【《220kV变电站继电保护系统中的短路电流计算过程案例》4300字】

1kV变电站继电保护系统中的短路电流计算过程案例目录TOC\o"1-3"\h\u3836220kV变电站继电保护系统中的短路电流计算过程案例 11271.1概述 110551.2短路计算的目的 2243721.3短路计算条件 242941.4短路点的确定 255211.5短路电流计算 3217261.5.1等值电路的制定 380311.5.2对称短路电流计算 446941.5.3不对称短路电流计算 10161121.5.4各母线侧短路计算结果 161.1概述当系统发生短路故障时，电力系统中的运行电流将会增大，影响电力系统中的设备运行，造成国民经济的损失。其中，短路故障是指正常运行情况以外的一切相与相之间的短接，及中性点直接接地系统中的单相接地情况。短路故障主要分为三相短路故障、两相短路故障、两相接地短故障和单相接地短路故障。接地短路故障又可依据是否存在过渡电阻分为金属性短路故障和经过渡电阻接地故障两种，过渡电阻可以是相间的电弧电阻、外物电阻、导线落地时的接地电阻、杆塔接地电阻等。其中，三相短路是对称短路故障、其故障电流最大，危害最严重。其它短路故障是不对称短路故障，单相接地短路故障发生的概率最大。短路故障发生时，电流增大，电气设备因此将严重发热和受到很大的电动机械力的作用。设备损害的程度，与短路的性质及其持续时间有关，即短路电流越大、持续时间越长，损害就越严重。短路的另一个危害是电压和频率下降，将影响用户的正常用电;当短路发生在靠近电源处而又持续时间较长时，可能破坏系统的稳定性，造成大面积停电，甚至使系统解列。此外，不对称短路的不平衡电流还会对邻近的通讯线路发生干扰，影响其正常通讯[4]。因此，有必要对短路电流进行计算，进而设计相应的保护原理对电力系统进行保护。1.2短路计算的目的短路电流计算是设计变电站不可缺少的步骤之一。精确的短路电流计算有助于变电站选取具有足够的机械稳定性与热稳定性的电气装置[1]；也可以为变电站设计保护提供准确的整定参数；同时变电站可依据短路电流的数值计算，选择适合电气设备接线方式。短路电流的数值还可以进行电力系统暂态稳定计算,研究短路对用户工作的影响等，因此短路电流计算在设计变电站时至关重要。1.3短路计算条件在实际工程中，计算短路电流时通常优先确定短路故障的计算条件，即先确定系统在短路故障发生时正常运行模式；短路故障的类别和发生位置；以及在系统短路事故发生后采取的各种控制措施。为保证所选电力设备的可靠性、经济性和合理性，且能够适应我国电力系统一定时期内建设与发展的特殊需要，短路故障电流的计算宜按下述条件来确定：（1）工程接线的设计容量和接线情况：按本工程设计最终容量计算，并考虑电力系统远景发展规划一般为本期工程建成后的5~10年，其接线应采用可能发生最大短路电流的正常接线方式，但不考虑在切换过程中可能短时并列的接线方式。（2）短路种类：一般按三相短路验算，若其它种类短路较三相短路严重时，则应按最严重的情况验算。（3）正常工作运行并在工作时，三相系统对称运行。（4）各电源之间的电动势相位角是一样的。（5）在一个大型电力系统中各种电力元件之间的电抗磁路通常是一个处于不饱和态的状态,也就是说,带有电磁铁芯的动力电气驱动装置的电抗电阻数值一般不会因为驱动电流的改变大小而发生重大改变。（6）短路发生在短路电流为最大值的瞬间。（7）在电路设计时不考虑两个短路接触点的短路电弧电流阻抗及短路变压器励磁时间所产生的短路电流。（8）元件的计算参数均取其额定值，不考虑参数的误差和调整范围。1.4短路点的确定短路点应确定为在正常接线方式时，短路电流最大的点[2]。例如，变压器回路中的断路器，应比较断路器前后短路时通过该断路器的电流值，母联断路器则应考虑母联断路器向备用母线充电时，备用母线故障，流过母联断路器的电流值。