（电力系统及其自动化专业论文）电网限流措施的最优配置研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l y , e x p a n s i o ni nt h es c a l eo fp o w e rs y s t e m sa n dd e v e l o p m e n to f p o w e rs o u r c e s ，e s p e c i a l l yl a r g eu n i t sc o n n e c t e dd i r e c t l yt ot h e50 0 一k v s y s t e m s ，a r el e a d i n gt oa ni n c r e a s e i nf a u l tc u r r e n t i nt h ef u t u r e ，i ti s q u i t el i k e l yt h a tt h ef a u l tc u r r e n ta tt h e i n t e r c o n n e c t i o no fs u c hp o w e r s y s t e m sm a y e x c e e dt h ei n t e r r u p t i n gc a p a c i t yo ft h ec i r c u i tb r e a k e r s s i g n i f i c a n tr e s e a r c hs h o u l db ef o c u s e do ns h o r t - c i r c u i tc u r r e n tl i m i t i n ga s i n c r e a s i n gf a u l tc u r r e n tg r e a t l yr e d u c e sa b i l i t yo fp o w e rg r i dt of u n c t i o n i nt h i sp a p e r , a l lo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do ni n t e g e rp r o g r a m m i n gi s p r o p o s e d t h i sa l g o r i t h m ，i nw h i c hb e h a v i o r s o fb r e a k e rs w i t c h i n g r e s u l t i n gi nd i f f e r e n tg r i ds t r u c t u r e sa r es i m u l a t e db yo 一1v a r i a b l e s ，i s e f f i c i e n ta n ds u i t a b l ef o rf i n d i n gt h eo p t i m a ls o l u t i o n st os h o r t c i r c u i t c u r r e n tl i m i t i n g k e y w o r d s ：s h o r t c i r c u i tc u r r e n t ，i n t e g e rp r o g r a m m i n g ，o p t i m i z m i o n a l g o r i t h m i v 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1概述 1 1 1 短路定义 第一章绪论 电力系统在运行过程中，时常会发生故障，其中大部分是短路。所谓短路， 是指电力系统正常运行情况以外的相与相或相与地( 或中性线) 之间的连接，而 在正常运行时，除中性点外，相与相或相与地之间是绝缘的。 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。三相短路也称对称短路，系统各相与正常运行时一样仍处于对称 状态。其他类型的短路都是不对称短路【l 】。电力系统运行经验表明，短路多数发 生在架空线路部分，且单相短路接地占大多数。 1 1 2 短路电流产生的原因 短路电流产生的原因很多，主要有如下几个方面：( 1 ) 元件损坏，例如绝缘 材料的自然老化，设计、安装及维护不良所带来的设备缺陷发展成短路等；( 2 ) 气象条件恶化，例如雷击造成的闪络放电或避雷器动作，架空线路由于大风或导 线履冰引起电杆倒塌等；( 3 ) 人为事故，例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上电压等；( 4 ) 其他，例如挖沟损伤电缆，鸟兽跨接 在裸露的载流部分等川。 1 1 3 影响短路电流水平的因素 电力系统短路电流水平，通常用短路容量或称短路功率表示，它定义为： s d = 3 u ，二( m v a ) ( 1 - 1 ) 式中u n 为短路点所在电网的额定电压( k v ) ，i 二为短路点三相短路起始次 暂态电流( k a ) 。