（电力系统及其自动化专业论文）短路电流实时监视软件的开发及其应用.pdf

a b s t r a c t d u et ot h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n tf o r t h ee l e c t r i cp o 、v e r ，t h ei n s t a l l e dc a p a c i t yo f g e n e r a t o r sr a i s e sa b r u p t l ya sw e l la s 也er a t i oo f t h eb u l ku n i ta n dt h e 锄o u n to f a u t o 咖s f e r su s e di nt h ep o w e rs y s t e m c o n s e q u e n t l y ，i ns o m ea r e as h o r t c i r c u “ c u n n “e v e li s 印p m a c h i n gt oo r h a v ea l r e a d ye x c c c dt l l eb r e a k e r s a b m p tc a p a c i t y h o w e v e r ，t b eh i 曲e r - r a t ev 0 1 t a g eg i r d e r h a sn o ty e t 晰d e l yb e e nu s e d t 1 1 ee x c e s so ft h es h o r t c i l u “c u i t e n ti so n eo ft h eh i d d e nt r o u b l e so ft h ep o w e r s y s t e ms a f eo p e r a t i o n a tp r e s e n t ，c o n s i d e r i n gt h ec i r c u m 曲m c em a ts h o r t - c i r c u i t c u r r e ml i i n i t e r sa n dt l l el l i g h e r _ m t ev o l t a g eb r e a k e r sh a v en o ty e ta d v a t l c e d ，t 1 1 em o s t e m c i e n tm e a l l st oc o n t r o lt 1 1 es h o n - c i r c u i tc u n 七n ti sc h a l l g i n gt l l es t m c t u r eo ft h e p o 、c rn e t w o r k n e v e r t h e l e s s ，t l l e 丘e q u e ms w i t c ho p e r a t i o nf e s u l t si nt i l ea l t e m a t i o n o ft h et 叩o l o g yi nt h ep o w e rs y s t e m ，w h i c hm i g h tr e n d e rt l l ee x c e s so ft h e s h o n c i r c u i tc 岍e n ti ns o m eb r e a k e r s g i v e nm em e n t i o n e da b o v e ，i ti sn e c e s s a r yt o m o l l i t o rt l l ec o n d i t i o no f t h eb r e a l 【e r si nt l l ep o w e rs y s t e ma n dc h e c ki tb yt h es t a i l d a r d o f i n t 唧t i n gc a p a c 卸o f m eb r e a k e r s 1 1 1 ea u t o c h e c ko fs h o r t c i r c u i tc l l 玎e n ta p p l i c a t i o n ，如i c hh a so p e r a t e df o rn e 砌y o n ey e a ri i lt l l ez h e j i a n ge l e c t r i cp o o la i l dh a sb e e na u t l l e i n i c a t c di nf e b 2 0 0 6 ，w a s d e 、，e l o p e du n d e rt h ec o l l a b o r a t i o no fz h e j i a l l gu l l i v e r s i t yp o w e rs y s t e ma m 舳a t i