电力系统的短路分析与故障

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1、郑州电力职业技术学院毕 业 论 文课题名称电力系统的短路分析与故障学生姓名 王 延 磊 学 号 08401030327 专 业 发电厂及电力系统班 级 三 班 指导教师程 佳 佳 2011 年3 月电力系统的短路分析与故障内容提要：本文首先介绍了电力系统短路故障的基本知识，短路的原因、后果及短路的各种形式；引入了无限大容量电力系统概念，无限大容量电力系统是理论上的概念。短路故障是破坏电力系统正常运行的常见原因，简要探讨短路故障的成因及短路电流计算的问题。但在实际中，可以把电力系统等效成无限大电力系统。短路计算是工厂供电最重要的内容之一。文中简要描写了短路电流的计算。关键词：电力系统 短路 短路

2、故障 分析 计算正文：一、 短路(一) 短路的含义及类别在电力系统的设计和运行中，不仅要考虑正常工作状态，而且还必须考虑到发生故障时所造成的不正常工作状态。实际运行表明，破坏供电系统正常运行的故障，多数为各种短路故障。电力系统的短路就是在回路中因为电阻降低而引起电流异常增大的一种现象；电力系统在运行中 ，相与相之间或相与地（或中性线）之间发生非正常连接（即短路）时而流过非常大的电流。1. 最常见的短路类型：单相短路、对称短路 （三相短路）、非对称短路（其余三种短路类型）。 2. 断线故障（非全相运行、纵向故障）：一相断线、二相断线。3. 不对称故障：非对称短路、断线故障 4. 简单、复杂故障：

3、简单故障指系统中仅有一处短路或断线故障；复杂故障指系统中不同地点同时发生 不对称故障。短路分为很多种情况，有单相接地短路，两相短路，两相短路接地，三相短路等。相线俗称火线， 三相就是三个火线，他们电相线俗称火线！ 三相就是三个火线，他们电压相等，频率相当，但是相序（时间）不同！1) 单相接地短路：是指三相交流供电系统中一根相线与大地成等电位状态了，也就是该相线的电位与大地的电位相等，都是“零”。2) 两相短路：任意两相导线，直接金属性连接或经过小阻抗连接在一起。3) 两相短路接地：是指三相交流供电系统中两根相线与大地成等电位状态了，4) 三相短路：三相短路分三种：1.单相接地短路；2.两相之间

4、短路；3.三相全部短路。此外，研究短路现象还要和电力系统的接线方式有关，如变压器中性点直接接地，中性点非直接接地等等。针对不同短路，不同的接线方式，短路发生时有不同的现象。如果是中性点非直接接地的电力系统，那么单相短路接地故障时仍然可以运行一段时间，因为此时线电压是不变的，但是故障相的对低电压变为零，非故障相的对低电压变为原来的根号3倍，这时候如果绝缘做的不好，容易使故障扩大。如果是中性点直接接地，那么就不行在继续运行了，系统会产生比较大的零序流，线电压也发生了变化。(二) 短路产生的原因及危害产生短路的主要原因，是供电系统中的绝缘被破坏。在绝大多数情况下，绝缘的破坏是由于未及时发现和消除设备

5、中的缺陷，以及设计、安装和维护不当所造成的。例如过电压、直接雷击、绝缘材料的老化、绝缘配合不当和机械损坏等；运行人员错误操作，如带负荷断开隔离开关或检修后未撤接地线就合断路器等；设备长期过负荷，使绝缘加速老化或破坏；小电流系统中一相接地，未能及时消除故障；在含有损坏绝缘的气体或固体物质地区。未考虑电气间隙与爬电距离(应符合GB)等。此外，在电力系统中的某些事故也可能直接导致短路，如电杆倒塌、导线断线等：或动物、飞禽跨越导体时也会造成短路。 短路电流越大，持续时间越长，对故障设备的破坏程度越大。短路电流所产生的电动力能形成很大的破坏力，如果导体和它们的支架不够坚固，可能遭到难以修复的破坏：这样大