用平均额定电压替代u n 时，可得到下式， = 帆艺= 帆瓦s b = 艺忡2 ) 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 即为电流标么值与功率基准值的乘积，或短路容量标么值与i ：的标么值相 雄 2 】 寸。 影响短路电流的因素主要有以下几点：( 1 ) 电源布局及其地理位置，特别是 大容量发电厂及发电厂群距受端系统或负荷中心的电气距离；( 2 ) 发电厂的规模、 单机容量、接入系统电压等级及主接线方式；( 3 ) 电力网结构( 特别是主网架) 的紧密程度及不同电压电力网的耦合程度；( 4 ) 接至枢纽变电所的发电和变电容 量，其中性点接地数量和方式对单相短路电流水平影响很大；( 5 ) 电力系统间的 强弱及互联方式。 1 1 4 短路的危害 短路对电力系统会造成诸多不良后果，主要有下列几方面： ( 1 ) 短路电流很大，可能达到该回路额定电流的几倍到几十倍，某些场合 短路电流值可达到几万甚至几十万安。当巨大的短路电流经导体时，将使导体严 重发热，造成导体熔化和绝缘损坏，同时巨大的短路电流还将产生很大的电动力 作用于导体，可能使导体变形或损坏。 ( 2 ) 短路时往往有电弧产生，高温的电弧不仅可能烧坏故障元件本身，也 可能烧坏周围的设备。 ( 3 ) 由于短路电流基本是电感性电流，它将产生较强的去磁性电枢反应， 使得发电机端电压下降，同时短路电流流过线路、电抗器等时还增大了它们的电 压损失，因此短路所造成的另一个后果就是使网络电压降低，愈靠近短路点处电 压降低愈多。当供电地区电压降低到额定电压的6 0 左右而又不能立即切除故 障时，就可能引起电压崩溃，造成大面积停电。 ( 4 ) 短路时由于系统中的功率分布的突然变化和网络电压的降低，可能导 致并列运行的同步发电机组之间的稳定性破坏。 ( 5 ) 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 控制系统产生干扰口1 。 综上所述，短路电流对电力系统危害很大，因此要尽可能防止短路的发生， 在短路情况下还必须保证电力系统的安全运行。鉴于短路电流的危害，我国对电 力系统短路电流的控制水平作了如表卜l 所示的规定。 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 表卜1 ：短路电流控制水平 l 电压等级k v l o3 56 31 1 02 2 05 0 0 l 短路电流k a 1 61 6 2 0 2 55 06 0 1 2 浙江电网短路电流状况分析 1 2 1 浙江省电网的现状 2 0 0 7 年浙江电网拥有5 0 0 千伏变电所2 l 座，主变4 8 组，容量3 8 0 0 万千伏 安，5 0 0 千伏输电线路7 7 条，总回路长度4 8 2 5 5 公里( 含直流线路2 5 9 公里) ； 2 2 0 千伏公用变电所1 6 4 座，主变3 3 2 台，容量5 2 5 9 万千伏安，2 2 0 千伏输电线 路4 7 9 条，总回路长度1 0 5 3 8 公里( 含电缆7 1 1 7 公里) ；1 1 0 千伏公用变电所 7 4 1 座，主变1 2 4 5 台，总容量5 0 7 9 5 5 万千伏安，1 1 0 千伏输电线路1 4 7 5 条， 总回路长度1 4 4 3 6 公里( 含电缆6 5 5 2 9 公里) 。 2 0 0 7 年底全省统调总装机容量为3 0 0 7 2 6 4 m w ( 不包括舟山电厂、亚浆电厂 机组和华东直调的新安江电厂、富春江电厂、天荒坪抽水蓄能电厂、桐柏抽水蓄 能电厂、秦山二、三期机组) ，其中火电2 8 7 6 0 3 4 m w ，占9 5 6 4 ；核电3 1 0 m w ， 占1 0 3 ；水电1 0 0 2 3 m w ，占3 3 3 。i o o m w 及以上机组的装机容量为2 8 3 5 1 3 4 m w ， 占9 4 2 。目前统调机组中1 0 0 0 m w 机组4 台，6 0 0 m w 机组2 1 台，3 0 0 m w ( 含3 3 0 1 哪、 3 9 0 m w ) 机组2 0 台，2 0 0 1 v 研( 含2 6 0 m w ) 机组7 台，1 5 0 1 v 1 1 j l 机组3 台，1 2 5 1 v i w ( 含 1 3 5 m w ) 机组1 7 台，i o o m w 机组8 台，6 0 m w 及以下机组( 包括水电机组) 4 8 台， 合计1 2 8 台。本网总装机容量( 包括华东直调电厂装机容量) 为3 7 0 1 2 4 4 m w 。 1 2 2 浙江省电网短路电流的现状及采取的措施 对2 0 0 8 年夏季及年末浙江电网的短路电流水平进行了计算。若维持2 0 0 7 年电网分区格局，则2 0 0 8 年夏季和年末浙江电网部分5 0 0 k v 变电所母线短路电 流水平分别见表1 - 2 ( a ) 、( b ) 所示。