o n r e s e a r c hc e n t e ra n dz h e j i 柚ge l e c t r i cp o w e r c o m p a n yd i s p a t c l l i n ga l l dc o m m l l l l i c a t i o n c e n t e r i nt h i st l l e s i s ，1 l l e 胁d a m e n t a ld c v e l o p i n gp m c e s so ft h i sa p p l i c a t i o ni s 抽们d u c e dl a c o l l i c a i l y ，a n dm ei m p o n a l l c ei sa t t a c h e dt o 山eo p e r a t i o nc i r c 啪s t a l l c e s o fm i sa p p l i c a t i o ni nz h e j i a i l gp r o v i n c ee l e c t r i cn 曲 ，o r ka f t e ri t si m p l e m e n t k e y w o r d s ：s l l o r tc 沁u i tc u n 即t ，c i r c u i tb r e a k r e a l 前m ec h e c k ，c i m l v 浙江人学硕上学位论史第一章绪论 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) 之问的连接，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【1 】。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，乌兽跨接 在裸露的载流部分等f 1 】。 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： sd = 面n 1 0 人 式中u 。为短路点所在电网的额定电压( k v ) ，i j 为短路点三相短路起始次 浙江大学硕十学位论文 第一章绪论 暂态电流( k a ) 。用平均额定电压替代u 。时 s d = 凰一j = 国一1 ，x 盖1 1 | | 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 j 的标么值相 等【2 。 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 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。 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。 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。 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 ) ) ) ) n 浙江人学硕上学位论文第一章绪论 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问产生很强的电磁场，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 3 。 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1 1 所示的规定。 表卜1 短路电流控制水平 i 电压等级k v 1 0 3 56 31 1 02 2 0 3 3 05 0 0 l 短路电流k a 1 61 6 2 02 54 05 05 0 1 1 5 短路电流的计算目的 短路电流的计算主要是为了解决以下几个方面的问题：( 1 ) 作为选择电气设 备( 电器、母线、瓷瓶、电缆等) 的依据。( 2 ) 继电保护的设计和调整。( 3 ) 接 线图的比较和选择。另外，在确定线路对铁道讯号系统和通讯的干扰影响，以及 进行事故分析时，都要计算短路电流【4 】。 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 3 年至2 0 0 5 年浙江省电网规模如下表卜2 所示。截止2 0 0 5 年底，浙江 电网统调电厂的装机容量如表1 3 所示。