电力系统课程设计短路电流计算.pdf
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成都学院(成都大学)课程设计报告I三相短路故障和单相短路故障分析摘要:
电网短路故障的短路计算是为提高短路故障分析与计算的精度和速度,为电力系统的对话设计、安全运行、设备选择、继电保护等提供重要依据。
本课题设计任务是分析与计算短路故障的参数,即计算两种短路故障-对称短路(三相短路)和不对称短路(单相接地短路)下的短路电流。
关键词:
电网短路故障短路电流ShortcircuitcurrentcalculationofshortcircuitfaultinpowersystemAbstract:
thecalculationofshort-circuitfaultistoimprovetheanalysisandfaultcalculationprecisionandspeedforthepowersystemdesign,dialoguesafeoperation,equipmentselectionandrelayprotection,provideanimportantbasisfor.Thetaskofthisprojectistoanalyzeandcalculatetheparametersofshort-circuitfault,thatis,tocalculatetheshort-circuitcurrentoftwokindsofshortcircuitfaultssymmetricalshortcircuit(three-phaseshortcircuit)andunsymmetricalshortcircuit(singlephaseearthfault).Keywords:
short-circuitfaultshort-circuitcurrent成都学院(成都大学)课程设计报告II目录第第1章章引言引言.11.1背景.11.2选题的目的和意义.11.3本课程设计的主要内容.1第第22章章设计内容设计内容.22.1基础资料.22.1.1电力系统简单结构图.22.1.2电力系统参数.22.2短路次暂态电流(功率)标幺值计算.3第第33章章短路计算短路计算.53.1电力系统等值电路.53.1.1各元件电抗标幺值计算.53.1.2电路简化.63.2三相短路计算.63.3单相短路计算.73.3.1各序网络制定及化简.83,3.2单相短路电流计算.11第第四四章章结束语结束语.13致谢致谢.14参考文献参考文献.15附录附录.14成都学院(成都大学)课程设计报告1第第11章章引言引言1.1背景随着短路类型、发生地点和持续时间的不同,短路的后果可能只破坏局部地区的正常供电,也可能威胁整个系统的安全运行。
短路的危险后果一般有以下的几个方面:
1、短路故障使短路点附近的支路中出现比正常值大许多倍的电流,由于短路电流的电动力效应,导体间将产生很大的机械应力,可能使导体和它们的支架遭到破坏。
2、短路电流使设备发热增加,短路持续时间较长时,设备可能过热以致损坏。
3、短路时系统电压大幅度下降,对用户影响很大。
系统中最主要的电力负荷是异步电动机,它的电磁转矩同端电压的平方成正比,电压下降时,电动机的电磁转矩显著减小,转速随之下降。
当电压大幅度下降时,电动机甚至可能停转,造成产品报废,设备损坏等严重后果。
4、当短路发生地点离电源不远而持续时间又较长时,并列运行的发电厂可能失去同步,破坏系统稳定,造成大片地区停电。
这是短路故障的最严重后果。
5、发生不对称短路时,不平衡电流能产生足够的磁通在邻近的电路内感应出很大的电动势,这对于架设在高压电力线路附近的通讯线路或铁道讯号系统等会产生严重的影响。
因此,短路计算就显得特别重要,为电力系统设计与安全运行提供可靠依据。
1.2选题的目的和意义电力系统发生短路故障造成的危害性是最大的,作为电力系统三大计算之一,分析与计算短路故障的参数更为重要,本课程设计是计算两种短路故障-对称短路(三相短路)和不对称短路(单相接地短路)下的短路电流。
提高短路故障分析与计算的精度和速度,为电力系统的对话设计、安全运行、设备选择、继电保护等提供重要依据。
1.3本课程设计的主要内容计算图中K点发生三相短路、单相接地时的短路次暂态电流的标幺值、实际值、冲击电流、短路容量。
成都学院(成都大学)课程设计报告2第第22章章设计内容设计内容2.1基础资料2.1.1电力系统简单结构图图21电力系统简单结构图2.1.2电力系统参数如图21所示的系统中K(3)点发生三相短路故障,分析与计算产生最大可能的故障电流和功率。
(1)发电机参数由表1查的。