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 表卜2 ( a ) 2 0 0 8 年夏季浙江电网部分5 0 0 k v 变电所母线短路电流( 单位：k a ) 5 0 0 k v 母线2 2 0 k v 母线 变电所 三相 单相三相单相 兰亭4 8 9 54 5 5 24 9 5 6 4 5 4 6 瓯海3 1 8 43 2 0 95 4 1 0 5 3 8 7 塘岭3 8 9 9 3 5 3 0 4 2 9 0 4 9 4 9 丹溪4 3 5 03 8 5 l4 6 4 75 2 1 4 瓶窑i4 3 7 93 8 9 34 5 0 74 7 1 l 瓶窑i i3 9 4 2 3 1 3 5 5 0 0 2 4 8 9 3 王店 6 0 3 45 6 3 55 3 8 75 0 7 6 汾湖5 l 。0 54 2 6 04 4 7 24 8 5 4 杭北3 6 4 53 0 4 74 5 0 2 4 5 9 0 表l 2 ( b )2 0 0 8 年年末浙江电网部分5 0 0 k v 变电所母线短路电流( 单位：k a ) 5 0 0 k v 母线2 2 0 k v 母线 变电所 三相单相三相单相 兰直 4 8 9 74 5 6 84 9 5 94 6 2 8 瓯海3 2 2 83 2 5 75 5 8 15 6 4 9 塘岭3 9 1 63 5 7 54 3 。8 85 0 7 5 丹溪 4 3 6 43 8 84 6 85 2 7 7 瓶窑i 4 3 7 9 3 9 0 2 4 5 5 54 7 6 3 瓶窑i i3 9 4 23 1 4 75 0 8 45 0 3 l 王店6 0 3 45 6 4 35 3 8 85 1 4 5 汾湖 5 1 0 5 4 2 6 5 4 4 7 2 4 8 6 3 杭北3 6 4 53 0 6 2 4 5 3 54 7 2 9 短路电流计算的主要结论如下： ( 1 ) 2 0 0 8 年夏季，玉环电厂、乐清电厂、滩坑电厂机组及5 0 0 k v 天柱变投 产后，瓯海变2 2 0 k v 母线三相及单相短路电流均有大幅上升，分别达到5 4 。l o k a 和5 3 8 7 k a ，超过开关遮断容量：2 0 0 8 年末，瓯海变2 2 0 k v 三相和单相短路电流 将进一步上升至5 5 8 1 k a 和5 6 4 9 k a 。 ( 2 ) 2 0 0 8 年夏季，5 0 0 k v 杭北变投产后，瓶窑变2 2 0 k v 母线i i 段三相和单相 短路电流水平将分别达到5 0 0 2 k a 和4 8 。9 3 k a ，达到开关遮断容量：2 0 0 8 年末， 瓶窑变2 2 0 k v 母线i i 段三相和单相短路电流将进一步上升至5 0 8 4 k a 和 5 0 3 l k a 。 ( 3 ) 2 0 0 8 年夏季，王店变第三台主变投产后，王店变2 2 0 k v 母线三相和单 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 相短路电流分别为5 3 8 7 k h 和5 0 7 6 k a ，超过开关遮断容量。 ( 4 ) 2 0 0 8 年夏季，舜江变第二台主变投产后，兰亭变2 2 0 k v 母线三相短路 电流达到4 9 5 6 k a ，再次接近开关遮断容量。 ( 5 ) 2 0 0 8 年夏季，丹溪变第三台主变投产后，丹溪变2 2 0 k v 母线单相短路 电流达到5 2 1 4 k h ，超过开关遮断容量。 ( 6 ) 2 0 0 8 年夏季，塘岭变第三台主变投产后，塘岭变2 2 0 k v 母线单相短路 电流达到4 9 4 9 k a ，接近开关遮断容量；年末回浦主变投产后，塘岭2 2 0 k y 母线 单相短路电流进一步增加至5 0 7 5 k a ，超过开关遮断容量。 1 2 3 电网分区实施方案 为降低瓯海变、王店变、瓶窑变、塘岭变、丹溪变、兰亭变的短路电流水平， 同时为优化网络结构，合理分配电网潮流，浙江2 2 0 k v 电网2 0 0 8 年计划采取以 下措施： ( 1 ) 2 0 0 8 年3 月，5 0 0 k v 天柱变投产后即实施瓯海变2 2 0 k v 母线i 段和i i 段 分列运行。 ( 2 ) 2 0 0 8 年6 月，与王店变第三台主变投产同步装设主变中性点小电抗， 同时实施王店变与汾湖变部分分区运行，即开断禾秀2 4 3 8 线、禾水2 4 3 9 线，南 湖变2 2 0 k v 母线分列运行。 ( 3 ) 2 0 0 8 年6 月，杭北变投产后可临时采取士林变2 2 0 k v 母线分列运行方 式，林超2 p 8 2 、瓶林2 4 4 4 线接士林变2 2 0 k v 副母线，山士4 4 4 8 、山林4 4 4 9 线 接士林变2 2 0 k v 正母线。 ( 4 ) 2 0 0 8 年6 月，在塘岭变的第三台主变投产后，采取塘温4 3 3 4 线以及洋 湾变2 2 0 k v 母线合环运行，台州和温州地区2 2 0 k v 电网恢复合环运行。 ( 5 ) 2 0 0 8 年1 月，合兴甘露双线投产后，兰亭、古越间的部分分区线路 将由齐滨2 p 9 4 、齐海2 p 9 5 双线逐步调整为兰齐2 4 5 6 、亭齐2 4 5 7 双线；2 0 0 8 年 7 月，舜江第二台主变投产后，再开断舜九4 q 7 1 、舜里4 q 7 2 双线。 ( 6 ) 2 0 0 8 年6 、7 月，与丹溪变、塘岭变的第三台主变投产同步，分别增装 丹溪变、塘岭变主变中性点小电抗。 ( 7 ) 2 0 0 8 年9 月，在回浦变及其2 2 0 k v 接入系统投产后，开断东清2 3 4 6 、 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 仙安2 q 4 7 、临都2 q 4 9 线，实施浙江南部电网2 2 0 k v 东西通道解环，台温地区2 2 0 k v 电网与浙南其余2 2 0 k v 电网分区运行。 ( 8 ) 2 0 0 8 年1 2 月，在瓶莫2 2 3 8 线全线改造完成后，开断瓶林2 4 4 4 线，实 施含山变供区与瓶窑变、杭北变供区部分分区运行。 采取以上措施后，2 0 0 8 年夏季和年末浙江电网部分5 0 0 k v 变电所母线短路 电流水平如表1 3 所示。 表1 - 3 分层分区后2 0 0 8 年夏季和年末5 0 0 k v 变电所母线短路电流( 单位：k a ) 2 0 0 8 年夏季2 0 0 8 年年末 变电所 5 0 0 k v5 0 0 k v2 2 0 k v2 2 0 k v5 0 0 k v5 0 0 k v2 2 0 k v2 2 0 k v 三相单相 = ：相 单相三相单相三相单相 兰亭 4 8 8 14 5 3 24 6 4 94 1 9 64 8 7 04 5 4 24 6 4 64 2 7 7 瓯海i3 4 9 72 6 8 23 5 6 92 8 2 3 3 2 o l3 1 7 23 2 4 l3 2 1 3 瓯海 4 5 9 34 2 3 94 7 6 54 4 8 3 塘岭 3 9 2 73 5 6 64 7 2 3 4 5 3 l 3 9 3 4 3 6 。0 4 4 7 3 24 6 2 2 丹溪4 3 5 03 8 9 24 6 5 33 9 7 84 2 8 83 8 7 84 3 2 l3 8 7 6 瓶窑i 4 3 7 53 8 9 l4 4 8 94 6 9 84 3 6 53 8 9 54 5 0 24 7 2 3 瓶窑i i 3 9 3 83 1 3 2 4 8 7 3 4 7 9 4 3 9 2 63 1 3 7 4 7 6 14 7 7 8 王店6 0 0 65 6 1 l4 5 7 l4 2 7 96 0 o l5 6 2 04 5 7 14 3 4 8 汾湖 5 0 8 24 2 2 83 1 1 93 5 4 65 0 7 94 2 3 23 1 1 93 5 5 0 杭北 3 6 4 13 0 4 54 4 4 74 5 5 03 5 3 】3 0 5 64 3 9 54 6 2 】 注：1 、因尚无塘岭变及丹溪变小电抗参数，暂时分别参考王店变及乔司变参数。 6 m 大 硕十学位论女镕一 镕论 13 本文所做的工作 奉文提出了利用整数规划的方法，求得电网限流措施的最优方案，着重研究 用o1 变量模拟线路，f 台，增加限流电抗或母线分裂，即利用整数规划，寻找 种实用的计算方法。 第一章作为全文的引言，简单讨论了短路电流的几个基本概念，其中包 括短路电流产生的原 i 刁、影响短路电流水平的因素、短路引起的危害以及短路r n 流计算的目的。并对浙江省电网的规模和短路电流的现状做了简单的介绍。 第二章主要回顾了限制短路电流的几种方法和措施，主要分为选择适当 的主接线彤式和运行方式、加限流电抗器、采用故障限流器等不叫的限制措施。 第王章分析短路电流的计算原理和常用方法。 第四章本论文的重点，电网限流措施的最优配置 第h 章浙江电网远景短路电流计算实例。 浙江大学硕士学位论文第二章限制短路电流的措施 第二章限制短路电流的措施 过大的短路电流是电力企业安全运行的重大隐患，当电力网短路电流数值与 系统运行或发展不适应时，应采取措施限制短路电流，大电网一般可以从以下几 个方面来限制短路电流。 2 1 选择适当的主接线形式和运行方式 为了减小短路电流，可选用计算阻抗较大的接线和运行方式。如对大容量发 电机可采用单元接线，尽可能在发电机电压级不采用母线；在降压变电所中可采 用变压器低压侧分列运行方式，即所谓“母线硬分段接线方式，如图2 一l 所示； 对具有双回路的电路，在负荷允许的条件下可采用单回路运行；对环形供电网络， 可在环网中穿越功率最小处开环运行等。这些接线形式和采用的运行方式，其目 的在于增大系统阻抗，减小短路电流。但这样可能会降低主接线的供电可靠性 和灵活性f 5 】。 图2 - 1 母线硬分段接线方式 目前，变电站母线分段这种限制短路电流水平的方式在国外已普遍采用，例 如联邦德国r w e 系统，为了限制2 2 0 k v 及3 8 0 k v 电网的短路电流不超过目前 制造的开关设备的最大遮断容量，在一些变电所中采用了多母线分列运行的方 8 浙江大学硕士学位论文第二章限制短路电流的措施 式。但是，在某些情况下，在正常运行时，为了保证系统运行有适当的裕度，母 线仍需并列运行。解决矛盾的办法是在母线断路器上装设自动快速解列装置，在 故障时将母线断路器快速断开。多母线分列运行或母线分段运行以限制短路电流 水平的效果是很明显的1 6 j 。 另外，如果对环形供电网解列运行，将增大系统的阻抗，从而达到限制短路 电流的目的。