《电力系统短路电流计算新方法的研究与实践》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力系统短路电流计算新方法的研究与实践（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、38 船电技术 2004 年 第 1 期 电力系统短路电流计算新方法的研究与实践 罗庆跃 ( 武汉大学电气工程学院，武汉 4 3 0 0 7 2 ) 摘 要：本文提出将断路器（或隔离开关）作为一条阻抗为零的支路来模拟，应用线性网络特性、定理及变结构与变参数方法，修改节点电流源与阻抗矩阵元素，导出了相当于在断路器（或隔离开关）两侧分别发生短路故障时，通过断路器（或隔离开关）的短路电流计算的通用模型和算法。用该计算模型对 XX 电厂进行短路电流计算。实践证明：该方法计算简便，结果正确，给电气设备选择、继电保护整定计算带来很大的方便，同时，还能考虑各种运行方式的改变对短路电流的影响。 关键词：电力系
2、统 短路电流计算 新方法 1 引言 基于线性网络中的特性和戴维宁定理，提出将断路器用一条阻抗为零的支路来模拟，利用变结构变参数的分析方法，将母线上的短路电流等值转移到断路器（或隔离开关）两侧，导出相当于断路器两侧发生各种简单短路故障时，流经断路器（或隔离开关）的短路电流的通用计算模型和算法。该方法是变结构变参数电网短路电流计算方法的一个重要补充，具有工程实用价值。同时，还能考虑各种不同的运行方式的影响。 2 变结构短路电流计算原理 如图 2 所示，在有源网络 N 中，有一条支路(i,j)，其阻抗为 Zij，该支路阻抗取值只有下列两种情况：当 Zij=0 时，节点 i 与节点 j 合成一个节点，
3、当 Zij=时, 节点 i与节点 j 为两个独立节点，这样一条支路称为变结构支路。由此可见，本文所研究的变结构支路的物理意义主要是模拟流过短路电流的电气设备，例如：断路器。其变结构支路阻抗的变化作用， 一方面用来在电力系统中发生各种短路故障时， 求流过变结构支路上的短路电流， 另一方面用来模拟电力系统设备元件（如断路器） 的投入和退出两种运行状态。 当 Zi j= 0 时，节点 i 、j 合成一个短路 收稿日期：2003-12-15 计算点，节点 i处( k1) 设置短路计算点，就相当于在母线上短路( k ) ，设其短路电流为kI ，它是注入短路点的总电流，实际上通过变结构支路的短路电流是fj
4、I 。 由于 Zi j= 0 ， 在 i 点短路又相当于在节点 j处( k2) 短路，此时通过变结构支路的电流为fiI , 不能区分流过断路器的电流。 现在的关键问题是：在母线上发生各种简单短路故障时，将其短路电流等值转换到变结构支路两侧，即怎样求出流过变结构支路上短路电流fiI 和fjI ，且要满足fjfikIII+=。 下面采用序分量分析法建立变结构短路电流计算方法的通用数学模型。 # 1 厂 高 变6 k V 供 热 段6 k V 备 用 段# 3 厂 高 变# 4 厂 高 变 # 1 发电机# 2 发电机# 3 发电机 # 4 发电机# 0 厂 高 变1 1 0 k V# 1 主变#
5、2 主变# 3 主变# 4 主变1 11 31 40 0 11 0 61 0 41 0 22 0 12 0 32 0 82 1 0图1 某电厂电气一次系统简图Es 11 20 0 2# 2 厂 高 变Es 22 2 0 k Vkk 2k 1船电技术 2004年 第1期 39 3 变结构短路电流计算序分量数学模型 3 . 1 变结构支路电路模型 在有源网络 N 中，将断路器或隔离刀闸用一条阻抗为零的支路来模拟，并连接于 i 、j两个节点，满足下述边界条件： jiUU= ( 1 ) 现将 Q F 断开（即 Zij=） ，根据线性网络的特性， 向两侧注入大小相等， 方向相反的电流源 I来等效，并重新
6、建立阻抗矩阵。 I是为 Q F 断开而补偿的附加电流源，这样，将 Q F断开，没有改变网络的性质，也就是说，对外部电路来说，是完全等效的，如图 3 所示。 3 . 2 通用数学模型 当在母线上 k点( Q F合上) 发生各种短路故障时，设其短路电流为kI ，短路点的电压为kU ，根据对称分量法，将故障部分分解为由正序、负序和零序分量组成。以正序网络为例，来说明将母线上的短路电流正序分量等效转换到 Q F两侧的数学模型的建立过程。在 i 、j两个节点分别注入电流)1 ( iI、) 1 ( jI，则 ) 1 () 1 () 1 () 1 ( ) 1 () 1 () 0 () 1 (ijjiiiii
7、iiZIZIZIUU += ( 2 ) ) 1() 1 () 1 () 1 ()1 () 1()0() 1(jjjijijjjjZIZIZIUU +=( 3 ) 式中， )0(iU 、)0(jU ：短路前 i 、j 两个节点的稳态电压；)1( iU 、)1 ( jU ：i 、j 两个节点的正序电压；)1 (I：因 Q F断开而补偿的附加电流正序分量；)1(iiZ、) 1(jjZ、)1 (ijZ- - - - Q F断开后，i 、j节点自阻抗及它们之间的互阻抗。 根据 i 、j 节点边界条件有： )0(iU =)0(jU =)0(kU)1( iU =)1 ( jU =)1(kU根据（2 ） 、
