电力系统分析课程设计

目 录 1 短路故障的基本知识 1 1 1 短路故障的概述 1 1 1 1 发生短路故障的原因 1 1 1 2 发生短路故障时的后果 1 1 2 标幺制 2 1 2 1 标幺制 2 1 2 2 标幺值的优点 2 2 称分量法在不对称的短路计算中的应用 3 2 1 不对称三相量的分解 3 2 2 正序等效定则 6 3 电力系统不对称短路计算示例 7 3 1 各个元件等效电抗标幺值的计算 8 3 2 计算出各序的等值电抗 9 3 3 求取各相电流电压 10 3 4 电流电压相量图 11 4 课程设计结论 12 5 总结与体会 13 6 致谢 14 7 参考文献 15 1 电力系统的安全 稳定 经济性的运行 对于各个从事与电力行业相关的工 作者来说都是最理想的工作状态 但是随着电力系统的运行过程中总会难以避免 有故障的产生 伴随着电力系统故障的产生且电力系统故障的多样性 所以现如 今电力系统分析这门学科也成为了电气专业最热门 必不可缺的课程之一 电力 系统故障分析的方法多年来亦成为了电力行业学术研究的热点 引起电网不对称的原因 超高压架空输电线路不换位 变压器结构不对称 交直流变换器的存在 系统负荷不平衡 系统中存在非线性的元件 电力系统可能发生的故障主要可分为短路故障和断路故障 短路故障属于横 向故障 其中发生概率最大的是单相短路故障 短路故障是指一切不正常的相与 相之间或相与地的 或中线 之间发生导通的情况 因为短路故障引起的电流要比电力系统正常运行时的电流大的多 其冲击效应与 热效应都会对电器设备造成损害 同时短路故障改变了电力系统的网络结构 因此对发电机的输出功率都有影响 严重时可成发电机之间的失步 使得电 力系统失去稳定 因此必须对电力系统的各种暂态情况进行分析研究 根据分析 结果选择相应的保护设备 1 短路故障的基本知识 1 1 1 1 短路故障的概述短路故障的概述 电力系统在运行时可能受到各种扰动 例如负荷切换以及系统内个别元件老化引起 不同相之间或相线与地线之间发生的短路等 这些扰动如果使得电力系统不能正常运行 就成为电力系统故障 如果电力系统中只有某一处发生故障称为简单故障 如果有两个 及以上的简单故障发生 则成为复杂故障 1 1 11 1 1 发生短路故障的原因发生短路故障的原因 常见的有 1 元件的绝缘自然老化发展成为短路 2 因雷击或过电压引起的电弧放电 风 雪等自然灾害引起的电杆倒塌 3 人为的违规操作 4 其他 如鸟兽等生物跨接裸露导线等造成的短路 1 1 1 1 2 2 发生短路故障时可能产生发生短路故障时可能产生的的后果后果 2 1 通过短路点的很大短路电流和燃烧所以起得电弧使短路点的元件发生故障甚至 损坏 2 短路电流通过非故障设备时 由于发热和电动力作用 引起他们使用寿命缩 短甚至损坏 3 电力系统中部分地区的电压大大降低 是大量电力用户的正常工作遭到破坏 4 破坏电力系统中各发电厂之间并列运行的稳定性 引起系统震荡甚至系统崩溃 短路故障又可以分为三相接地故障 用 K 3 表示 单相接地故障 用 K 1 表示 两项短接故障 用 K 2 表示和两相接地短路故障 用 K 1 1 表示 在三相交流电力 系统发生的各种短路故障中 单相接地短路所占的比例最高 其次为两相短路故障 以及两相接地短路故障 三相短 路故障所占的比例最小 且电力系统短路故障大 多数发生在架空线路部分 约占 70 以上 由上述可知 一般情况下单相短路 两相相间短路 两相对地短路的故障占所有故 障类型中的大多数 即不对称类型的故障为主流 因此我们主要研究不对称故障的 电路故障情况 1 2 1 2 标幺制标幺制 1 2 11 2 1 标幺制标幺制 就是把各个物理量均用标幺制来表示的一种相对单位制 标幺制 perunit 电路计算中各物理量和参数均以其有名值与基准值的比值表示的无 量纲体制 例如物理量 A 有其相应基准值 AB 则 A 的标幺值 A A AB 电力系统分 析与计算采用标幺制 便于直观和迅速地判断系统元件参数 状态变量的正确性 并能 大量简化计算 在电力系统分析中 还经常采用一种相对单位制称为标幺制 在标幺制中 各不同 单位的物理量都要指定一个基准值 这个基准值用下标 B 表示 A A 有名值 AB 与A同单位 例如 220kV 级线路上某点电压 231 kV 若取电压的基准值为 220 kV 则该点电压 的标幺值为 U 225 220 1 05 1 2 21 2 2 标幺值的优点标幺值的优点 3 能够简化计算公式 交流电路中 用标幺制计算时通过选择不同的基准值 线 电压与相电压的标幺值相等 三相功率与单相功率的标幺值相等三相电路与单相 电路的计算公式相同 电力系统共有五个参数 通常电力系统中选取基准功率 SB 和基准电压 UB 后 另三个基准量由下式确定 3 3 1 BBB BBB B B SI U UI Z Z Y 常取 S B 100 MVA S B 1 0 0 M V A 1 求出各元件的参数值并按变压器的实际变比归算到基本级 2 选取三相功率的基准值 