但是这项措施直接影响系统运行的经济性和可靠性，并要求增加整 个系统的备用容量，因而除非不得已才考虑。 2 2 加装限流电抗器 2 2 1 加装普通电抗器 根据安装地点和作用，加装的普通电抗器可分为线路电抗器和母线电抗器两 种。线路电抗器主要用来限制电缆馈线回路短路电流。由于电缆的电抗值较小且 有分布电容，即使在电缆馈线末端发生短路，也和母线短路相差不多。为了出线 能选用轻型断路器，同时馈线的电缆也不致因短路发热而需加大截面，常在出线 端加装出线电抗器l 2 ，如图2 2 所示。l 2 只能在电抗器以后如k 3 点短路时， 才有现在短路电流的作用。由于架空线路本身的感抗值吒较大，不长一段线路 就可以把出线上的短路电流限制到装设轻型断路器的数值，因此通常在架空线路 上不装设电抗器。在馈线上装出线电抗器，限制短路电流效果好，从发电厂和用 户整体来看比较合理和节省。 母线电抗器装设在母线分段的地方，如图l 1 电抗器。其目的是让发电机出 口断路器、变压器低压侧断路器、母联断路器和分段断路器等都能按各回路额定 电流来选择，不因短路电流过大而使容量升级。母线分段处往往是正常工作情况 下，电流流动最小的地方，在此装设电抗器，所引起的电压损失和功率损耗都比 装在其他地方为小。无论厂内( k 1 或k 2 点) 或厂外( k 3 点) 短路时，电抗器 l 1 均能起到限流作用。为了操作方便和减小母线各段间的电压差，母线分段一 般不宜超过三段。母线电抗器用于限制并列运行发电机所提供的短路电流，其额 定电流通常按母线上因事故切除最大一台发电机时可能通过电抗器的短路电流 进行选择，一般取发电机额定电流的5 0 - - 8 0 ，电抗百分值取为8 1 2 。 9 浙江大学硕士学位论文 第二章限制短路电流的措施 2 2 2 加装分裂电抗器 图2 - 2 电抗器接法 分裂电抗器在结构上与普通电抗器相似，只是绕组中心有一个抽头，如图 2 - 3 ( a ) 所示。中间抽头3 一般用来连接电源，两个分支( 又称两臂) l 和2 用来 连接大致相等的两组负荷，从等值电流可以看出它的限流作用。图2 3 ( b ) 为分裂 电抗器等值电路图；图2 3 ( c ) 为正常运行时分裂电抗器的等值电路图。 ( a ) 12 ( b ) 图2 - 3 分裂电抗器接线图 o 【 争砒”) 童 ij ( c ) 两个分支的直感相同，每个分支的直感电抗吒= w l 。两个分支间有磁的耦 合，若互感为m ，则互感系数为： 厂：1 竺：m ( f 一般为o 4 0 6 ，t 2 丽5 “一股舢4 石 l o 浙江大学硕士学位论文第二章限制短路电流的措施 式中，厶、厶分支l 和2 的电感。 于是，互感抗为 x m = w m = w 矽= 正常运行时，使两个分支电流大小相等，由于两电流反向流过两臂，每一分 子大电压降为 a u = x 一钆= x l ( 1 一门 若取厂- - 0 5 ，则u = 0 5 1 x l ，即正常运行时，电抗器的运行电抗为0 5x l 。 当分支1 出线短路时，如忽略分支2 的负荷电流，分支1 上的电压降为 a u = l x l ，即短路时，电抗器的电抗为x l , 。可见，当分裂电抗器的电抗值与普 通电抗器的电抗值相同时，两者在短路时的限流作用一样，但正常运行时，分裂 电抗器的电压损失只是普通电抗器的一半，而且比普通电抗器多供一倍的出线， 从而减少了电抗器的数目，减少了设备的占地面积，有利于设备布置，故被广泛 应用。 运行中尚需注意的是，当两个分支负荷不等或者负荷变换过大时，将引起两 臂电压产生偏差，造成电压波动，甚至可能出现过电压。所以，一般分裂电抗器 的电抗百分值取8 - 1 2 【5 | 。 2 3 采用故障限流器 故障限流器( f a u l tc u r r e n tl i m i t e r 简称f c l ) ，是一种限制短路电流的电气设 备。它的工作原理是，当发生短路故障时，自动投入限流阻抗，起到限制短路电 流的作用。理想的故障限流器应对电网的正常运行无影响，而在故障情况下能够 限制短路电流使其接近额定电流值，这样就可以解决既要求电网阻抗小又要求短 路电流小的矛盾。 1 串联电弧设备的故障限流器：它具有一个限流电阻，此电阻在正常情况下 被开关点短接，在发生短路时，通过电子控制迅速将开关打开，将限流电阻接入 主电路中，起到限制短路电流的作用。 2 谐振故障限流器：具有一个谐振电路，系统发生短路时，自动投入一个 l c 谐振电路，使得整个系统的阻抗增大，从而达到限制短路电流的作用。 3 高温超导限流设备：利用超导的超导正常态转换特性，正常运行时，通过 1 1 浙江大学硕士学位论文 第二章限制短路电流的措施 的电流在阈值以下，没有电阻，没有起到任何作用，当发生短路故障时，短路电 流迅速增大，超过了阈值，超导体的电阻迅速增大，有效的限制了短路电流。 4 固态故障限流器：一般以电力电子元件作为线路开关，故障时投入限流阻 抗l ，从而限制短路电流【引。 2 4 电压等级协调发展 2 4 1 电压等级配合 根据机组容量大小，选择相应电压等级，既要防止大机组接入低电压电网上， 造成较低电压网络的短路容量增加过大，也要避免较小机组接到较高电压网络 上。