不对称短路故障分析与计算(电力系统课程设计)

信息工程学院
课程设计报告书题目: 不对称短路故障分析与计算
专业：电气工程及其自动化
班级：YYYYYYY班
学号：YYYYYYYYY
学生姓名：YYY
指导教师：YYY老师
20XX年X月X日
电力系统分析课程设计
题目：不对称短路故障分析与计算（手算或计算机算）
一、原始资料
T1 T2 T3 T4
1、发电机参数已经给定。

2、变压器型号：
T1: SFL7-16/110-86-23.5-10.5-0.9
T2、T3 : SFL7-31.5/110-148-38.5-10.5-0.8
T4: SF7-10/110-59-16.5-10.5-1.0
3、输电线路型号已给定。

4、需要数据查阅《新编工厂电气设备手册》
二、要求：
摘要
在电力系统运行过程中，时常会发生故障，其中大多数是短路故障（简称短路），短路计算是电力系统最常用的计算之一。

不论选择、校验电气设备的性能,还是继电保护装置的整定计算,都需要进行短路计算。

因此分析与计算不对称短路具有非常重要意义。

无论是采用面向对象的VB语言实现短路计算,还是用MATLAB中的Simulink或Simpowersystems都要熟悉基本的计算原理，本课题将通过标幺值进行电力系统的计算分析。

关键字：电力系统短路计算标幺值
Abstract:I n the operation of power system, there are often failures, most of which are short circuit faults (short).the short-circuit calculation is one of the most commonly used calculation for power system.. Regardless of the choice, the calibration electrical equipment performance, or the relay protection device's setting calculation, all needs to carry on the short circuit computation. So it is very important to analyze and calculate the asymmetric short-circuit .Both the oriented object of VB language to achieve short circuit calculation, or using MATLAB
Simulink and SimPowerSystems to familiar with the basic principle of calculation and the subject by p.u. value calculation of power system analysis.
Key words: power system short circuit evaluation Per-unit value
目录
摘要 (3)
目录 (5)
1 设计背景 (1)
2 参数分析 (2)
2.1 发电机参数 (3)
2.2 变压器T参数 (3)
2.3 线路参数 (4)
2.4 负载参数 (4)
3 计算流程 (4)
3.1 标幺值计算 (4)
3.2带入数值计算 (5)
4 等值简化 (7)
5 结果分析 (9)
5.1短路可能产生的原因 (9)
5.2短路可能造成的危害 (9)
5.3 短路预防 (10)
6 总结 (11)
参考文献 (12)
1 设计背景
所谓短路，是指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）之间的连接电力系统发生短路时，由于系统的总电阻抗大为减小，因此伴随短路所产生的基本现象是：电流剧烈增加，短路电流为正常工作电流的几十倍甚至几百倍，在大容量电力系统中发生短路时，短路电流可高达几万安甚至几十万安。

在电流急剧增加的同时，系统中的电压将大幅度下降。

短路的原因：发生短路故障的原因主要是电气设备载流部分的绝缘损坏。

引起绝缘损坏的原因各种形式的过压（例如遭到雷击）、绝缘材料的自然老化、直接的机械损伤等。

绝缘的破坏在大多数情况下是由于没有及时发现和消除设备中的缺陷，以及设计安装和运行维护不良所致。

运行人员带负荷拉刀闸或者检修后未拆除地线加加上电压等误操作，也会引起短路故障。

短路对电力系统的正常运行和电气设备有很大的危害，引起的后果是破坏性的，具体表现在：（1）短路点的电弧有可能烧坏电气设备，同时很大的短路电流通过设备会使发热增加，当短路持续时间较长时，可能使设备过热而损坏；（2）很大的短路电流通过导体时，要引起导体间很大的机械应力，有可能使设备变形或遭到不同程度的破坏。

（3）短路时，系统电压大幅度下降，对用户工作影响很大（4）发生接地短路时，会产生不平衡电流及磁通，将在领近的平行线路内感应出很大的电动势。

（5）短路发生后，有可能使并列运行发电机组失去同步，破坏系统的稳定，使电力系统瓦解，引起大片地区的停电。

电力系统短路可分为三相短路、单相接地短路、两相短路和两相接地短路等。

三相短路的三相回路依旧是对称的，故称为对称短路。

其他的几种短路的三相回路均不对称，故称为不对称短路。

电力系统运行经验表明，单相短路占大多数，上述短路均是指在同一地点短
路，实际上也可能在不同地点同时发生短路，例如两相在不同地点接地短路。

由于在电力系统中短路电流计算比较复杂，所以这次我们选择简单的单相接地短路进行计算分析，不仅可以为今后的学习、工作和生产提供一定的理论帮助，并且还可以巩固对电力线路短路的理解，为今后遇到相应的故障时能快速有效的解决。

同时通过对不对称短路电流计算我们可以：（1）选择和校验电气设备；（2）进行继保装置和自动装置的选型与整定计算；（3）分析电力系统的故障及稳定性能；（4）选择限制短路电流的措施；（5）确定电力线路对通信线路的影响。