SB 和令 UB UN 基本级的额定电压 3 将归算到基本级的各元件参数的有名值除以相应的基准值 22 22 BB BBB BB BBB SSZ ZZRjX ZUU UUY YYGjB YSS 3 B B BB U U U UI II IS 2 称分量法在不对称的短路计算中的应用 2 12 1 不对称三相量的分解不对称三相量的分解 人们在长期的实践中发现 在三相电路中 任意一组不对称的三相相量 电 压或电流 可以分解为三组三相对称的相量分量 式 2 1 在线性电路中 可 以用叠加原理对这三组对称分量按照三相电路去解 然后将其结果叠加起来 就 是不对称三相电路的解答 这个方法就叫做对称分量法 4 设 Fa Fb Fc 为三相系统中任意一组不对称的三相量 可以分解为三 组对称的三序分量如下 1 2 0 1 2 0 1 2 0 aaaa bbbb cccc FFFF FFFF FFFF 正序分量 1 1 1 abc FFF 三相的正序分量大小相等 彼此相位相差 120 与系 统正常对称运行对称运行方式下的相序相同 达到最大值 a b c 在电机内 部产生正转磁场 这就是正序分量 此正序分量为一平衡的三相系统 因此有 1 1 1 0 abc FFF 负序分量 2 2 2 abc FFF 三相的负序分量大小相等 彼此相位相差 120 与 系统正常对称运行对称运行方式下的相序相反 达到最大值 a c b 在电机内 部产生反转磁场 这就是负序分量 此负序分量为一平衡的三相系统 因此有 2 2 2 0 abc FFF 零序分量 0 0 0 abc FFF 三相的零序分量大小相等 相位相等 三相的零序 分量同时达到最大值 在电机内部产生磁漏 其合成磁场为零 这就是零序分量 任选一相 这里选 A 相 电流作为基准相量 就可以得到这三个不对称的电流分 量与所分解的三组相量之间的关系为 正序分量 负序分量 零序分量 5 120 2 120102 2 120102 AAAA BBBBAAA CCCCAAA IIII IIIIa IaII IIIIaIa II 同时 上式也可以写书写成矩阵形式 11 2 22 2 00 111 1 1 AAA BAA CAA III IaaIT I aa III 式中的矩阵为对称分量变换矩阵 用 T 表示 上式还可以写成为 I ABC TI120 如果已知三个序相量 就可以通过 T 的逆变换求出三个不对称的电流相量即 1 2 21 2 0 1 1 1 3 111 AAA ABB ACC III aa IaaITI III 式中的 1 是 的逆矩阵 对称分量法本质上是叠加原理的应用 所以只有当系统为线性时才能使用 一般情 况下 电力系统可以看作是线性系统 当电力系统出现不对称短路时 采用对分量 法可以简化分析过程 减少计算工作量 同样的 对于不对称的三相电压 也可以用对称分量法进行分解 任选一项 这 里选 A 相 电压作为基准相量 则有 6 11 2 22 2 00 111 1 1 3 1 AAA BBB CCC UUU UaaUT U aa UUU 上式可以简写为 UABC TU120 1 2 21 2 0 1 1 1 3 111 AAA BBB CCC UUU aa UaaUTU UUU 同理如上可以简写为 1 120ABC UT U 2 22 2 正序等效定则正序等效定则 简单不对称短路电流分析计算过程 1 画出正序 负序和零序图 2 求出系统对短路点的各序参数 3 再根据不对称短路的特点 列出边界条件 4 推导出序电流和序电压的关系 5 画出直观的复合序网络图 6 求出短路点的正序电流 短路点基准相的正序电流表达式可以写成一个通用表达式 1 1 1 KK K KKA E I jXZ 在简单不对称短路故障的情况中 短路点基准相的电流的正序分量 与在短 路点的每一相中加入附加阻抗 ZA 而发生三相短路时的电流相等 正序 等效定则 上式可以简写为 7 T2 G2 短路类型短路类型 符号符号 直接短路直接短路 经阻抗短接经阻抗短接 单相短路单相短路 K K 1 1 jXjXkk kk2 2 jX jXkkkk0 0 jXjXkkkk2 2 jX jXkkkk0 0 3Z 3Zf f 两相短路两相短路 K K 2 2 jXjXkk kk2 2 jXjXkkkk2 2 Z Zf f 两相接地短路两相接地短路 K K 1 1 1 1 jXjXkk kk2 2 jX jXkkkk0 0 Z Zf f jX jXkk kk2 2 Z Zf f jX jXkkkk2 2 Z Zf f 3Z 3Zg g 3 电力系统不对称短路计算示例 已知某系统接线如图四所示 各元件电抗均已知 当 k 点发生 BC 两相接地短 路时 求短路点各序电流 电压及各相电流 电压 并绘出短路点的电流 电压 相量图 解 各序等效电路图如下图所示 正序等效电路 G1 K T1 115KV L 8 负序等效电路 零序等效电路 3 13 1 各个元件等效电抗标幺值的计算各个元件等效电抗标幺值的计算 取 SB 