发电机G1:
额定有功功率110MW,额定电压UN=10.5KV;次暂态电抗标幺值X/=0.264,功率因素COSN=0.85。
发电机G2:
火电厂共两台机组,每台机组参数为额定的有功功率25MW;额定电压UN=10.5KV;次暂态电抗标幺值X/=0.130;额定功率因素COSN=0.80。
(2)变压器铭牌参数由表1或参考文献新编工厂电气设备手册中查的。
变压器T1:
型号SFL7-10/110-59-16.5-10.5-1.0,变压器额定容量10MV.A,一次电压110KV,短路损耗59KW,空载损耗16.5KW,阻抗电压百分值UK%=10.5,空载电流百分值I0%=1.0。
变压器T2:
型号SFL7-31.5/110-148-38.5-10.5-0.8,变压器额定容量31.5MV.A,一次电压110KV,短损耗148KW,空载损耗38.5KW,阻抗电压百分值UK%=10.5,空载电流百分值I0%=0.8。
变压器T3:
型号SFL7-16/110-86-23.5-10.5-0.9,变压器额定容量16MV.A,一次电压110KV,短损耗86KW,空载损耗23.5KW,阻抗电压百分值UK%=10.5,空载电流百分值I0%=0.9。
(3)线路参数由表2和表3或参考文献新编工厂电气设备手册中查的。
线路1:
钢芯铝绞线LGJ-120,截面积120mm2,长度为100Km,每条线路单位长度的正序电抗X0
(1)=0.408/km;每条线路单位长度的对地电容b0
(1)=2.79x10-6S/km。
下标说明X0
(1)=X单位长度(正序);X0
(2)=X单位长度(负序)。
线路2:
钢芯铝绞线LGJ-150,截面积150mm2,长度为100Km,每条线路单位长度的正序电抗X0
(1)=0.401/km;每条线路单位长度的对地电容b0
(1)=2.85x10-6S/km。
成都学院(成都大学)课程设计报告3线路1:
钢芯铝绞线LGJ-185,截面积185mm2,长度为100Km,每条线路单位长度的正序电抗X0
(1)=0.394/km;每条线路单位长度的对地电容b0
(1)=2.90x10-6S/km。
(4)负载L:
容量为8+j6(MV.A),负载的电抗标幺值XL*=(U2*/S2L*)QL*;电动机为2MW,启动系数为6.5,功率因素为0.86。
2.1.3参数数据设基准容量SB=100MV.A,基准电压UB=UavKV。
(1)SB的选取是为了元件参数标幺值计算方便,取SB=100MV.A。
(2)UB的选取是根据所设计的题目可知系统电压有110KV、6KV、10KV,而平均额定电压分别为115、6.3、10.5KV。
平均电压Uav与线路额定电压相差5%的原则,故取UB=Uav。
(3)I为次暂态短路电流有效值,短路电流周期分量在时间t等于初值(零)时有效值。
满足产生最大短路电流的三个条件的最大次暂态短路电流作为计算依据。
(4)Mi为冲击电流,即为短路电流的最大瞬时值(满足产生最大短路电流的三条件及时间tK=0.01s)。
一般取冲击电流IKiMM2。
(5)KM为短路电流冲击系数,主要取决于电路衰减时间常数和故障的时刻。
其范围为21MK,高压网络一般取冲击系数KM=1.8。
2.2电抗标幺值计算
(1)发电机电抗标幺值NNBGGPSXXcos100(2-1)式中XG%为发电机电抗百分数,由发电机铭牌参数的%100GdXX;SB为已设定的基准容量(基准功率),MV.A;PN为发电机额定的有功功率,MV;COSN为发电机额定有功功率因素。
(2)负载电抗标幺值LLLQSUX22(2-2)式中U为元件所在网络的电压标幺值;SL为负载容量标幺值;QL为负载无功功率标幺值。
(3)变压器电抗标幺值NTBKTSSUX100%(2-3)变压器中主要是电抗,因其电抗,即忽略,由变压器电抗有名值推出电压器电抗标幺值为100%22*KNTNTBBTiUSUUSX(2-4)式中X*Ti为某一变压器电抗标幺值成都学院(成都大学)课程设计报告4为变压器电抗百分数;为基准容量,;、为变压器铭牌参数给定容量,、额定电压,;为基准电压取平均电压,。
(4)线路电抗标幺值lxUSXBBW02(2-5)式中X0为线路单位长度电抗;L为线路长度,;SB为基准容量,;UB为输电线路额定平均电压,基准电压,。
(5)电动机电抗标幺值(近似取值)NNBMLPSXcos5.61(2-6)式中SB为基准容量,;PN为发电机额定的有功功率,MV;COSN为发电机额定有功功率因素。
2.2短路次暂态电流(功率)标幺值计算
(1)短路次暂态电流标幺值(*I)*KXEI(2-7)BBUSII3*(2-8)式中取E=1;基准容量SB=100MV.A;基准电压UB=Uav(kV)。