2 参数分析
2.1 发电机参数
G1:为水电厂，额定容量110MVA ，85.0φcos N =,264.0"
d =X
G2、G3:为水电厂，额定容量25MVA,8.0φcos N =,13.0"
d =X
M:电动机（用电负载），2000KW,85.0φcos N
=,起动系数为6.5
2.2 变压器T 参数
T1： 额定容量16MVA ，一次电压110KV ，短路损耗86KW ，空载损耗23.5KW ，阻抗电压百分值U K %=10.5，空载电流百分值I 0%=0.9。

变压器连接组标号：Ynd11。

T2、T3：额定容量31.5MVA ，一次电压110KV ，短路损耗148KW ，空载损耗38.5KW ，阻抗电压百分值U K %=10.5，空载电流百分值I 0%=0.8。

变压器连接组标号：Ynd11。

T4：额定容量10MVA ，一次电压110V ，短路损耗59KW ，空载损耗16.5，阻抗电压百分比U K %=10.5，空载电流百分比I 0%=1.0。

变压器连接组标号：Ynd11。

2.3 线路参数
LGJ-120：截面1202
m ，长度100km ，每条线路单位长度的正序电抗
km X /391.0)1(0Ω=，零序电抗)1(0(0)3X X =，每条线路单位长度的对地电容
km S /1092.2b 60(1)-⨯=。

LGJ-150:截面1502
m ，长度100km ，每条线路单位长度的正序电抗
km X /384.0)1(0Ω=，零序电抗)1(0(0)3X X =，每条线路单位长度的对地电容
km S /1097.2b 60(1)-⨯= 2.4 负载参数
容量8+6jMVA ，在基准容量B S =100MVA 下，负载负序电抗标幺值为X 0（2）=0.35，零序电抗标幺值X (0)=1.2。

3 计算流程
3.1 标幺值计算
发电机电抗
N
B
G G P S 100%X X •=
N ϕcos （1） 式中 %X G ：发电机电抗百分数，由发电机铭牌参数的%X 100X G "
=⨯d ；
B S ：已设定的基准容量（基值功率），单位A MV •； N P ：发电机的额定有功功率，单位MW; N ϕcos ：发电机额定有功功率因数。

变压器电抗
NT
B
K T S S 100%U X •
=
（2） 变压器中主要指电抗，因其电抗T T R X >>，即T R 可忽略，由变压器电抗有名值推出变压器电抗标幺值为
100%
U S U U S X K NT
2NT 2B B T ••= （3）
式中 K U %：变压器阻抗电压百分数； B S ：基准容量，单位MV •A NT S 、
NT
U ：变压器铭牌参数给定额定容量，MV •A 、额定电压单位KV ；
B U ：基准电压B U 取平均电压av U ，单位KV 。

线路电抗
l x 02B
B
W U S X =
(4) 式中 0x ：线路单位长度电抗； l ：线路长度,单位km ； B S ：基准容量，单位MV •A ；
B U ：输电线路额定平均电压，基准电压av U U B =，单位KV 。

注意：因为W W R X >>，所以0R W ≈。

负载电抗
L 2L
2
L Q S U X = （5）
式中 U ：元件所在网络的电压标幺值； L S ：负载容量标幺值； L Q ：负载无功功率标幺值。

电动机电抗（近似值）
N
B
ML P S 6.51X ⨯=
cos N ϕ （6） 式中 B S ：设定的基准容量，单位MV •A ； N P ：电动机额定的有功功率，单位MW ； N ϕcos ：电动机额定有功功率因数。

3.2带入数值计算
发电机电抗标幺值由公式（1）得
204.085.0/110100
264.0)1(1=⨯=
X ；
416.08.0/2510013.0)1(2=⨯=X ；
416.08
.0/2510013.0)
1(3=⨯=X ；
正序电抗标幺值等于负序电抗标幺值等于零序电抗标幺值即：
)0(1)2(1)1(1X X X == )0(2)2(2)1(2X X X ==
)0(3)2(3)1(3X X X ==
变压器电抗值标幺值由公式（2）得
656.016100
1005.101=⨯=T X ； 333.05
.311001005.102
=⨯=T X ； 333.05.31100
1005.103=⨯=T X ； 05.110
1001005.104
=⨯=T X ； 正序电抗标幺值等于负序电抗标幺值等于零序电抗标幺值即：
)0(1)2(1)1(1T T T X X X ==
)0(2)2(2)1(2T T T X X X ==
)0(3)2(3)1(3T T T X X X ==
)0(4)2(4)1(4T T T X X X ==
线路电抗标幺值由公式（4）得
296.0115100
100391.025=⨯
⨯=X ； 290.0115100
100384.02
6=⨯⨯=X ； 145.0115100
50384.027=⨯⨯=X ；
正序电抗标幺值等于负序电抗标幺值等于零序电抗标幺值的三分之一即：
)0(5)2(5)1(53/1X X X ==； 888.03)1(5)0(5=⨯=X X ；
)0(6)2(6)1(63/1X X X ==； 870.03)1(6)0(6=⨯=X X ；
)0(7)2(7)1(73/1X X X ==； 435.03)1(7)0(7=⨯=X X ；
负载电抗标幺值由公式（5）得
61006
100
/681
22)1(=⨯
+=
L X ；
负载负序电抗标幺值为35.0)2(=L X ，零序电抗标幺值2.1)0(=L X 。