随着电网国外所采用的各级电压与最大火电机组及线路送电容量关系如表 2 1 所示 2 4 2 采用高一级的电压等级 在保持合理电网结构的基础上，及时发展高一级电压、电网互联或新建线路 时注意减少网络的紧密性、大容量发电厂尽量接入最高一级电压电网、合理选择 开闭所的位置及直流联网等，要经过全面技术经济比较后决定。在输电线路采用 高级电压后，输电能力增强了，就可以将原来低电压等级的系统作为配电网考 虑，予以分片运行、多母线分列运行或母线分段运行等。我省在5 0 0 k v 电网较 强以后，采用的就是2 2 0 k v 分区运行的方案。这种方法是限制短路电流较为有 效的方法。 2 4 3 采用直流输电技术 直流输电的控制系统具有调节快、控制性能好的特点，可以有效地限制短路 电流，使其基本保持稳定。直流输电只输送有功功率而不输送无功功率，而短路 电流多半为无功电流。系统中如装机容量增加，在交流系统部分采用直流系统的 话，短路电流可以不增加。作为交直流系统，交流系统发生故障时，由于直流电 流的控制作用，便能很好地起到限制短路电流的作用6 1 。 1 2 浙江大学硕士学位论文 第二章限制短路电流的措施 2 4 4 采用微机保护和高速断路器 采用微机保护和高速断路器能快速切除故障，使导体和设备避免承受最大短 路电流的冲击，从而达到限制短路电流的目的。也可采用静止无功发生器 ( a s v g ) 或统一潮流控制器( u p f c ) 等柔性输电技术间接限制短路电流。 2 4 5 合理规划电力系统 在发电厂内，合理选择发电厂和电网的电气主接线，选择合适的变压器和电 抗器，都能达到限制短路电流的目的。在发电厂内，可对部分机组采用专用线路， 并将这种发电机变压器线路单元连接到距其最近的枢极变电所的母线上，降低 发电厂母线处短路容量。特别是在大容量发电厂中，可以采用低压侧带分裂绕组 的变压器。在水电厂扩大单元组上也可以采用分裂绕组变压器。分裂绕组变压器 在正常运行时阻抗较小，短路时阻抗较大，能有效的限制短路电流。在变电站内， 尽量少用联络自藕变压器，能限制大电流接地系统的单相接地短路电流。 此外，为限制单相短路电流，也可采用减少中性点接地变压器的数目、变压 器中性点经小电抗接地、部分变压器中性点正常不接地，在变压器跳开前使用快 速接地开关将中性点接地、发电机变压器组的升压变压器不接地，但要提高变压 器和中性点的绝缘水平及限制自耦变压器使用等。 浙江大学硕士学位论文第三章短路电流计算方法 第三章短路电流计算方法 3 1 短路电流计算原理 短路电流计算是电力系统最常用的计算之一。不论选择、校验电气设备的性 能，还是继电保护装置的整定计算，都需要进行短路电流计算。简单的短路故障 分为单相接地短路、两相短路、两相短路接地和三相短路四种。 故障计算是用对称分量法进行的。首先，假设网络是线性，即系统各元件 的参数是恒定的。应用迭加定理，将三相网络分解为正、负、零序三个网络。并 假定正常情况下网络是对称的，即三个序网是各自独立的。然后，再应用迭加原 理，将各序网的电压、电流分解为正常分量和故障分量。最后，根据故障点故障 类型的边界条件，将三个序网连成一个完整的网络，应用线性交流电路理论，计 算出三个序网电压、电流的故障分量，再与正常分量相加，便求得三序电压、电 流的实际值。由三序电压和电流就可以计算出三相电压和电流。 应用戴维南定理，可以求得三个序网相对于故障点的电压方程。( 参数定义 参考1 0 1 ) r iu f o ) = u i u f ( 2 ) = l l u f ( o ) 2 l 印 一z 。i f ( i ) 一勿( 2 ) i f 2 ) ( 3 1 ) 一z ( o ) 。i f ( o ) 三序边界条件： 1 单相接地短路 2 两相短路 r 。 j ，们) = - - i f ( 2 ) ；i f ( o ) = 0 i u o ) = u f ( 2 ) ；u ( o ) - - = 0 3 两相短路接地 ( 3 2 ) ( 3 3 ) 1 4 0 ， i l o 八 ” ， 八 = u + 八 ” ， 八 = u ” + 八 d ， “ ，【 浙江大学硕士学位论文 第三章短路电流计算方法 j ，( 1 ) + ，( 2 ) + i f ( o ) = 0 lu ( 1 ) = u f ( 2 ) = u f ( o ) 4 三相短路 ji f ( 2 ) = i f ( o ) = 0 iu ，( 2 ) 5u f ( o ) = 0 由上述各式可得故障点三序电流。 1 单相接地短路： if-c)=么。，+么uf。l：。而l 2 两相短路 = 摭 3 两相短路接地 ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 4 三相短路 = 笋 ( 3 _ 9 ) 厶( 1 ) 根据z 删) 、乞2 ) 、毛( 。) 的物理意义可知，它们分别是正、负、零序阻抗矩 阵第f 行的对角元素，即f 节点的自阻抗。f 是故障点的节点号。若已知三个序 网阻抗矩阵f 节点的自阻抗，就可以按式( 3 - 6 ) 至( 3 - 9 ) 计算出故障点的三序 电流。