短路計算課程設計

課題概述1.1電力系統(tǒng)綜述電力工業(yè)發(fā)展初期，電能是直接在用戶附近的發(fā)電站（或稱發(fā)電廠）中生產的，各發(fā)電站孤立運行。隨著工農業(yè)生產和城市的發(fā)展，電能的需要量迅速增加，而熱能資源和水能資源豐富的地區(qū)又往往遠離用電比較集中的城市和工礦區(qū)，為了解決這個矛盾，就需要在動力資源豐富的地區(qū)建立大型發(fā)電站，然后將電能遠距離輸送給電力用戶。同時，為了提高供電的可靠性以及資源利用的綜合經濟性，又把許多分散的各種形式的發(fā)電站，通過送電線路和變電所聯(lián)系起來。這種由發(fā)電機、升壓和降壓變電所，送電線路以及用電設備有機連接起來的整體，即稱為電力系統(tǒng)?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)提出了“靈活交流輸電和新型直流輸電”的概念。靈活交流輸電技術是指運用固態(tài)電子器件與現(xiàn)代自動控制技術對交流電網的電壓、相位角、阻抗、功率以及電路的通斷進行實時閉環(huán)控制，從而提高高壓輸電線路的訴訟能力和電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)水平。新型直流輸電技術是指應用現(xiàn)電力電子技術的最新成果，改善和簡化變流站的造價等。運營方式管理中，潮流是確定電網運行方式的基本出發(fā)點：在規(guī)劃領域，需要進行潮流分析驗證規(guī)劃方案的合理性；在實時運行環(huán)境，調度員潮流提供了電網在預想操作預想下的電網的潮流分布以及校驗運行的可靠性。在電力系統(tǒng)調度運行的多個領域都涉及到電網潮流計算。潮流是確定電力網咯運行狀態(tài)的基本因素，潮流問題是研究電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)問題的基礎和前提。1.2短路計算簡介所謂短路，是指供電系統(tǒng)中不等電位的導體在電氣上被短接，如相與相之間的短接，或在中性點接地系統(tǒng)中一相或幾相與大地相接以及三相四線制系統(tǒng)中相與零線的短接等。當發(fā)生短路時，電源電壓被短接，短路回路阻抗很小，于是在回路中流通很大的短路電流。在電力系統(tǒng)的設計和運行中，不僅要考慮正常工作狀態(tài)，而且還必須考慮到發(fā)生故障時所造成的不正常工作狀態(tài)。實際運行表明，破壞供電系統(tǒng)正常運行的故障，多數(shù)為各種短路故障。在電力系統(tǒng)和電氣設備的設計和運行中，短路計算是解決一系列技術問題所不可缺少的基本計算，對于短路計算的研究，有利于我們在進行電氣設計時，選擇有足夠機械穩(wěn)定度和熱穩(wěn)定度的電氣設備。對電力網中發(fā)生的各種短路進行計算和分析，能夠合理地配置各種繼電保護和自動裝置并正確整定其參數(shù)。在設計和選擇發(fā)電廠和電力系統(tǒng)電氣主接線時，為了比較各種不同方案的接線圖，確定是否需要采取限制短路電流的措施等，都要進行必要的短路電流計算。1.3短路產生的原因及危害產生短路的主要原因，是供電系統(tǒng)中的絕緣被破壞。在絕大多數(shù)情況下，絕緣的破壞是由于未及時發(fā)現(xiàn)和消除設備中的缺陷，以及設計、安裝和維護不當所造成的。例如過電壓、直接雷擊、絕緣材料的老化、絕緣配合不當和機械損壞等；運行人員錯誤操作，如帶負荷斷開隔離開關或檢修后未撤接地線就合斷路器等；設備長期過負荷，使絕緣加速老化或破壞；小電流系統(tǒng)中一相接地，未能及時消除故障；在含有損壞絕緣的氣體或固體物質地區(qū)。未考慮電氣間隙與爬電距離(應符合GB)等。此外，在電力系統(tǒng)中的某些事故也可能直接導致短路，如電桿倒塌、導線斷線等：或動物、飛禽跨越導體時也會造成短路。短路電流越大，持續(xù)時間越長，對故障設備的破壞程度越大。短路電流所產生的電動力能形成很大的破壞力，如果導體和它們的支架不夠堅固，可能遭到難以修復的破壞：這樣大的短路電流即使通過的時間很短，也會使設備和導體引起不能允許的發(fā)熱，從而損壞絕緣，甚至使金屬部分退火、變形或燒壞。短路時由于很大的短路電流流經過網路阻抗，必將使網路產生很大的電壓損失。如為金屬性短路，短路點電壓為零，短路點以上各處的電壓也要相應降低很多，一旦電壓低于額定電壓40％以上時，就會使供電受到嚴重影響或被迫中斷；若在發(fā)電廠附近發(fā)生短路，還可能使全電力系統(tǒng)運行解列，引起嚴重后果。