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 表卜22 0 0 3 年至2 0 0 5 年浙江省电网规模筒表 2 0 0 3 年底2 0 0 4 年底2 0 0 5 年底 统调装机铭牌容量 1 0 8 9 8 m w1 1 7 8 3 m w1 6 5 3 6 m w 5 0 0 k v 变电所 71 01 6 5 0 0 k v 主变 1 42 5 3 4 5 0 0 k v 线路 2 8 4 05 7 省际5 0 0 k v 联络线 777 2 2 0 k v 变电所 9 7 1 2 21 6 2 2 2 0 k v 主变 1 8 12 2 12 7 4 2 2 0 k v 线路 2 4 73 1 3 最高统调罄点负荷1 5 6 8 6 m w1 7 5 0 0 m w 2 1 0 0 0 m w 表卜32 0 0 5 年浙江电网统调发电机组年底容量统计( 单位：m w ) 电厂 装机容量 嘉兴电厂2 3 0 0 = 6 0 0 嘉兴二厂4 6 0 0 = 2 4 0 0 半山电厂2 5 0 十2 1 2 5 = 3 5 0 半山天然气 2 3 9 0 = 7 8 0 长兴电厂2 1 2 5 = 2 5 0 长兴二厂2 3 0 0 + 3 0 0 = 9 0 0 萧山电厂 2 1 2 5 = 2 5 0 萧山燃机1 3 9 0 = 3 9 0 秦山核电厂1 3 0 0 = 3 0 0 北仑电厂5 6 0 0 = 3 0 0 0 钱清电厂 2 1 2 5 = 2 5 0 镇海电厂4 2 0 0 + 3 xl o o ；1 1 0 0 丰山燃机3 2 6 0 = = 7 8 0 台州电厂1 1 3 5 + 5 1 2 5 + 2 3 3 0 = 1 4 2 0 温州屯厂2 x 】2 5 + 2 3 0 0 + 2 3 0 0 = 1 4 5 0 龙湾电厂3 1 0 0 = 3 0 0 长广电厂2 2 5 + l 5 0 + 1 3 5 = 2 3 5 金华燃机 2 3 7 + 2 1 8 十1 5 0 = 2 6 0 台塑电厂 2 x1 5 0 _ 3 0 0 衢化热电 2 x 6 + 1 1 2 + 2 2 5 + 3 5 0 = 2 2 4 温州东屿 2 5 火电核电总计 1 5 5 6 4 乌溪江水电厂4 4 2 5 + 1x1 0 0 = 2 7 0 紧水滩水电厂6 5 0 = 3 0 0 珊溪水电厂4 5 0 = 2 0 0 黄坛口水电厂4 7 5 + 2 2 6 = 8 2 石塘水电厂3 2 6 = 7 8 4 浙江大学硕士学位论文第章绪论 电厂装机容量 百丈际水电厂 4 2 水电总计 9 7 2 总计1 6 5 3 6 2 0 0 6 年浙江电网仍将保持较高增长速度。计划新建项目主要有：新增机组 1 3 台，容量4 7 4 7 m w ，5 0 0k v 新建变电所3 座，扩建变电所4 座，新建主变7 台，新增容量5 2 5 0 m v a ，2 2 0 k v 新建变电所2 8 座，扩建变电所1 3 座，新增主 变5 1 台，新增容量8 6 4 0 m v a ，5 0 0 k v 新增线路1 4 回，2 2 0k v 新增线路8 4 回。 预计2 0 0 6 年浙江省用电需求随着省内机组的陆续投产及省外购电形式的好转， 除夏季高峰可能出现短时间缺电外，全年大部分时间用电可以基本平衡，低谷和 腰荷时段还可能出现少量过剩。 1 2 2 浙江省电网短路电流的现状 表1 - 4 中的数据取自浙江省电力公司印发的浙江电网2 0 0 5 年短路电流表， 表中所列电流系指三相和单相短路电流周期分量的次暂态千安值。计算条件采用 2 0 0 5 年来浙江电网最大运行方式，即电厂机组全出力，电网网架全接线。表1 5 为2 0 0 4 和2 0 0 5 年设备跳闸情况。 表1 4 浙江电网2 0 0 5 年短路电流表 厂站名称 短路母线三相电流( k a ) 单相电流( k a ) 5 0 0 k v 母线2 9 7 22 5 5 8 5 0 0 k v 富阳变 2 2 0 k v 母线 2 8 5 2 3 2 4 6 5 0 0 k v 母线i 4 2 3 1 3 7 0 8 5 0 0 k v 母线i i3 1 4 3 2 6 1 9 5 0 0 k v 瓶窑变 2 2 0 k v 母线i 4 0 4 8 4 2 5 4 2 2 0 k v 母线i i3 9 2 23 8 5 3 5 0 0 k v 母线5 2 3 8 4 8 9 1 5 0 0 k v 乔司变 2 2 0 k v 母线 4 4 4 1 5 0 0 2 5 0 0 k v 母线f2 8 9 5 2 8 4 5 5 0 0 k v 天荒坪 5 0 0 k v 母线i i 2 8 9 5 2 8 4 5 5 0 0 k v 母线i i i2 8 9 5 2 8 4 5 5 0 0 k v 母线 4 5 8 3 4 0 7 2 5 0 0 k v 涌潮变 2 2 0 k v 母线 4 0 4 8 4 5 8 2 5 0 0 k v 母线3 1 4 3 2 5 5 8 5 0 0 k v 含山变 2 2 0 k v 母线 2 7 2 8 2 9 4 1 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 5 0 0 k