再由每一个序网故障点的电流，利用下列形式的各序阻抗型的网络节点电 压方程( 只有f 节点有注入电流一，其他节点注入电流均为零) 浙江大学硕士学位论文第三章短路电流计算方法 0 - i i 0 z 2 z 2 。0 乃z j ；t0 勿z 朋止 u u | 玑 ( 3 1 0 ) 就可以求得各节点三序电压的故障分量。将节点电压的正常分量与故障分量 相加，便得各节点三序的实际电压。三个序网各节点的时间电压分别为： r 。 i u f 1 ) - u i t o l z 州) i i o ) l u 啦) 2 一z 矿( 2 ) i f ( 2 ) ( 3 1 1 ) lu 种) = 一z 胛) i i ( o ) 求得各节点的三序电压后，就可以计算出各支路的三序电流和三相电流【1 0 】。 3 2 简单不对称故障的计算 电力系统正常运行时可认为是三相对称的，即各元件三相阻抗相同，各处三 相电压和电流对称，且具有正弦波形和正常相序。电力系统对称运行方式的破坏 主要与故障有关，例如发生不对称短路或个别地方一相或两相断开等等。 电力系统不对称故障包括不对称短路( 单相接地短路、两相接地短路、两相 短路) 和非全相断线( 单相断线和两相断线) 两种。当电力系统中只有一处发生 不对称故障时称为简单不对称故障。 电力系统对称运行方式遭到破坏时，三相电压和电流将不对称，而且波形也 发生不同程度的畸变，即除基波外，还含有一系列谐波分量。在暂态过程中谐波 成分更多，而且还出现非周期分量。对于不对称短路计算通常采用对称分量法。 任意不对称f l o - 相相量c 、兀、c ( 如图3 1 ( a ) 所示) 都可以分解为三 个对称的矢量系统： ( 1 ) 正序分量系统：e l 、磊。、疋。，这三个矢量数值相等，但是相位上按 仄 a 、b 、c 的次序分别超前1 2 0 0 ( 如图3 1 ( b ) ) ，即如令a = e j l 2 0 = 一i 1 + j 半，则 1 6 一 一 一 1 l 1 1毛乙巯一乙 浙江大学颈士学位论文 第三章短路电流计算方法 e l = a2 兀l ( 3 1 2 ) cl=a兄l(3-13) ( 2 ) 负序分量系统：c 2 、e ：、c ：，这三个矢量在数值上相等，在相位上 按a 、b 、c 的次序分别滞后1 2 0 。( 如图3 1 ( c ) ) ，即 e 2 = ac2(3-14) e 2 = 2c 2 ( 3 1 5 ) ( 3 ) 零序分量系统：c 。、瓦。、c 。，这三个矢量在数值上和相位上都相 等( 如图3 1 ( d ) ) ，即c o = 忍o = c o f 口2 p f c 2 、：f a 2 惫? 们、y ：心、- 种 丫 、 0 枷咖 口c 口d 棚 图3 3 三相不对称相量分解为对称分量 任意不对称的三个矢量c 、瓦、c ，可以用这三组对称分量表示： if a = f a l + f a 2 + f a o f b2f b l 4 - f b 2 + f if c = f c l + f c 2 + f c o i 去a 相为基相， c e fc 厂11 ：i1 口： i l1 口 l 式中系数矩阵是非奇异的，它的逆矩阵存在，所以有： ( 3 1 6 ) ( 3 一1 7 ) o l 2瓦cc ：广jniiio也 则 口矿 浙江大学硕士学位论文第三章短路电流计算方法 ( 3 一1 8 ) 由式( 3 1 8 ) 知，只有当三相电流之和不等于零时才有零序分量。如果三 相系统是三角形接法，或者是没有中性线( 包括以地代中线) 的星型接法，三相 线电流之和总为零，不可能有零序分量电流。只有在有中性线的星型接法中才有 可能，。+ ，6 + 1 。0 ，则中性线中的电流i 。= ，。+ i b + i 。= 3 i a ( 0 1 ，即为三倍零序 电流。因此，零序电流必须以中性线作为通路。 而任意三相不对称的电压或电流都可用式( 3 1 8 ) 求出它们的正序、负序 和零序电压或电流分量。已知三序分量时，可用式( 3 1 7 ) 合成三相相量。 3 3 复故障计算 电力系统在实际运行中，有可能在两处或两处以上同时发生不对称故障，这 样的故障通常叫做复故障或多重故障。电力系统中常见的复故障，主要有图3 4 所示的一些形式。 图3 - 4 电力系统常见的复故障形式 1 单相接地，同时该相断相，如图3 2 ( a ) 所示，这出现在由于继电保护相 继动作按相切除单相接地故障时。 2 两相短路，同时其中一相断相，如图3 2 ( b ) 所示，这出现在两故障相非 同时切除时。 1 8 n瓦c 厂叫ioiio业 2 ， 口口矿，l 。l l 一3 = 浙江大学硕士学位论文第三章短路电流计算方法 3 两相短路，并同时断相，如图3 - 2 ( c ) 所示，这出现在由于继电保护相继 动作切除两相故障时。 4 两处发生单相接地，如图3 2 ( d ) 所示。 5 一处接地，同时有两处断相，如图3 - 2 ( e ) 所示，这出现在t 接线路，当 发生单相接地故障时，其中有两侧的故障相可能已经切除，而另一侧尚未切除， 这是一个三重故障的例子【1 2 | 。 对于复故障的分析计算，与简单故障的分析计算原理相同。在复故障计算中， 目前获得普遍应用的是以多口网络理论为基础的一些简单计算方法。