接地短路時，接地相出現(xiàn)的短路電流為不平衡電流，該電流所產生的磁通將對鄰近平行的通訊線路感應出附加電勢，干擾通訊，嚴重時，將危及通訊設備和人身的安全。為了限制發(fā)生短路時所造成的危害和故障范圍的擴大，需要在供電系統(tǒng)中加裝保護，以便在故障發(fā)生時，自動而快速地切斷故障部分，以保障系統(tǒng)安全正常運行。這就需要我們準確的計算短路電流的大小。2短路計算算法2.1短路電流計算步驟（1）繪制計算系統(tǒng)圖在計算用圖中應包括與短路電流計算有關的全部電力元件（如系統(tǒng)、發(fā)電機、變壓器、輸電線路等），以及它們之間的連接關系。在元件旁邊應注明它們的技術數(shù)據(jù)，如額定電壓、額定容量、線路的長度及線路型號等。另外，在計算圖上應標明短路點。為了便于計算，每個元件按順序編號。（2）計算各元件參數(shù)根據(jù)給定的電力系統(tǒng)，首先確定是用標幺值的計算方法計算短路電流，還是用實際值計算的方法。一般在有兩個及兩個以上的電壓等級情況下用標幺值的方法較實際值的方法計算簡便。用實際值計算時，首先選定一個基準值（即電壓等級），此基準值應選被計算短路電流短路點的電壓等級，然后將其他電壓等級所有的阻抗用變壓器變比原理換算到基本級上來。用標幺值計算時，首先選定一個基準容量，此基準容量的選擇應上“便于計算”，使x值小數(shù)點前后的0最少。一般選取整數(shù)，如：系統(tǒng)大，取Sb=1000MVA;系統(tǒng)小，取Sb=100MVA?；鶞孰妷阂话氵x取平均電壓：Ub=Uav比額定電壓高5%。Un(kV)22011035100.38;Uav(kV)2301153710.50.4然后算出基準電流值。（3）繪制等值網絡圖繪制電力系統(tǒng)等值網絡圖的目的是便于短路電流計算。圖中應標明各元件的序號及阻抗。（4）網絡化簡網絡化簡是將等值網絡化簡到最簡單的形式，若有兩個及兩個以上的電源，則歸并成一個電源。有并聯(lián)的回路化簡成串聯(lián)。采取多電源歸并成一個電源的方法，是因為我們采取了一系列的假設條件，所以在計算中可以用電源的阻抗相并聯(lián)的方法。（5）進行短路電流計算通過以上工作，把一個復雜的系統(tǒng)化簡成只有一個等效元件的系統(tǒng)，等效元件的一端是綜合電動勢，另一端是綜合阻抗和短路點，這樣就可以用最簡單的歐姆定律來計算短路電路，即I=E/X；式中E系統(tǒng)電源對短路點的綜合次暫態(tài)電動勢，在化簡計算中取1；X系統(tǒng)對短路點的綜合阻抗。2.2對稱分量法基本原理對稱分量法是一種將不對稱三相分量分解為三相對稱分量的方法，采用這種方法能比較清晰地對電力系統(tǒng)不對稱短路故障情況進行分析。若以A相電流為基準相，三相向量與其對稱分量之間的關系為：式（2.1）由上式可以作出三相量的對稱分量，見圖2-1。圖2-1正序、負序、零序電流的對稱分量圖由正序、負序、零序關系可得式（2.2）電力系統(tǒng)運行情況雖然復雜，但是用對稱分量法，可以把不對稱短路故障分解為三相對稱分量來處理，把負載端的不對稱電壓和電流看成是三組（正序、負序、零序）對稱電壓和電流的疊加，由于發(fā)電機只有正序電勢，因此只有正序網絡存在發(fā)電機電勢，負序和零序網絡只有負序阻抗和零阻抗，由此可以得其電動勢平衡方程式：式（2.3）其中為正序電勢，、、分別為正序、負序、零序的電抗，、、為A相電壓的正序、負序、零序分量[8]。2.3不對稱故障的分析電力系統(tǒng)故障表現(xiàn)各異，形式上又可分為短路故障、斷線故障（非全相運行），按分析方法分為不對稱故障、對稱故障，對稱故障一般指三相短路故障，不對稱故障則包括不對稱短路(單相短路接地、兩相短路、兩相短路接地)和非全相運行(單相斷路、兩相斷路)2種。電力系統(tǒng)發(fā)生短路時，伴隨短路所發(fā)生的基本現(xiàn)象是：電流劇烈增加，線端處發(fā)生三相短路時，電流的最大瞬時值可能高達額定電流的10-15倍，從絕對值講可達上萬安培，甚至十幾萬安培。在電流急劇增加的同時，系統(tǒng)中的電壓大幅度下降，例如系統(tǒng)發(fā)生三相短路時，短路點的電壓將降到零，短路點附近各點的電壓也將明顯降低。電力系統(tǒng)中發(fā)生不對稱短路時，無論是單相接地短路、兩相短路還是兩相接地短路只是在短路點出現(xiàn)系統(tǒng)結構的不對稱，而其它部分三相仍舊是對稱的。