8、（3 ）式及边界条件解得： )1 ()1()1()1()0()1(ffiiikkZIZIUU += ( 4 ) )1()1()1()1()0()1(ffjjjkkZIZIUU = ( 5 ) )1()1()1()0()1()(ffkjikkZIIUU += ( 6 ) 式中，)1 ()1 ()1()1()1()1 ( ) 1( ijjjijjjjjii iZZZZZZZ+= )1 ()1 ()1()1()1 ()1( )1( ijiiijiijjii jZZZZZZZ+= )1 ()1 (2 )1 () 1()1( )1 ()(ijjjijjjii ffiZZZZZZ+= )1()1(2 )1
9、()1()1( )1()(ijiiijjjii ffjZZZZZZ+= )1()1()1()1( )1( ffjffiffjffi ffkZZZZZ+= 考虑附加电流源的影响，则转移到 i 、j两个节点的短路电流正序分量为： N+-Zij= ji图3 变结构支路等值电路模型IIQ FN+-Zi j= 0ji( a ) 在i 节点处短路fj IN+-Zi j= 0ji图2 变结构支路短路电流( b ) 在j 节点处短路fi Ik Ifi Ifj Ik I40 船电技术 2004 年 第 1 期 )1()1()1 (=IIIifi ( 7 ) )1()1()1(+=IIIjfj ( 8 ) 根据戴
10、维宁定理，其等值转换过程可用图 4 来描述，图中，Zf为过渡阻抗或接地阻抗，)1( iU、)1( jU附加正序电势源，其值分别为： )1()1()1(iiZIU=( 9 ) )1()1()1(jjZIU=( 1 0 ) 同理， 仿照短路电流正序分量转换原理及图 3 ，可推出负序、零序分量等值转换计算通式如下： )2()2()2()2()2(ffiiikZIZIU= ( 1 1 ) )2()2()2()2()2(ffjjjkZIZIU = ( 1 2 ) )2()2()2()2()(ffkjikZIIU += ( 1 3 ) )2()2()2(=IIIifi ( 1 4 ) )2()2()2(
11、+=IIIjfj( 1 5 ) )0()0()0()0()0(ffiiikZIZIU =( 1 6 ) )0()0()0()0()0(ffjjjkZIZIU =( 1 7 ) )0()0()0()0()(ffkjikZIIU +=( 1 8 ) )0()0()0( =IIIifi ( 1 9 ) )0()0()0( +=IIIjfj ( 2 0 ) )2( I、)0( I- - - - 因 Q F断开而补偿的附加电流负序、零序分量。 s 为序代号，s = 1 , 2 , 0 。 根据( 4 ) 式到( 8 ) 式及( 1 1 ) 式到( 2 0 ) 式， 再结合三相短路、两相相间短路、两相短路
12、接地和单相接地短路的边界条件可列出 3个方程式，联立求解,求出短路电流及短路点电压的各序分量。这些方程式中共包含了 1 8个待求量。实际上，方程可作进一步化简和优化，一般只需解 9 元一次方程组就能得到全部解。 4 计算机分析求解步骤 ( 1 ) 建立网络拓朴结构图 根据所求电力系统网络结构和计算要求，当需要求设备( 主要是指断路器) 两侧发生短路通过设备的故障电流和要考虑设备的运行方式时，可将此设备作为一个元件支路来模拟，该支路阻抗参数为零，或导纳参数为无穷大（在用计算机分析时，无穷大可用一个比较大的数来模拟） ，并构造电路模型和网络拓朴结构图。 ( 2 ) 输入参数 ( 3 ) 选择运行方
13、式 根据运行要求，确定断路器、主变中性点接地刀闸的运行状态。如退出运行，则将此设备对应的支路阻抗参数修改为无穷大，或导纳参数为零。 ( 4 ) 选择短路点。 当需要求某个设备( 如断路器) 两侧发生短路通过设备的故障电流时，将此变结构支路断开，即支路阻抗参数修改为无穷大，或导纳参数为零，然后采用本文上述所介绍的模型和算法求解。 ( 5 ) 建立阻抗矩阵，计算短路电流。 5 变结构数学模型应用实例 如图 1 ， 在 1 1 0 k V 母线上 k 处和 Q F 1 0 2 两侧 k1、k2点分别发生金属性三相、两相相间短路，分别求出流过母线和 Q F 1 0 2 的短路电流。 其参数如下， 1
14、、2号发电机：额定功率 1 0 0 M W ，功率因素 0 . 8 5 ，正序电抗0 . 1 5 7 7 ， 负序电抗0 . 1 9 2 5 ， 额定电压1 0 . 5 k V ; 3 、4 号发电机：额定功率 1 1 0 M W ，其它参数均与 1 、2 号发电机相同。1 、2 号主变：额定容量 1 5 0 M V A ， V s 1 2 % = 1 8 ，V s 1 3 % = 1 0 ，V s 2 3 % = 1 4 ；3 、4 号主变：额Zffk(1)图4 变结构支路正序分量等值转换电路模型) 1 (Uk )0( UkZffi(1) 1(Uk)0( Uk) 1(Ik) 1(Ii) 1
15、(Ui Zffj(1) )0( Uk) 1(Ij) 1 (Uj ZfZf=船电技术 2004年 第1期 41 定容量 1 2 0 M V A ， V s % = 1 4 . 2 。系统参数：1 1 0 k V ,最大运行方式下，其正序电抗、负序电抗均为0 . 0 6 2 2 1 ；2 2 0 k V , 最大运行方式下，其正序电抗、负序电抗均为 0 . 0 1 5 7 9 。运行方式：1 4 号发电机均在额定负荷下运行，1 、2号主变 1 1 0 k V 、2 2 0 k V侧中性点刀闸均在运行状态，其它主变中性点刀闸均在退出状态。基准值：SB= 1 0 0 M V A ，VB= Va v。采用变结构数学模型，并利用计算机分析