6、的短路电流即使通过的时间很短，也会使设备和导体引起不能允许的发热，从而损坏绝缘，甚至使金属部分退火、变形或烧坏。短路时由于很大的短路电流流经过网路阻抗，必将使网路产生很大的电压损失。如为金属性短路，短路点电压为零，短路点以上各处的电压也要相应降低很多，一旦电压低于额定电压40以上时，就会使供电受到严重影响或被迫中断；若在发电厂附近发生短路，还可能使全电力系统运行解列，引起严重后果。接地短路时，接地相出现的短路电流为不平衡电流，该电流所产生的磁通将对邻近平行的通讯线路感应出附加电势，干扰通讯，严重时，将危及通讯设备和人身的安全。 为了限制发生短路时所造成的危害和故障范围的扩大，需要在供电系统中加

7、装保护，以便在故障发生时，自动而快速地切断故障部分，以保障系统安全正常运行。这就需要我们准确的计算短路电流的大小。(三) 短路故障短路故障是电力系统正常运行情况以外的相与相之间或相与地（或中性线）之间的连接。发生短路故障时，电力系统从正常的稳定状态过渡到短路的稳定状态，一般需35秒。在这一暂态过程中，短路电流的变化很复杂。它有多种分量，其计算需采用电子计算机。在短路后约半个周波（0.01秒）时将出现短路电流的最大瞬时值，称为冲击电流。它会产生很大的电动力，其大小可用来校验电工设备在发生短路时机械应力的动稳定性。短路电流的分析、计算是电力系统分析的重要内容之一。它为电力系统的规划设计和运行中选择

8、电工设备、整定继电保护、分析事故提供了有效手段。二、 无限大功率电源供电的三相短路电流分析(一) 无限大功率电源 短路点距离电源的电气距离较远时，短路导致电 源输出功率的变化量远小于电源所具有的功率，则称 该电源是无限大电源。 特点： 1)频率恒定 （有功变化量远小于电源的有功功率）。 2) 电压恒定（无功变化量远小于电源的无功功率）。 3) 电源内电抗为0 （故电压恒定）。 实际上真正的无限大电源不存在。当功率变化量小于3%电源功率，或者电源内阻抗小于短路回路总阻抗的10%时候，可认为电源为无限大电源。根据楞次定律，电感电流不能突变。短路前后电感电流不能突变，也是直流分量出现的物理原因。短路

9、冲击电流：指在短路时可能达到的最大短路电流瞬时值。用于检验电气设备和载流导体的动稳定度。(二) 暂态过程分析 稳态正常运行的a 相电流值求解： 相量表达式为：Ia Ua/Z三相短路发生时： 1) 电路被短路成左右二部分； 2) 右边回路部分电流将衰减为0 ； 3) 左边回路阻抗减小，稳态电流增大，电感回路必然有暂态过程。 (三) 短路电流的计算1. 短路计算的基本步骤1) 制定电力系统故障时的等效网络； 2) 网络化简； 3) 对短路暂态过程进行实用计算。2. 短路电流计算方法在供配电系统的设计和运行中，不仅要考虑正常运行的情况，而且要考虑短路。短路电流计算结果可作为选择电气设备及供配电设计的

10、依据。三相短路电流计算是电力系统规划、设计、运行中必须进行的计算分析工作。目前，三相短路电流超标问题已成为困扰国内许多电网运行的关键问题。然而，在进行三相短路电流计算时，各设计、运行和研究部门采用的计算方法各不相同，这就有可能造成短路电流计算结论的差异和短路电流超标判断的差异，以及短路电流限制措施的不同。如果短路电流计算结果偏于保守，有可能造成不必要的投资浪费：若偏于乐观，则将给系统的安全稳定运行埋下灾难性的隐患。因而，在深入研究短路电流计算标准的基础上，比较了不同短路电流计算条件对短路电流计算结论的影响，以期能为电网短路电流的计算和限制提供更切合实际的方法和思路。短路电流的计算方法有：故障电