根據(jù)對稱分量法列a相各序電壓方程式為：上述方程式包含了六個未知量，必須根據(jù)不對稱短路的具體邊界條件列出另外三個方程才能求解。3短路計算設計題目與分析3.1短路計算題目測試系統(tǒng)由三個控制區(qū)域組成，區(qū)域1是一種典型供電系統(tǒng)，總裝機容量為5700MVA、最大負荷為5000MW，大部分裝機容量距離負荷相對較近，即接于母線3容量為4400MVA的發(fā)電廠。另外，1300MVA是離負荷較遠的核電機組，通過長距離500kV線路向負荷送電。區(qū)域2代表附近地區(qū)的總裝機容量和總負荷，此系統(tǒng)總裝機容量為60000MVA，最大負荷為40000MW。區(qū)域2通過2條500kV線路與區(qū)域1相連，即圖1中的線路A和線路B。區(qū)域3是一個大規(guī)模相鄰系統(tǒng)，裝機容量為70000MVA，最大負荷為50000MW，此區(qū)域也通過2條500kV線路與區(qū)域1相連，即圖1中線路F和G。我組題目是母線8和母線9之間線路G的中點發(fā)生短路。提供的數(shù)據(jù)包括以下幾類：（1）同步電機慣性常數(shù)、電抗和時間常數(shù)；（2）每個發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)、汽輪機和調速器的類型；（3）勵磁機、汽輪機和調速器的動態(tài)模型；（4）勵磁機、汽輪機和調速器的的有關數(shù)據(jù)；（5）網絡數(shù)據(jù)：輸電線路和變壓器的阻抗。圖1測試系統(tǒng)3.2課題分析目的電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障造成的危害性是最大的。作為電力系統(tǒng)三大常規(guī)計算之一，分析短路故障的參數(shù)更為重要。目的如下：1.通過課程設計,使學生掌握電力系統(tǒng)三相短路計算的基本原理與方法；2.掌握并能熟練運用PSCAD/MATLAB仿真軟件；3.采用PSCAD/MATLAB軟件，做出系統(tǒng)三相接線圖。4PSCAD/EMTDC軟件概述4.1PSCAD簡介PSCAD/EMTDC是加拿大馬尼托巴高壓直流研究中心出品的一款電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件，PSCAD（PowerSystemsComputerAidedDesign）是用戶界面，EMTDC（ElectromagneticTransientsincludingDC）是內部程序。EMTDC最初代表直流暫態(tài)，是一套基于軟件的電磁暫態(tài)模擬程序。DennisWoodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水電局開發(fā)完成了EMTDC的初版，編寫這個程序的原因是因為當時現(xiàn)存的研究工具不能夠滿足曼尼托巴電力局對尼爾遜河高壓直流工程進行強有力和靈活的研究的要求。自此之后程序被不斷開發(fā)，至今已被廣泛地應用在電力系統(tǒng)許多類型的模擬研究，其中包括交流研究，雷電過電壓和電力電子學研究。EMTDC開始時在大型計算機上使用。然后在1986年被移植到Unix系統(tǒng)和以后的PC機上。PSCAD代表電力系統(tǒng)計算機輔助設計，PSCAD的開發(fā)成功，使得用戶能更方便地使用EMTDC進行電力系統(tǒng)分析，使電力系統(tǒng)復雜部分可視化成為可能，而且軟件可以作為實時數(shù)字仿真器的前置端?？赡M任意大小的交直流系統(tǒng)。PSCADV11988年首先在阿波羅工作站上使用，然后大約在1995年PSCADV2開始應用。PSCADV3以PCWindows作為平臺，在1999年面世。目前最新版本的是PSCADV4.2.1。用戶可以通過調用隨EMTDC主程序一起提供的庫程序模塊或利用用戶自己開發(fā)的元部件模型有效地組裝任何可以想象出的電力系統(tǒng)模型和結構。EMTDC的威力之一是可以較為簡單地模擬復雜電力系統(tǒng),包括直流輸電系統(tǒng)和其相關的控制系統(tǒng)。4.2PSCAD的技術背景程序EMTDC（ElectroMagneticTransientinDCSystem）是目前世界上被廣泛使用的一種電力系統(tǒng)仿真分析軟件，它即可以研究交直流電力系統(tǒng)問題，又能完成電力電子仿真及其非線性控制的多功能（VersatileTool）工具。