v 嘉兴二期 5 0 0 k v 母线3 2 3 53 3 3 3 5 0 0 k v 秦山二厂5 0 0 k v 母线 4 5 8 34 6 2 6 5 0 0 k v 母线i 4 0 7 43 9 2 9 5 0 0 k v 秦山三期 5 0 0 k v 母线i i 4 0 7 4 3 9 2 9 5 0 0 k v 母线 6 1 1 15 8 5 5 5 0 0 k v 王店变 2 2 0 k v 母线 4 2 o l4 7 2 2 5 0 0 k v 母线 2 4 4 4 2 2 6 5 0 0 k v 丹溪变 2 2 0 k v 母线 3 5 5 53 8 2 2 5 0 0 k v 兰溪厂5 0 0 k v 母线 1 5 4 9 1 2 8 9 5 0 0 k v 母线2 2 4 52 1 5 7 5 0 0 k v 双龙变 2 2 0 k v 母线 3 9 ， 4 4 1 3 5 0 0 k v 北仑电厂5 0 0 k v 母线 3 4 3 8 3 7 5 5 0 0 k v 母线3 2 3 52 9 7 3 5 0 0 k v 河姆变 2 2 0 k v 母线 3 4 8 64 0 3 2 5 0 0 k v 母线 2 3 4 2 1 4 3 5 0 0 k v 宁海变 2 2 0 k v 母线2 3 92 7 2 8 5 0 0 k v 强蛟厂5 0 0 k v 母线 2 0 7 5 1 8 1 3 5 0 0 k v 母线3 2 3 53 2 0 4 5 0 0 k v 天一变 2 2 0 k v 母线i 3 5 3 53 9 4 2 2 2 0 k v 母线i i 2 5 3 52 7 8 9 5 0 0 k v 母线 3 7 1 3 3 3 3 5 0 0 k v 风仪变 2 2 0 k v 母线3 5 8 63 9 6 3 5 0 0 k v 母线4 5 。8 34 3 2 5 5 0 0 k v 兰亭变 2 2 0 k v 母线 4 6 4 8 4 4 5 5 5 0 0 k v 母线1 8 9 71 7 8 4 5 0 0 k v 塘岭变 2 2 0 k v 母线 3 2 6 3 6 9 1 5 0 0 k v 桐柏 5 0 0 k vi 母1 3 。9 2 1 0 。0 6 5 0 0 k v 母线 1 7 7 4 1 8 5 4 5 0 0 k v 瓯海变 2 2 0 k v 母线 3 8 0 34 5 5 0 0 k v 母线 1 5 2 8 1 5 3 5 5 0 0 k v 温南变 2 2 0 k v 母线2 7 5 83 1 1 2 表卜52 0 0 4 2 0 0 5 年设备跳闸情况 2 2 0k v 设备跳闸2 0 0 4 年 2 0 0 5 年 单相短路 8 3 “3 线路条次 相间短路1 13 3 无故障0o 合计 9 4 1 4 6 机组台次3 0 0 槲以上3 72 2 3 0 0 1 1 l 以下2 93 8 燃机3 62 9 6 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 合计 9 88 9 主变 71 7 变压器台次后备 1l l 合计82 8 母线23 注：未计入台风影响 2 0 0 6 年，浙江电网基建项目投产规模大，部分枢纽变电站的5 0 0 k v ，2 2 0 k v 母线短路电流将接近或超过设备允许值，主要存在以下一些问题： ( 1 ) 华东电网规模快速发展，5 0 0 k v 电网短路电流水平上升较快。2 0 0 6 年，兰 亭边变，王店变5 0 0 k v 母线三相短路电流分别达到4 9 7 k a 和6 1 3 k a 接近 其开关遮断容量。 ( 2 ) 在半山天然气三台机组并网后，民双2 p 7 0 、乾元一风鸣保持合环，则乔司 变、王店变2 2 0 k v 单相短路电流将超过5 0 k a ：在5 0 0 k v 西塘变投产后， 王店变2 2 0 k v 三相短路电流水平也将超过5 0 k a 。 ( 3 ) 5 0 0 k v 舜江变及涌潮变第三台主变投产后，涌潮变、兰亭变2 2 0 k v 三相及 单相短路电流水平均超过5 0 k a 。 ( 4 ) 5 0 0 k v 河姆变第三台主变投产后，河姆变2 2 0 k v 单相短路电流水平接近 5 0 k a 。 1 3 本文所做的工作 本硕士论文的主题通过参与短路电流实时监视系统的开发，分析该软件在浙 江省电网中的应用，并通过算例验证软件的有效性和实时性。 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 路电流产生的原因、影响短路电流水平的因素、短路引起的危害以及短路电流计 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 接线形式和运行方式、加限流电抗器、采用故障限流器等不同的限制措施。 