该变电站有三个电压等级，分别为220kV、110kV、10kV。根据220kV、110kV两侧进行继电保护的整定计算的要求，短路点的选取如图1.1所示：图1.1短路点选择1.5短路电流计算1.5.1等值电路的制定为更好的计算短路故障电流，需画出图1.1的等值电路如图1.2所示。图1.2等值电路图计算等值电路时选取基准值，（各级平均电压分别为230kV，115kV，10.5kV），算出等值网络中的各电抗的标幺值如下：（1）线路的等值阻抗计算值如下：(1.1)(1.2)（2）变压器各绕组的等值电抗计算如下：首先确定变压器的阻抗电压（%）（高—中：14、高—低：24、中—低:9）：(1.3)(1.4)(1.5)根据阻抗电压计算各绕组等值电抗标幺值的公式如下:(1.6)由公式（1.6）可各绕组等值电抗标幺值：(1.7)(1.8)(1.9)1.5.2对称短路电流计算1.不对称短路电流的计算步骤1.对称短路电流的计算步骤（1）选择短路计算点；（2）分别将系统各个元件的参数进行计算(标幺值)，并取基准容量，基准电压(各级平均额定电压)，然后按平均额定电压之比计算元件电抗的标幺值；（3）对电动势、负荷进行简化，取各发电机次暂态电动势，电抗用次暂时态电抗表示，并不考虑非短路点的负荷，只计及短路点附近的大容量电动机反馈电流；（4）绘出系统等值网络，并将各元件电抗统一编号；（5）网络化简，在离短路点的电气距离很近时，可将同一类型的发电机进行合并，但无限大容量电源应单独考虑；（6）求转移电抗(分别是等值电源和无限大容量电源对短路点的转移电抗)；（7）求计算电抗，即将前面求出各等值电源的转移电抗按各相应等值电源的容量进行归算；（8）由无限大容量电源供给的三相短路电流不衰减，其周期分量有效值的标么值为。1.系统的运行工况是最大运行方式时，分别计算不同电压等级线路d1、d2、d3处发生三相短路故障的短路电流。（1）处发生三相短路故障当处发生三相短路故障时，等值电路可化简为图1.3（e），简化过程如图1.3所示。图1.3d1点短路等值网络化简根据式(1.1)、(1.2)、(1.7)、(1.8)、(1.9)可得简化后的阻抗X13。计算步骤如下：(1.10)(1.11)(1.12)(1.13)(1.14)系统电势标幺值设为1.0。即。可得等效后电源E3。(1.15)由式（1.14）和（1.15）可得故障点故障电流。(1.16)故障点处的基准电流为：kA(1.17)三相稳定短路电流计算：kA(1.18)（2）处发生短路故障当处发生三相短路故障时，等值电路可化简为图1.4（e），简化过程如图1.4所示：图1.4d2点短路等值网络化简图根据式(1.1)、(1.2)、(1.7)、(1.8)、(1.9)可得简化后的阻抗X18。计算步骤如下：(1.19)(1.20)(1.21)(1.22)(1.23)同理可得等效电源E4(1.24)由式（1.23）和（1.24）可得故障点故障电流。(1.25)故障点处的基准电流为：kA(1.26)结合式（1.25）和式（1.26）可得实际的三相短路电流：kA(1.27)（3）d3处发生短路故障当d3处发生三相短路故障时，等值电路可化简为图1.5（g），简化过程如图1.5所示。图1.5点短路等值网络化简图等效阻抗X34的计算方式相同，在此就不多加赘述，根据式(1.1)、(1.2)、(1.7)、(1.8)、(1.9)可得简化后的阻抗X34。(1.28)根据系统电势标幺值可得等效电势E5(1.29)由式（1.28）和（1.29）可得故障点故障电流。(1.30)故障点d3的基准电流为：kA(1.31)结合式（1.30）和式（1.31）可得实际的三相短路电流：kA(1.32)3.系统的运行工况是最小运行方式时，即两个系统中提供一个电源。