对称分量法 应用于分析简单故障的原理同样适用于复故障，处理过程中结合两口网络理论。 比如发生二重故障时，可将两个故障端口( 如可由短路处短路点和“地”组成一 个端口) 的电流、电压总共分解为1 2 个序分量。每个序的两端口网络可列出两 个方程，3 个序共6 个方程，加上两个故障口的6 个边界条件即可对1 2 个序分 量求解。当然，也可以用复合序网来代表网络方程和边界条件联立求解。 3 4 实时短路电流计算 本文提出的实时短路电流计算方法是短路电流实时监视系统的理论基础。短 路电流实时监视系统主要是用来校核系统中流经各个断路器的短路电流是否超 过遮断容量。因此，在计算得到每个节点的短路电流和支路短路电流的基础上， 还要计算流经断路器的短路电流。考虑到实时性的要求，系统采用了一些近似处 理方法和优化方法。同时，为了避免在厂站内进行拓扑分析，提出了一种断路器 分类的方法。实际计算中，一般采用以下近似处理方法。 1 、各发电机均用x ：作为等值电抗，即假设d 轴q 轴等值电抗均为x ：。发 电机等值电动势则为次暂态电动势e ”： 或= “+ j l o 艺 ( 3 1 9 ) 虽然并不具有那种在突然短路前后不变的特性，但从计算角度近似认为 不变是可取的。 如果在计算中忽略负荷，则短路前为空载状态，所有电源的次暂态电动势均 取为额定平均电压，即标么值是1 ，而且同相位。 i o 浙江大学硕士学位论文第三章短路电流计算方法 当短路点远离电源时，可将发电机端电压母线看作是恒定电压源，电压源取 为额定平均电压。 2 、在电网方面，作短路电流计算时可以比潮流计算简化。一般可以忽略线 路对地电容和变压器的励磁回路，因为短路时电网电压较低，这些对“地支路 的电流较正常运行时更小，而短路电流更大。 3 、鉴于负荷的不确定性，本文忽略负荷的影响。这样近似的可行性是因为 负荷电流较短路电流小得多。 3 5 计算中的优化方法 ( 1 ) 稀疏矩阵存储方法 电力网络的节点导纳矩阵是一个高度稀疏对称矩阵，分解后得到的三角矩阵 一般也是稀疏矩阵。为了节约内存及避免在计算机内对零元素不必要的运算，在 计算机内存中只存储导纳矩阵和三角矩阵的非零元素。本系统采用十字链表法存 储稀疏矩阵。 ( 2 ) 节点编号优化方法 目前，节点优化编号的方法很多，大致可以分为以下三类： 静态按最少出线支路数编号：这种方法也称为静态优化法。在编号之前，首 先统计电力网络各节点的出线支路数。再按节点出线支路数少的节点顺序编号， 当有n 个节点的出线支路数相同时，则可以按任意次序对这n 个节点进行编号。 动态地按最少出线支路数编号：这种方法也称为半动态优化法。每消去一个 节点后，立即修正尚未编号节点的出线支路数，然后选其中出线支路数最少的一 个节点进行编号，这样可以预期得到更好的效果。此方法和前一种方法的不同之 处就是在按出线数最少原则编号时考虑了消去过程各节点出现数目的变动情况。 动态的按增加出线数最少编号：这种方法也称为动态优化法。用以上两种方 法编号，只能保证消去过程中出现新支路的可能性减少，但并不一定保证在消去 这些节点时出现的新支路最少。比较严格的方法应该是按消去节点后增加出线数 最少的原则编号。 考虑到实际电网中，节点的出线不会太多，同时兼顾到编号的精确性，本系 统采用半动态优化方法，并且在将双回线当作单回线进行处理。 2 0 浙江大学硕士学位论文第三章短路电流计算方法 ( 3 ) 三角分解法求解导纳矩阵 本系统对于导纳矩阵的求解采用三角分解解法。在利用三角分解解法时，首 先应将方程组的系数矩阵进行三角分解。所谓矩阵的三角分解，是指把矩阵分解 成下三角矩阵和上三角矩阵的乘积。通常选下三角矩阵为单位三角矩阵，对此有 下述结论：如果方阵a 的前n 一1 阶主子式都不等于零，则可把它唯一地分解为 单位下三角矩阵l 和上三角矩阵r 的乘积：a = l r 。 2 l 浙江大学硕士学位论文第四章电网限流措施的最优配置 第四章电网限流措施的最优配置 近年来我国电网高速发展，随之而来的是短路电流急剧上升，导致部分母线 短路电流超过断路器开断能力的状况。解决这个问题的措施包括系统分层分区运 行，母线分段运行，加装串联电抗器，以及使用变压器中心点电抗等等，但传统 的计算方法非常繁锁，计算效率低，获得的限流措施也不尽理想。 本文提出一个电力系统限流措施的自动最优配置方法。该方法的基本思路是 将限流措施配置问题当作一个混和整数规划问题，然后采用求解混和整数规划的 算法获得限流措施配置方案。 4 1 限流措施的模拟 短路电流计算的核心是求解节点导纳矩阵方程： i = y v ( 4 1 ) 各种短路限流措施应用后，系统导纳矩阵y 发生变化，因此短路电流分布 也发生了变化。 4 1 1 分层分区模型 分层分区的模型见图4 1 ，基本思想是用o 1 变量模拟线路开合，修改节点 导纳矩阵。 图4 - 1分层分区模型图 展为分层分区要开断的线路，屏为o 一1 变量，若孱= o ，则表明该支路开断 运行，相关的导纳矩阵修改如下： 互导纳： 浙江大学硕士学位论文第四章电两限流措施的最优配置 自导纳： a , j ：为关联矩阵。 4 1 2 母线分裂 ( 4 - 2 ) ( 4 - 3 ) 在实际工程应用中，对i 号节点的母线进行分裂，变成f l 和j 2