11、流计算 对称的短路电流计算 非对称的短路电流计算-应用序网阻抗合成计算法 无限大容量系统 有限容量系统 短路功率法 标幺制法 有名单位制计算法 实用运算曲线法 3. 采用IEC标准进行短路电流计算经典的短路电流计算方法为：取变比为1.0，不考虑线路充电电容和并联补偿，不考虑负荷电流和负荷的影响，节点电压取1.0，发电机空载。短路电流计算的标准主要有IEC标准和ANSI标准，我国采用的是IEC标准。国标规定了短路电流的计算方法、计算条件。国标推荐的三相短路电流计算方法是等值电压源法，其计算条件为：(1)不考虑非旋转负载的运行数据和发电机励磁方式；(2)忽略线路电容和非旋转负载的并联导纳：(3)具

12、有分接开关的变压器，其开关位置均视为在主分接位置；(4)不计弧电阻：(5)35kV及以上系统的最大短路电流计算时，等值电压源取标称电压的1.1，但不超过设备的最高运行电压。采用IEC标准进行短路电流计算时，户任意设定短路电流计算的初值条件。可设定的选项包括:变比选项:1.0或正常变比;考虑充电电容与否;计及并联补偿与否;节点电压值;发电机功率因素。变压器变比增大时,从本母线出去的变压器比增加了,变压器支路的等值阻抗将增加,短路电流将减小;反之,变压器支路的等值阻抗将减少,短路电流将增加。变比的大幅度变化对短路电流的影响相对较小;除基于潮流的短路电流计算外,短路电流计算一般均不考虑线路充电电容、

13、线路高抗、低压并联电容器、电抗器等设备的影响。考虑并联补偿时,短路电流的变化相对较小,而且,考虑并联补偿后,短路电流的的变化有升有降,其中,若是容性补偿占主导影响,短路电流增加,反之,则下降;考虑充电电容时,短路电流的变化幅度较大;若同时考虑充电电容和并联补偿,其影响是两者的叠加;在短路电流计算中,除基于潮流的短路电流计算外,发电机一般设为空载,所以,发电机的空载电势与其端电压相同。若发电机处于负载状态,其空载电势将太子发电机端电压,且在有功功率相同的情况下,功率因素越低,负载率越高,电流越大,空载电势就越大,故障前短路点的母线电压也就越高,所以短路电路就越大;另外节点电压的变化时,基于等值电

14、压源法的短路电流计算结果与电压值保持线性关系。 ,基于潮流的短路计算、经典短路电流计算方法以及用IEC推荐的方法(变比不变,节点电压取1.05PU)计算结果有所不同。经典计算方法所得的短路电流计算结果偏小,有可能给系统埋下不安全的隐患;IEC方法与基于潮流的短路电流结果相差较小,但不同区域的偏差各不相同,也并不一定能反映系统的最大短路电流水平。若换一个思路,设计算节点的最大短路电流计算器最小等值阻抗,则系统的最小等值阻抗是易于求取的,且能复合系统实际的。在此基础上,根据各节点的晟大可能运行电压,去求得该节点的最大短路电流水平,应该是最能反映系统可能的最大短路电流水平的可行方法,据此合理的选择保

15、护系统,确保电路安全正常运行。4. 变压器联系的不同电压等级网络中各元件参数标幺值的计算 原则：选定某个归算电压等级，对其它电压等级的参数用联系变压器变比进行归算。 归算方法：功率不变、阻抗乘变比平方、电压乘变比、电流除变比 1)有名值归算：可按上面原则直接归算到某个电压等级 2)标幺值归算 （准确计算）： 方法一：先用有名值归算到某个电压等级，再统一 转换为标幺值； 方法二：把基准值归算到各个电压等级，再直接把各个电压等级的参数转换为标幺值即可。 3)近似计算法：用各个电压等级的平均电压之比代替实际变压器变比进行参数归算。（平均电压一般大致为电网额定电压的1.05 倍）例：如下网络，在f点发生三相短路，试用同一变化法计算t=0S,0.2S,4S的短路电流，及（取）解：用标么制法，取（1）绘制等值电路图（2）网络化简，求（一定要注意是