(2)冲击电流(Mi)的计算IIIeIKiTMM55.28.12)1(22/01.0(2-9)(3)短路容量计算)(3*AMVIUISSBKB(2-10)成都学院(成都大学)课程设计报告5第第33章章短路计算短路计算3.1电力系统等值电路由图2-1可画出其等值电路图,将发电机等效为一阻抗与理想发电力串联,电动机等效为电抗与理想电动力串联,变压器等效为电抗如下图图3-1电力系统等值电路图3.1.1各元件电抗标幺值的计算设基准变压UB=Uav(KV),基准容量SB=100MV.A。
(1)发电机电抗标幺值416.08.0/2510013.0cos100%;204.085.0/110100264.0cos100%22*11*NNBGNNBGPSXXPSXX
(2)变压器电抗标幺值05.1101001005.10;33.05.311001005.10;656.0161001005.10100%1*2*3*TTNTBKTXXSSUX(3)线路电抗标幺值298.0115115100100394.0;303.0115115100100401.0;309.0115115100100408.03*2*021*LLBBLXXlxUSX成都学院(成都大学)课程设计报告6(4)负载电抗标幺值61006100/1122*LLLQSUX(5)电动机电抗标幺值62.686.0/25.61001cos5.61*NNBMPSX3.1.2电路简化先将图3-1各支路串联电抗相加得如下电路图(a)(a)(b)成都学院(成都大学)课程设计报告7(c)图3-2简化等值电路图将图(a)中理想电动机、发电机去掉的图(b),利用串并联知识将各支路电抗化简(注意将短路点当作支路处理)的图(c)。
化简过程如下169.1309.0656.0204.01*3*1*11*LTGXXXX373.0)33.0416.0(5.0)(212*2*12*TGXXX348.1298.005.13*1*13*LTXXX303.60.6303.0*2*14*LLXXX283.0373.0169.1373.0169.1/12*11*15*XXX271.0303.6283.0303.6283.0/14*15*16*XXX619.1348.1271.013*16*17*XXX3.2三相短路计算将化简结果值带入式2.3中各式得
(1)短路点的等值电抗301.162.6619.162.6619.1*17*17*MMKXXXXX
(2)三相短路电流及短路功率短路次暂态电流标幺值7684.0301.11*KKXUI短路次暂态电流有名值)(0427.73.631007684.03KAUSIIBBK冲击电流)(9589.170427.755.255.2KAIiM成都学院(成都大学)课程设计报告8短路功率)(8494.760427.73.633AMVIUSavK3.3单相短路计算为计算单相短路电流运用对称分量法将图2-1化简得到正序、负序、零序阻抗。
要绘制复合序网,首先应在各序网络中计算出各序组合电抗及电源组合电势,再利用对称分量法对此种不对称短路进行分析,写出各序网络故障点的电压方程式(各元件都只用电抗表示),再根据不对称短路的具体边界条件写出的方程来求解。
正序网络的制定:
除中性点接地阻抗、空载线路(不计导纳)以及空载变压器(不急励磁电流)以外,电力系统各元件均应包括在正序网络中,并且用相应的正序参数和等值电路表示。
对于本题来说,正序网络应包括所有元件。
负序网络的制定:
负序电流能流通的元件与正序相同,但所有电源的负序电势为零。
因此,把正序网络中各元件的参数都用负序参数代替,并令电源电势等于零,而在短路点引入代替故障条件的不对称电势源中的负序分量,便得到负序电路。
对于本题来说,去掉正序网络中的发电机电势,其他元件的参数用负序参数代替,短路点和零电位点分别用2f和2o表示即可。
零序网络制定:
不包含发电机电势,故障点零序电势不为零,在零序电势作用下三相零序电网过零序电流对应发电机、线路阻抗为零序阻抗且电流经过3倍接地阻抗。
变压器星型接地零序电流可以流过,电动机因为是三角形不接地而不能流过零序电流故阻抗不计。
3.3.1各序网络制定及化简对于一个三相对称的元件(如线路、变压器和发动机),如果流过三相正序电流,则在元件上的三相电压降也是正序的。
同样的,如果流过三相负序件电流或零序电流,则元件上的三相电压降也是负序或零序的。
也就是说,对于三相对称的元件,各序分量是独立的,即正序电压只与正序电流有关,负序、零序也是如此。
下面计算单相接地短路电流。