电动机电抗标幺值由公式（6）得
538.685.02
5.6100
1)1(=⨯⨯⨯=
M X ；
（1）由于异步电动机定子绕组是星形或三角接法，零序电流不能通过异步电动机，
零序电抗无限大。

（2）异步电动机转子结构对称，负序电流通过时，虽然定子旋转磁场与转子转速
相反，转差为2s ，由于磁路与正序一样，故负序电抗等于次暂态电抗。

正序电抗标幺值等于负序电抗标幺值，零序电抗标幺值为穷大即：
)2()1(M M X X = ；inf )0(=M X
对下标的说明：各元件下标括号外的数字表示为第几个原件，括号内的数字1,2,0
分别表示正序，负序，零序。

例如：第一个元件（零序）X X =)0(1。

4 等值简化
短路点正序标幺值为：
262
.029.6//733.7//375.0//155.1)629.0//()145.005.1538.6//()333.0416.0//()333.0416.0//()296.0656.0204.0()
//()//()//()//()()1()1(6)1(7)1(4)1()1(3)1(3)1(2)1(2)1(5)1(1)1(1)1(==+++++++=+++++++=L T M T T T ff X X X X X X X X X X X X X 短路点负序标幺值为：
191
.064.0//273.064.0//733.7//283.064.0//733.7//375.0//155.1)35.029.0//()145.005.1538.6//()333.0416.0//()333.0416.0//()296.0656.0204.0()
//()//()//()//()()2()2(6)2(7)2(4)2()2(3)2(3)2(2)2(2)2(5)2(1)2(1)2(====+++++++=+++++++=L T M T T T ff X X X X X X X X X X X X X 短路点零序标幺值为：
128
.007.2//136.007.2//485.1//15.007.2//485.1//1665.0//541.107.2//485.1//333.0//333.0//541.1)2.187.0//()435.005.1//(333.0//333.0//)885.0656.0()
//()//(////)()0()0(6)0(7)0(4)0(3)0(2)0(5)0(1)2(=====+++=+++=L T T T T ff X X X X X X X X X
不对称短路的短路电流正序分量标幺值：
72
.1581.01128.0191.0262.01
1
)
0()
2()
1()1(==
++=
++=ff ff ff f X X
X
I
短路电流的标幺值：
16.572.133)1(=⨯=⨯=f f I I
短路电流的幅值：
)(59.2115
3100
16.53KA U S I I B
B f K =⨯⨯
=⨯
=
短路冲击电流幅值：
)(6045.659.255.255.2KA I i K sh =⨯=⨯=
短路点非故障相对地电压：
220.0329.0549
.0])1(）a （[2*
)1(*)0(2*)2(2*b --=-+-=a a I X a X a V fa ff ff f
220.0329.0549.0])1(a [2*)1(*)0(*)2(2*--=-+-=a a I X a X a V fa ff ff fc ）（
5 结果分析
5.1短路可能产生的原因
电力系统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,电力系统的绝缘的破坏是由于未及时发现和消除设备中的缺陷和维护不当所成的。

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。

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、导线断线等也会造成短路。

5.2短路可能造成的危害
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,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。

另外,短路类型如果是金属性短路,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太多的时候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。

5.3 短路预防
系统中的短路事故是人们竭力避免而又不能绝对避免的事故,对于已投入运行的变压器,首先应配备可靠的供保护系统使用的直流电源,并保证保护动作的正确性。

结合目前运行中变压器杭外部短路强度较差的情况,对于系统短路跳闸后的自动重合或强行投运,应看到其不利的因素,否则有时会加剧变压器的损坏程度,甚至失去重新修复的可能。

目前己有些运行部门根据短路故障是否能瞬时自动消除的概率,对近区架空线或电缆线路取消使用重合问,或者适当延长合间间隔时间以减少因重合闸不成而带来的危害,并且应尽量对短路跳闸的变压器进行试验检查。

6 总结
本次电力系统课程设计，在耿东山老师悉心的指导与帮助以及各位组员的共同努力下，终于在规定时间内成功完成，在此，谨向耿老师表示衷心的感谢！
我们组的任务是对单相接地短路进行电流计算和结果分析。

通过各位组员的积极配合，共同查阅相关资料，并一起开会讨论，最后都各尽其职地完成了任务。

在这段时间内，所学到的知识却很多。

通过本次课程设计，使我们对书本的知识有了更加透彻的理解。

锻炼了我们的动手计算能力，培养了我们的团队协作精神，为以后的学习，毕业设计和工作奠定了一定的基础。

参考文献
[1]何仰赞温增银.电力系统分析[M]. 武汉：华中理工大学出版社，2002.3
[2]西安交通大学等.电力系统计算[M]. 北京：水利电力出版社，1993.12。