分别计算该工况下不同电压等级线路d1、d2、d3处发生三相短路故障的短路电流。图1.6d1点短路化简图1.7d1点短路化简图1.8d1点短路化简由等值电路图1.6、1.7、1.8可得各故障点的故障电流，因步骤相同故省略。220kV线路d1故障点的故障电流为kA，110kV线路d2故障点的故障电流为kA，10kV线路d3故障点的故障电流为kA。1.5.3不对称短路电流计算1.不对称短路电流的计算步骤当电力系统中发生不对称故障时，无法像三相一样看成一相进行计算。需利用对称分量法进行计算，对称分量法是将不对称的三相电压与电流分解成三组对称的正序、负序、零序分量。由于序分量的对称性，正负零序分量只用计算一相即可，大大化简了计算的工作量。不对称故障的计算步骤如下：（1）计算电力系统各个原件的序阻抗；（2）制定电力系统的各序网络；（3）由各序网络和故障列出对应方程；（4）从联立方程组解出故障点电流和电压的各序分量，将相对应的各序分量相加，以求得故障点的各相电流和电压；（5）计算各序电流和各序电压在网络中的分布，进而求得各指定支路的各相电流和指定节点的各相电压。1.两相相间短路故障两相相间短路故障电流与三相短路故障电流之间的关系如式（1.33）所示：(1.33)因此，根据三相短路电流可以直接计算得到两相短路故障的故障电流。在最大运行方式的情况下，各点发生两相短路时的故障电流如下，式(1.34)、(1.35)、(1.36)分别对应d1点、d2点、d3点的短路电流kA(1.34)kA(1.35)kA(1.36)在最大运行方式的情况下，各点发生两相短路时的故障电流如下，式(1.37)、(1.38)、(1.39)分别对应d1点、d2点、d3点的短路电流。kA(1.37)kA(1.38)kA(1.39)3.两相接地短路故障与单相接地短路故障当图1.1中的系统运行在最大运行方式情况下，其等值电路如图1.9所示，图中d1、d2、d3为三个电压等级的三个故障点。图1.9等值网络根据正序网络的规定原则可以画出图1.1系统的正序网络如图1.10。图1.10正序网络由图1.9和1.10可以发现，等值网络的架构图与正序网络相同，仅电源阻抗的等效值不同。变电站的参数条件为变压器，线路参数为,。（1）点发生不对称接地短路故障。由前面分析可知：(1.40)(1.41)(1.42)根据零序网络的条件可得处发生不对称短路故障的零序网络，如图1.11所示。图1.11故障时零序网络为计算方便，将图1.11进行简化，化简结果如图1.12d所示，简化流程如图1.12所示。图1.12处发生短路的简化零序网络由图1.12可以得到简化后的零序等效阻：(1.43)处发生两相接地短路故障时，短路电流的计算流程如下：(1.44)(1.45)kA(1.46)kA(1.47)同理处发生单相接地短路故障时，短路电流的计算流程如下：(1.48)(1.49)kA(1.50)kA(1.51)（2）点发生不对称接地短路故障当处发生不对称短路故障时，图1.1的零序网络如图1.13所示。图1.13处短路故障零序网络将图1.13进行简化，化简结果如图1.14d所示，简化流程如图1.14所示。图1.14处短路故障简化零序网络正负序网络参数如下：(1.52)(1.53)由图1.14可得零序等效阻抗：(1.54)处发生两相接地短路故障时，短路电流的计算流程如下：(1.55)(1.56)kA(1.57)kA(1.58)处发生两相接地短路故障时，短路电流的计算流程如下：(1.59)(1.60)kA(1.61)kA(1.62)（3）点发生不对称接地短路故障因为故障点位于变压器的△侧，零序电流无法形成通路，故无零序网络。故。正负序网络参数如下：(1.63)(1.64)处发生两相接地短路故障时，短路电流的计算流程如下：(1.65)(1.66)kA(1.67)kA(1.68)处发生两相接地短路故障时，短