根据3.1.2参数计算得发电机电抗标幺值416.0,204.02*1*GGXX变压器电抗标幺值656.0,33.0,05.1)2(3*)2(3*)2(2*)1(2*)2(1*)1(1*TTTTTTXXXXXX线路电抗标幺值298.0,303.0,309.03*2*1*LLLXXX负载阻抗标幺值35.0,2.1,6)2(*)0(*)1(*LLLXXX电动机阻抗标幺值62.6*MX由图3-1分别可得到各序网络图,其中正序网络图如下成都学院(成都大学)课程设计报告9图3-3正序等值电路图其中62.6*10*MXX169.1309.0656.0204.01*3*1*11*LTGXXXX373.0)33.0416.0(5.0)(212*2*12*TGXXX348.1298.005.13*1*13*LTXXX303.60.6303.0*2*14*LLXXX利用戴维南等值定理,将电路化简为如下形式图3-4正序等效转换图等值计算如下:
301.162.61)348.1373.01303.61169.111(/)/(10*13*12*14*11*)1*(XXXXXZ7748.0/)/)(11()1*(13*12*11*14*12*11*14*12*11*ZXXXXXXXXE成都学院(成都大学)课程设计报告10其化简电路图为图3-5正序电路戴维宁等值电路图所以)1(*)1*()1(*)1(*301.17748.0aaaIZIEU(3-1)负序等值电路图如下:
图3-6负序等值电路图负序阻抗为2528.162.61)348.1373.01169.11653.011(/)/(10*13*12*11*)2(14*)2(*XXXXXZa其戴维宁等效图为图3-7负序戴维宁等效图成都学院(成都大学)课程设计报告11所以)2(*)2(*)2*()2(*2528.1aaaIIZU(3-2)零序等值电路图为图3-8零序等效电路图其中05.11*)0(*TaXZ)0(*)0(*)0(*)0(*05.1aaaaIIZU(3-3)由故障点处的边界条件以及上述过程可以得到单相接地短路的复合序网电路图。
短路点边界条件如下式:
aaaaaaaIIIIUUU*)0(*)2(*)1(*)0(*)2(*)1(*310(3-4)根据上式边界条件将各序网络在故障口连接起来得到图3-9单相接地复合序网图,各序网络串联,满足各序电流相等、电压和为零的条件。
图3-9单相接地复合序网图3.3.2短路电流计算因为单相(a)短路时有成都学院(成都大学)课程设计报告12)0(*)2(*)1(*0aaaaaIIIIU(3-4)所以由(3-1)、(3-1)、(3-3)、(3-4)解得645.005.12528.1301.17748.03*aI短路电流有名值)(911.53.63100645.03*kAUSIIBBa冲击电流)(073.15911.555.255.2kAIiM短路功率)(5.64645.0100*kAISSaBK依据复合序网及各对称分量的关系,短路处故障电压为)1()0()2
(2)0()2()1
(2)1()(aaaafbIZaZaajUUaUaU(3-5)同理)1()0()2
(2)0()2
(2)1()1()(aaaafcIZaZaajUUaUaU(3-6)其中2321c,120jeaUbUjfcfb。
相短路电压,为相短路电流为a相正序电流为)(970.1911.53131)1(kAIIaa因此b相短路电压为)(103.3067.697.105.1)1)2321(2528.1)2321()2321()1()(22)1()0
(2)2
(2)0()2()1(2kVjjjjjIZaZaajUUaUaUaaaafbC相电压为)(03.148.297.105.1)12321(2528.1)2321()2321()1()
(2)1()0()2
(2)0()2
(2)1(kVjjjjjIZaZaajUUaUaUaaaafc成都学院(成都大学)课程设计报告13第第44章结束语章结束语通过两周的电力系统课题设计掌握了故障点处单相及三相短路电流、冲击电流及短路容量计算。
并熟悉了相关阻抗计算标幺值计算。
通过这次课题设计明白并掌握了对称分量法的运用。
能够通过对短路点的相关计算画出等值电路图。
这次的课程设计对我来说,是一次非常重要的锻炼,通过这次设计,对所学的知识有了更深刻的了解和掌握。
要制定序网络图,必须根据电力系统的接线图、中性点接地情况及各序电流的流通情况,在故障点增加电势,从故障点开始,逐步查明各序电流的流通情况。
凡是某一序电流能流通的原件,都应当包括在该序网络中,并用相应的序参数和等值电路表示。
要计算各元件的标幺值,需根据所选取的基准功率和基准电压,并结合元件本身的特性。