第三章分析短路电流的计算原理和常用方法，重点介绍了本文采用的实时短 7 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 路电流计算方法中采用的近似处理、优化方法和创新点。 第四章介绍短路电流实时监视系统软件，包括软件的结构、界面和参数设定、 软件的功能以及软件算法原理框图。 第血章是本论文的重点，通过实例详细说明短路电流实时监视系统在浙江省 调度中心的良好运行情况。并对软件离线、实时和研究态三种情况下的计算结果 进行了验证。 第六章对本软件进行了展望，介绍了基于c i m 模型的短路电流实时监视软 件。 第七章对全文进行了总结。 浙江大学碘十学位论文 第二章限制短路电流的措施 第二章限制短路电流的措施 根据表1 一l 和表1 4 中所列的浙江电网5 0 0 k v 变电所短路电流表，我们 可以发现，诸如乔司变、瓶窑变、涌潮变、王店变、兰亭变等的短路电流已经接 近或超过短路电流的控制水平。5 0 0 k v 短路电流的控制水平为5 0 k a ，但像王店 变的最大三相短路电流和单相短路电流分别已达6 1 1 l k a 和5 8 5 5 k a ，大大超过 了5 0 k a 这个控制水平。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，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 1 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 9 浙江人学硕，学位论文 第二章限制短路电流的措施 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 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【6 】。 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工，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 l 或k 2 点) 或厂外( k 3 点) 短路时，电抗器 浙江大学硕士学位论文 第二章限制短路电流的措施 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 。 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 )( b ) 图2 3 ( c ) 浙江大学硕士学位论文 第= 章限制短路电流的措施 两个分支的直感相同，每个分支的直感电抗扎= w l 。两个分支问有磁的耦 合，若互感为m ，则互感系数为： 厂：丝：丝( f 一般为o 4 o 6 ) 2 了i i 2 了 一般力u 4 u 式中，上。、三：分支1 和2 的电感。 于是，互感抗为 x m = w m = w 酵= 扛l 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 u = i x l j h m = h l q f 、 若取厂= 0 5 ，则u = o 5 扛。，即正常运行时，电抗器的运行电抗为o 5 札。 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 u = 乃吒，即短路时，电抗器的电抗为吒。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f 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，有利于设备布簧，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 盯e n tj i m i t c 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 1 2 浙江大学硕士学位论文 第一：章限制短路电流的措施 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f 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：利用超导的超导一正常态转换特性，正常运行时，通过 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 7 。 2 4 采用低压分裂绕组变压器 当发电机容量较大时，采用低压分裂绕组变压器，组成扩大单元接线，如图 2 - 4 ( a ) 所示。由于分裂绕组变压器在正常工作和低压侧短路时其电抗值不相同， 从而起到限制短路电流效果。 ( a ) 太 ( b )( c ) 图2 4 x 1 2 浙江大学碗i 学位论文第二章限制短路电流的措施 设一为高压绕组电抗；x ：和x ：。