：j0.5(ZC(1)j0.2)ZC(1)j0.7j0.3 j0.25j0.3 j0.25式（3-11）最后可解得：由此可得:ZC(1)j0.0125式（3-12）Z(1)Z(2)Z(0)j0.1364式（3-13）K 点发生两相短路时故障点电流计算K 点发生两相（b、c 相）短路，该点三相对地电压及

15、流出该点的相电流（短路电流）具有下列边界条件：Ifa 0,Ifb Ifc,UfbUfc式（3-14）将它们转换为用对称分量表示，先转换电流021If(1)1 a a 12jIfb1If(2)1 aa Ib331 1 10IbIf(3)式(3-15)即为：If(0)0If(1)If(2)式（3-16）说明两相短路故障点没有零序电流，因为故障点不与地连接，零序电流没有通路。由式式（3-14）中电压关系可得即(省略下标 a)Ufb a Ufa(1)aUfa(2)Ufa(0)Ufc aUfa(1)a Ufa(2)Ufa(0)22Uf(1)Uf(2)式（3-17）式（3-16）和式（3-17）即为两相短

16、路的三个边界条件。即If(0)0,If(1)If(2),Uf(1)Uf(2)式（3-18）解联立方程式（3-1和式（3-18）得If(1)If(2)Eeq1 j3.6657Z(1)Z(2)j0.27282式（3-19）故障相短路电流为 j 3Ifb a If(1)aIf(2)(a2a)EeqZ(1)Z(2)j 3EeqZ(1)Z(2)式（3-20）6.3492Ifc aIf(1)a2If(2)(aa2)EeqZ(1)Z(2)EeqZ(1)Z(2)式（3-21）6.3492K 点发生 abc 三相短路时故障点电流根据正序等效定则可知，三相短路的附加阻抗Z 0,即三相短路电流等于正序电流（三相短路

17、）总电抗：Z(1)(ZC(1)ZT1(1)ZL(1)/(ZT2(1)ZG(1)(j0.0125 j0.15 j0.05)/(j0.25 j0,.25)j0.1364由此三相短路电流：I(3)f1Z1 j7.3314j0.1364K 点发生 abc 三相短路时发电机 G 和系统 C 分别提供的故障电流K 点发生 abc 三相短路系统 C 故障电流：IC(3)ZT 2(1)ZG(1)ZC(1)ZT1(1)ZL(1)ZT2(1)ZG(1)I(3)fj0.25 j0.25(j7.3314)j5.3319 j0.0125 j0.15 j0.05 j0.25 j0.25K 点发生 abc 三相短路发电机

18、G 故障电流：(3)IGZC(1)ZT1(1)ZL(1)ZC(1)ZT1(1)ZL(1)ZT 2(1)ZG(1)I(3)f j0.0125 j0.15 j0.05(j7.3314)j1.9995 j0.0125 j0.15 j0.05 j0.25 j0.254 仿真实验本次仿真用 PSASP 软件，PSASP 基于电网基础数据库、固定模型库以及用户自定义模型库的支持，可以进行电力系统（输电、供电和配电系统）的各种计算分析。交直流电力系统分析程序功能潮流计算、暂态稳定、短路电流、网损分析、电压稳定、静态安全分析、静态和动态等值、直接法暂态稳定、小干扰稳定、最优潮流和无功优化、参数优化协调、继电保

19、护整定与仿真；主要特点:交直流混合电力系统；固定模型库和用户自定义模型库支持；提供用户程序接口实现与用户程序联合运行；文本和图形两种运行模式及多种形式的结果输出；开放友好的用户程序接口环境；PSASP 提供用户程序接口(UPI)环境使 PSASP 模块和用户程序模块联合运行共同完成某一计算任务；UPI 为用户提供了更加自由更加开放的环境即通过编程(语言工具不限如 FORTRANC+等)；利用 PSASP 的资源和实现 PSASP 的功能扩充；利用 Windows 操作系统提供的动态连接库(DLL)支持可以使 UPI 方式与PSASP 内部的固定模型方式在计算精度和时间上达到同样的效果其中不少单

20、位如清华大学浙江中试等应用 UPI 做了很多富有成效的科研工作。潮流计算流程：PSASP 潮流计算的流程和结构如下图所示：短路计算流程：图 潮流计算的流程和结构仿真结果部分截图图图仿真主接线图图系统潮流分析图BC 短路短路电流图 BC 两相短路电流报表图 K 点 ABC 三相短路电流图 ABC 三相短路报表图 发电机 G 母线侧三相短路电流由于计算误差以及 PSASP 仿真时发电厂、变压器、母线、交流线等一系列的参数只知道阻抗，部分数据不统一。所以导致手算和 PSASP 短路计算出来的数据存在一定的差值。发电机母线侧三相短路电流的计算直接用 PSASP 软件计算，不基于潮流计算。如有必要可在发

21、电机 G 侧母线上加装限流电抗器。5 结果分析经过计算可以看出系统在发生单相接地短路时Ufa 0,Ufb与Ufc大小相同，相位相反。同样在发生两相短路接地时 bc 两相的电流大小相等，相位相反；非短路相短路电流为零；在发生 bc 两相短路时，虽然非故障相短路电流为零，但系统 C 和发电机 G 各系统提供的正序电流和负序电流不为零。由分析计算可知，两相短路有以下几个基本特点：（1）短路电流及电压中不存在零序分量。（2）两故障相中的短路电流的绝对值相等，而方向相反，数值上为正序电流的 3 倍。（3）当正序阻抗等于负序阻抗时，两相短路的故障相电流为同一点发生三相短路时的短路电流的3 2倍，因此可以通

22、过对序网进行三相短路计算来近似求两相短路的电流。（4）短路时非故障相电压在短路前后不变，两故障相电压总是大小相等，数值上为非故障相电压的一半，两故障相电压相位上总是同相，但与非故障相电压方向相反。三相短路时，可根据正序等效定则进行分析和计算。总结通过本次课程设计，使我们巩固了电力系统三相短路计算的基本原理与方法，掌握了短路电流的数值求解方法。同时在计算机仿真分析电力系统的方法上有所掌握。并且通过软件开发也有助于计算机操作能力和软件开发能力的提高。此次课程设计让我明白了要使电力系统运行稳定，必须经过精密的设计和计算，同时也发现研究性学习的作用是巨大的，从研究中去学习，理论结合实际，将理论运用到实

23、际，同时在实际中发现问题，然后解决问题。致谢经过两周的努力，我的课程设计在刘老师的细心指导下完成。我衷心地感谢我的指导老师，在设计过程中刘老师给予了我细心的指导，使得本设计得以顺利完成。在完成课程设计的过程中，发现了我们不足的同时使我们能够将学到的知识应用到实践中，增强了我们的实操作和理论知识相结合的能力，提高了独立思考的能力。在设计的过程中，我通过查阅大量相关资料，与同学交流及自学，丰富了自我阅历，虽经历了不少艰辛，但收获巨大，不仅树立了对自己工作能力的信心，而且大大提高了动手能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。相信对今后的学习、工作、生活有着很大的鼓励，感谢生活。最后还是要对刘华老师说声感谢，还有在课程设计当中给予帮助的同学们。参考文献1 李庚银.电力系统分析基础M.北京：机械工业出版社，2 中国电力科学研究院.短路计算用户手册M.；3 中国电力科学研究院.潮流计算用户手册M.：