要绘制复合序网,首先应在各序网络中计算出各序组合电抗及电源组合电势,再利用对称分量法对此种不对称短路进行分析,写出各序网络故障点的电压方程式(各元件都只用电抗表示),再根据不对称短路的具体边界条件写出的方程来求解。
有了这次的设计经验,相信在以后的学习设计实践过程中,能够做的更好。
回顾此次课程设计的过程,不但使我的专业知识得到巩固和开拓,而且认识到自身知识的缺陷,明确自己的努力的方向。
在设计中运用了电路原理相关知识认识到以往基础课的重要性。
因此在学习的过程中还应注重对知识的掌握以及运用。
在此次设计中,通过对单向及三相短路电流简单求解,掌握了课程理论知识。
此外,通过此次实际让我明白了应注重养成终身的学习习惯,扩大自己的知识面,才能促进自己不断进步。
成都学院(成都大学)课程设计报告14致谢致谢感谢学校提供了一个适合学习的环境,感谢老师以及同学的帮助!
成都学院(成都大学)课程设计报告15参考文献参考文献1何仰赞,温增银.电力系统分析(第三版).武汉:
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高等教育出版社,20044韩祯祥.电力系统分析.杭州:
浙江大学出版社,19935刘万顺.电力系统故障分析(第三版).北京:
中国电力出版社,2010成都学院(成都大学)课程设计报告16附录附录表1:
变压器铭牌参数表110KV级S7(8)、SF7(8)、SLZ系列变压器技术数据型号额定容量(MVA)额定电压连接号阻抗电压(%)空载电流(%)损耗(Kw)参考价(万元)高压低压空载负载SL-5/355353.3;6.6;10.5YNd11726.7536.759.4SZ-5/3553510.571.513.547.558SFZ-8/38.5838.53.15;10.57.5110.955.862.9S7-10/1101011010.5;27.510.5116.559S7-16/110161106.6;3.3;10.5;3510.50.923.586SF7-10/1101011038.5;3510.51.417.5621106.6;3.3;10.5;35116.559SF7-16/110161106.6;3.3;10.5;3510.50.923.58611038.5;351.324.591SF7-31.5/11031.51106.6;3.3;10.5;3510.50.838.514811038.5;351.240.5156SFL7-10/110101106.6;3.3;10.5;3510.51.417.562SFL7-10/110101106.6;3.3;10.5;3510.5116.559SFL7-16/110161106.6;3.3;10.5;3510.50.923.58611038.5;351.324.591SFL7-31.5-11031.51106.6;3.3;10.5;3510.50.838.514811038.5;351.240.5156成都学院(成都大学)课程设计报告17表2:
钢芯铝线敷设的架空线路的单位长度感抗和电阻导线型号LGJ-35LGJ-50LGJ-70LGJ-95LGJ-120LGJ-150LGJ-185LGJ-240LGJ-300LGJ-400LGJJ-300LGJJ-400电阻0.910.630.450.330.270.210.170.1310.1050.0780.1050.078线间几何均距线路电抗()20.4030.3920.3820.3710.3650.358-2.50.4170.4050.3960.3850.3790.372-30.4290.4180.4080.3970.3910.3840.3770.369-3.50.4380.4270.4170.4060.40.3980.3860.378-40.4460.4350.4250.4140.4080.4010.3940.386-4.5-0.4330.4220.4160.4090.4020.394-5-0.440.4290.4230.4160.4090.401-5.5-0.4290.4220.4150.407-6-0.4350.4250.420.4130.4040.3690.4020.3936.5-0.4320.4250.420.4090.40.4070.3987-0.4380.430.4240.4140.4060.4120.4037.5-0.4350.4280.4180.4090.4170.4088-0.4320.4220.4140.4210.4128.5-0.4250.4180.4240.416成都学院(成都大学)课程
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