分别为高压绕组开路时，两个低压分裂绕组 的漏抗；x ，：为高低压绕组丁f 常工作时的等值电抗。 由图2 4 ( b ) 等值电路可知，在正常工作时，若通过高压绕组电流为i ，每个 低压绕组流过相同的电流为抛，其电压降关系式为 = 峨+ 知故得硝+ 扛 正常工作时的等值电流图如图2 4 f c ) 所示。 假设高压侧开路，低压侧一台发电机出口短路，通过两分裂绕组的电抗为 t - 2 * = x 2 ，+ x 2 。如果x 2r = z 2 则x 2 2 = 2 x 2 所以= _ + 去嘞 可见，低压分裂绕组正常运行时的电抗值，只相当于两分裂绕组短路电抗的 1 4 。当一个分裂绕组出线( 如2 ) 发生短路时，来自另一台发电机的短路电流 将遇到：一( 及2 t ) 的限制，来自系统的短路电流则遇到一十墨= + 三矗：。的 限制，这些电抗值都很大，能起到限制短路电流的作用。所以，对大容量发电机 组，特别是复式双轴气轮发电机组或具有双绕组的发电机，采用低压分裂绕组接 线比较方便。如用于厂用高压变压器，可将两个低压分裂绕组接至厂用电的两个 不同的分段上。低压分裂绕组变压器，今年来在我国大容量发电厂中已逐步得到 应用 5 】。 2 5 电压等级协调发展 2 5 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。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 j 4 浙江人学硕上学位论文 第一章限制短路电流的措施 表21 国外最高电压与火电机组及线路送电容量的关系 最高电压( k v )最大火电机组( m w )每回线路输送容量( m w ) 2 2 0 2 3 05 0 1 0 01 5 0 2 5 0 3 3 0 3 4 52 0 0 3 0 03 0 0 6 0 0 3 8 0 4 0 02 5 0 6 0 04 0 0 8 0 0 5 0 03 0 0 8 0 09 0 0 1 2 0 0 7 3 5 7 5 51 0 0 0 1 3 0 0 1 5 0 0 2 5 0 0 对用户负荷，也要按其大小选择适当的供电电压。要防止用户选择较低电压 供电，也要避免大电厂向附近较小用户供电，否则既不经济，还会造成低压网络 短路容量增加过大。如日本规定1 0 5 0 k v 负荷用6 6 k v 或7 7 k v 电压供电，5 0 m w 以上用1 5 4 k v 电压供电【8 】。 2 5 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 高一级电压后，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。如日本2 7 5 k v 系统的 短路电流水平到7 0 年代几乎达到极限值5 0 k a 。电压升高至5 0 0 k v 后，2 7 5 k v 系统的短路电流水平缓慢下降 8 】。我国也曾在2 2 0 k v 电网发展后，不少系统把 1 l o k v 或6 6 k v 电网解为互不相连的地区电网。如京津唐电网的南苑变电所1 1 0 k v 母线的短路容量曾达到6 0 0 0 m v a 以上，在2 2 0 k v 电网成环，l l o k v 电网解开分 片运行后，短路电流水平大大下降。 这种方法是限制短路电流的最根本、最有效的方法。若单纯为了限制短路电 流而采用高一级的电压，在建设费用上必然不如加装电抗器便宜。然而，在单回 输电的情况下，为了提高系统的稳定性，使送电容量大幅度增加，以适应系统的 发展，应采用此法作为限制短路电流与提高系统稳定的措施f 9 1 。 塑垩查兰堡圭堂垡堡兰 兰三童堡型堑堕皇鎏! ! 塑堕 2 6 其他措施 2 6 1 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。赢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 】。 2 6 2 采用微机保护和高速断路器 从短路电流分析可知，发生短路故障后约1 0 m s 时间出现最大短路冲击电流， 采用微机保护仅需5 0 m s 就能断开故障回路，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 6 3 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一线路单元连接到距其最近的枢杠变电所的母线上，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。 