100MVA UB UAV 发电机 G1 d 1 100 0 1250 25 10050 B N XS X S 2 1 100 0 160 32 10050 n N XS X S 发电机 G2 d 1 100 0 1250 25 10050 B N XS X S 2 1 100 0 160 64 10025 n N XS X S 变压器 T1 120 10 5100 0 175 10010060 KB N US XXX S 变压器 T2 9 120 10 5100 0 333 10010031 5 KB N US XXX S 线路 L 121 22 100 0 40 50 15 115 B B S XXx l U 01 220 150 30XX 1 0 3330 5 1 0 250 1750 15 1 0 250 1750 150 3330 5 a jjjj Ej j 1 0 250 1750 15 0 3330 5 0 289Xjjj 2 0 320 1750 15 0 3330 64 0 388Xjjj 3 3 2 2 计算出各序的等值电抗计算出各序的等值电抗 以 A 相为基准相作出各序网络图 求出等值电抗 120 XXX 由对称分量法得出的边界条件 1200aaaaIIII 120 1 3 aaaaUUUU 有以上得出的边界条件可以绘出复合序网图如下所示 由复合网求各序的电流和电压可以求得 10 1 1 20 1 20 0 21 20 2 21 20 1 2 385 0 3880 196 0 289 0 3880 196 0 196 2 3850 80 0 3880 196 0 196 2 3851 585 0 3880 196 a a aa aa Ej I jXjXjj jjX jjjXjX X II XX X II XX 20 1120 20 0 3880 196 2 3850 311 0 3880 196 aaaa jXjXjj UUUIj jXjXjj 3 3 求取各相电流电压求取各相电流电压 求出各序电压电流后 通过 T 变换就可以求出短路点各相电压和电流 通过对 称分量法中的 T 变换 就可以求出故障时短路点的电流 2 120 2 120 baaa caaa Ia Ia II Ia Ia II 1202 3850 800 1 5850aaaaIIII 2 1201202 385 120 0 800 240 1 585 2 3782 7583 642 130 77 bbbbaaaIIIIa IaII j 2 1201202 385 120 0 800 240 1 585 2 3782 7583 642 130 77 ccccaaaIIIIaIa II j 11201330 3110 933aaaaaUUUUUj 11 2 11200 311 90240 0 311 90120 0 311 900 baaaUa UaUU 2 11200 311 90120 0 311 90240 0 311 900 cccaUaUa UU 3 3 4 4 电流电压相量图电流电压相量图 12 4 课程设计结论 本课程设计解决不对称短路的问题核心是对称分量发 根据对称分量发才去 的具体方法之一是解析法 即把该网络分解为正 负 零序三个对称序网 这三 组对称序分量可分别按对称的三相电路分解 然后将其结果叠加起来 求解不对 称短路 首先应该计算各元件的序参数和画出等值电路 然后制定各序网络 根 据不同的故障类型 确定出以相分量法表示的边界条件 进而列出以序分量表示 的边界条件 按边界条件将三个序网联合成复合网 由复合网求出故障处各序电 流和电压 进而合成三相电流电压 同步发电机的正序等效电路为一个由正序电 动势加正序电抗 一般近似计算时忽略点抗不记 构成的等效电源 零序和负序等 效电路则由零序和负序电抗分构成 零序电抗 负序电抗和正序电抗均不相等 变压器得正序 负序和零序得等效电阻相等 变压器的正序 负序等效电路都是 直接与外地电路相连接的 但变压器的零序等效电路如何与外电路相连接却 与变压器三相绕组的连接方式以及变压器的中性点是否接地有关 简单不对称故障分析时非故障点的电压和电流计算是先求出各序网络中的电压 与序电流分布 然后再合成 要注意的是正序和负序分量经过 YNd 联结的变压 器时需要分别转过不同的相位 13 5 总结与体会 通过这次课程设计使我们都更加懂得并亲身体会到了理论与实际相 结合的重要性 只有理论知识是远远不够的 只有把所学的理论知识与实 践相结合起来 从实践中得出结论 才能真正为社会服务 从而提高自己 的实际动手能力和独立思考的能力 设计的过遇到很多问题 可以说是困 难重重 并且在设计的过程中发现了自己的很多不足之处 发现自己对之 前所学过的知识理解得不够深刻 掌握得不够牢固 有待加强 更重要的 是 在本次课程设计中由本校图书馆临时闭关的原因使得原本有机会可以 在图书馆中借阅与本次设计题目相关的书籍 但是就因此失去了最直接的 一个资料来源的途径 但是 也因此是我更多机会