PSCAD（PowerSystemComputerAidedDesign）是EMTDC的前處理程序，用戶在面板上可以構造電氣連接圖，輸入各元件的參數(shù)值，運行時則通過FORTRAN編譯器進行編譯、連接，運行的結果可以隨著程序運行的進度在PLOT中實時生成曲線，以檢驗運算結果是否合理，并能與MATLAB接口。EMTDC/PSCAD主要功能是進行電力系統(tǒng)時域和頻域計算仿真，典型應用是計算電力系統(tǒng)遭受擾動或參數(shù)變化時，電參數(shù)隨時間變化的規(guī)律；另外EMTDC/PSCAD還可以廣泛的應用于高壓直流輸電、FACTS控制器的設計、電力系統(tǒng)諧波分析及其電力電子仿真。軟件還可以作為實時數(shù)字仿真器（RealTimeDigitalSimulator，RTDS）的前置端(FrontEnd)。此外，EMTDC/PSCAD還具有強大的自定義功能，用戶可以根據(jù)自己的需要創(chuàng)建具有特定功能的裝置。實時回放系統(tǒng)（RTP）是基于EMTDC/PSCAD軟件的測試系統(tǒng)，它可以結合EMTDC/PSCAD計算產生的結果（信號）來測試繼電保護系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)。5系統(tǒng)仿真5.1等值機代替發(fā)電機仿真根據(jù)本組題目要求與PSCAD軟件基本操作，綜合考慮課題要求，本次仿真先用等值發(fā)電機代替發(fā)電機，作出用等值機代替同步發(fā)電機的仿真圖如圖5-1。圖5-1用等值電機代替發(fā)電機PSCAD仿真圖根據(jù)已做出的PSCAD仿真接線圖，設置短路開始時間為仿真后0.2s,短路持續(xù)時間為0.05s。運行PSCAD仿真軟件，測試出系統(tǒng)在三相短路（對稱短路條件）和A相接地短路（不對稱短路條件）下短路點的短路電流如圖5-2、5-3、5-4、5-5、5-6、5-7、5-8、5-9。圖5-2三相短路條件下Ia波形圖5-3三相短路條件下Ib波形圖5-4三相短路條件下Ic波形圖5-5三相短路條件下Ea波形圖5-6A相接地短路條件下Ia波形圖5-7A相接地短路條件下Ib波形圖5-8A相接地短路條件下Ic波形圖5-9A相接地短路條件下Ea波形5.2考慮勵磁與調速系統(tǒng)仿真在進行完等值發(fā)電機代替發(fā)電機仿真后，下一步要做的就是考慮發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)與調速系統(tǒng)，根據(jù)題目已給出的測試系統(tǒng)圖，作出發(fā)電機含勵磁系統(tǒng)與調速系統(tǒng)的PSCAD仿真圖如圖5-10圖5-10發(fā)電機考慮勵磁與調速系統(tǒng)PSCAD仿真圖與等值機仿真一樣，勵磁與調速系統(tǒng)仿真同樣設置短路開始時間為仿真后0.2s,短路持續(xù)時間為0.05s。運行PSCAD仿真軟件，測試出系統(tǒng)在三相短路（對稱短路條件）和C相接地短路（不對稱短路條件）下短路點的短路電流如圖5-11、5-12、5-13、5-14、5-15、5-16、5-17、5-18、5-19。圖5-11三相短路條件下Ia波形圖5-12三相短路條件下Ib波形圖5-13三相短路條件下Ic波形圖5-14三相短路條件下Ea波形圖5-15C相接地短路條件下Ia波形圖5-16C相接地短路條件下Ib波形圖5-17C相接地短路條件下Ic波形圖5-18C相接地短路條件下Ec波形圖5-19C相接地短路條件下Ea波形

5.3仿真現(xiàn)象總結此次仿真先是用等值電機代替發(fā)電機，作出系統(tǒng)總仿真接線圖，設置短路故障類型為三相短路和A相接地短路，測出短路點短路電流電壓波形。之后考慮發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)與調速系統(tǒng)，在等值電機的仿真基礎上，修改仿真電路圖，在發(fā)電機模塊加入勵磁系統(tǒng)與調速系統(tǒng)，設置短路故障類型為三相短路和C相短路，同樣測出短路點的短路電流電壓波形。仿真過程中，短路開始時間都設置為仿真開始后0.2s，短路持續(xù)時間0.05s。可以看到，對于三相短路故障，在仿真后0.2s，A、B、C三相的電