浙江人学硕士学位论文 第三章短路 n 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 】) u ，( 1 ) i u 巾一( 1 ) ，( 1 ) u ，( 2 ) = 一乃( 2 ) ，( 2 ) u ，( o ) = 一乃( o ) ，( o ) 三序边界条件： 1 单相接地短路 2 两相短路 ( 3 1 ) ( 3 2 ) o ， = o 0 ， “ = u ” +2 ， 九 = u ” + ， ” ， “ u ，：【 浙江_ 大学硕l 学位论文 第三章短路电流计算方法 3 两相短路接地 = 0 = o 阮“m ，+ 严o l u ，f 1 ) = u ，( 2 ) = u ，( o ) 4 三相短路 由上述各式可得故障点三序电流。 1 单相接地短路： 2 丽岽高 2 两相短路 3 两相短路接地 l m 2 - 赫 ，+ 藏 ；一； ( o ) d 1 2 ) 一n ( 1 ) 藏 k 、一； ( 2 ) n ( o ) 一“m 裁 4 三相短路 ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 九 九 u ， 旺 却 ， “ = 1 1 h 以 ，l 划卸以 l i l i h h 一 = ， ， 浙江大学顿十学位论文第三章短路 b 流计算方法 u r f o f z ( 】) ( 3 9 ) 根据z 删) 、( 。) 、z 州。) 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) z f l z f z n z w u u 2 u f u 。 ( 3 一l o ) 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 【1 0 】。 u ，( 1 ) = u t h z 州”，( 1 ) u t ( 2 ) = 一z j ，( 2 ) ，( 2 ) u ，( o ) = 一z ，( o ) ( 3 一1 1 ) 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 3 2 简单故障计算 3 2 1 三相短路电流的实用计算 电力系统短路电流的实用计算，必须采用简化的方法，在满足工程计算准确 度要求的前提下，力求计算简便。为此，通常作如下简化f 2 】： j 9 o 0 - ， o 矿iiiiiiiiioioi0业 瓦瓦瓦 浙江大学硕十学位论文 第三章短路电流计算方法 ( 1 ) 不考虑同步电机之间摇摆的影响，即认为短路暂态过程中各电机空载电势 间的相位差保持不变。 ( 2 ) 短路电流中倍频交流分量略去不计，非周期分量仅作近似的计算。 ( 3 ) 有多台同步电机的电力系统中，短路电流周期分量的变化规律，看作和一 台同步电机短路电流周期分量的变化规律相同。 ( 4 ) 电力线路对地电容及变压器的等值励磁接地支路都略去不计。另外，变压 器和高压线路的电阻也可略去不计。电缆和低压线路电阻和电抗的比值较 大，用纯电抗表示时，电抗值可用阻抗模值( + x 2 ) ( 5 )电力系统负荷根据计算任务作不同的简化处理。 三相短路为对称故障，在以上简化的基础上，它的计算方法主要有： 对称短路的第一种计算方法就是在电力系统三相同一点上直接接地或经一 很小的阻抗( 如电弧电阻) 三相短接。在单相电路图上就是在短路点直接接地或 经一电阻r 接地。这种短路故障并不破坏整个系统的对称性，所以对称短路电 流的计算与一般的对称三相电路的计算没有什么本质差别。 计算短路电流也可以应用迭加原理，即对于一个具有唯一解的线性电路，有 几个独立电源共同作用所形成的各支路电流或者电压，是各个独立电源分别单独 作用的结果时在各相应支路中形成的电流或者电压的迭加。 故障后的网络状态可以看成是两种情况的迭加，一种是故障前的状态见如图 3 1 ( a ) ，即正常运行方式的计算结果，还有一种是各发电机的电动势均为零， 而仅在故障点d 加一电动势，该电势值刚好与第一种情况下故障点d 的电压v d 相等，但方向相反，如如图3 一l ( b ) 所示。这样当两种情况迭加时，刚好使故障 点d 的电压在单相图中等于零，相当于三相短路。按第二种情况计算所得的电 流即短路电流中的故障分量，与第一种情况的计算结果迭加起来，就可得到总的 短路电流【1 1 】。 浙江大学硕士学位论文 第三章短路电流计算方法 图3 一l 对称短路电流迭加原理的应用 如果是计算三相短路电流周期分量，那么也可以用运算曲线法，即应用事先 制作的三相短路电流周期分量的曲线进行计算。这种近似计算方法在工程上是常 采用的，因为电力系统三相短路后任意时刻的短路电流周期分量的准确计算是非 常复杂的。 运算曲线是根据如图3 2 ( a ) 的电路制作的。计算条件为三相短路前发电机 以额定电压满载运行，高压母线负荷l 为发电机额定容量的一半，c o s 够= o 9 ( 滞 后) ；其余的一半负荷在短路点d 以外；同步发电机采用有代表性的典型参数。 计算d 点三相短路的等值电路示于如图3 2 ( b ) ，其中负荷l 用恒定阻抗z ，代 替。根据这个等值电路，对不同而值( 表示