毕业设计-电力系统短路计算.doc

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Xinjiang Institute of Engineering

课程设计说明书

题目名称： 某系统短路计算

系 部： 电力工程系
专业班级： 电气工程12-3
学生姓名：
学 号： 2014220040
指导教师：
完成日期： 2015年01月16日

电力工程系课程设计答辩情况记录表
答辩人姓名

班 级
电气工程12-3
专 业
电气工程及其自动化
设计题目
某系统短路计算
指导老师

答辩日期
2015年01月15 日
答辩时间
16时03分—16时30分
自述

本次设计就是就某系统发生短路而进行的短路计算。通过手算并辅以仿真。电力系统的运行过程中，时常会发生故障，其中大多数是短路故障。在三相供电系统中，破坏供电系统正常运行的故障最为常见而且危害性最大的就是各种短路。
回答问题
1.课程设计的思路是什么？
答：首先，分析题目根据题目列出相边界与序边界条件，然后组合序网求出相电流与序电流，手算之后到实验室进行PSASP仿真。
2.短路计算的方法有哪些？你们用的是什么方法？
答：对称分量法，不对称分量法。我们用的是不对称分量法。
3.短路计算的目的是什么？
答：选择限制短路电流的方式，选择电气设备，整定继电保护装置，选择主接线方案  
4.设计遇到哪些问题？如何解决的？
答：主要是 计算时公式理解不够导致计算错误，然后我们就找学习比我们好的请教，弄懂，在仿真的时候短路计算老是发生错误，最后问别的同学，才仿真成功！
5.课程设计体会是什么？
答：发现了自己的不足，主要是计算不仔细，有些公式没记住，概念理解的也不是很透彻，觉得以后在学习中要更加努力，然后就是得到了班里其他同学的帮助让我很温暖 。
小结
短路电流的计算可以帮助我们在设计系统时就可把短路问题考虑进去，并选择方案及电气设备。还有避免系统在运行中出现故障，造成大面积的停电；或是造成对设备的投资过多，造成浪费。

答辩教师： 年 月 日
新疆工程学院电力工程系
课程设计评定意见

设计题目： 某系统短路计算
学生姓名： 王 东 专业 电气工程及其自动化 班级 电气工程12-3
评定意见：

评定成绩：
指导教师（签名）： 年 月 日

评定意见参考提纲：
1、学生完成的工作量与内容是否符合任务书的要求。
2、学生的勤勉态度。
3、设计或说明书的优缺点，包括：学生对理论知识的掌握程度、实践工作能力、表现出的创造性和综合应用能力等。

新疆工程学院
电力工程系课程设计任务书
14/15学年 1学期2014年12月18日
专 业
电气工程及其自动化
班级
电气工程12-3
课程名称
电力系统分析基础
设计题目
某系统短路计算
指导教师
刘 华
起止时间
2015年01月12日—2015年01月16日
周数
1周
设计地点
神华楼A303
仿真实验室
设计目的：本次电力系统课程设计是根据给定的原始材料完成、巩固和加深对电力系统短路计算基本原理的理解，学习和掌握应用计算机进行电力系统设计和计算的方法，培养学生独立分析和解决问题的能力。
设计任务或主要技术指标：

短路点短路电流的计算所需的部分参数都已经标注在电路图中，本组成员计算所需系统C、变压器T1、线路L、变压器T2、发电机G等的电抗标幺值。发电机：电压标幺值Eeq=1；线 路：正序负序阻抗的额定标幺值取0.05，零序阻抗的额定标幺值取0.15；a.求系统C的正序电抗；b.求K点发生abc两相接地短路和abc三相短路时故障点电流；c.求K点发生abc三相短路时发电机G和系统C分别提供的故障电流。线路单位长度的参数见电力系统分析教材。
2.设计进度与要求
设计进度：[1] 第一天：选题，收集资料，完成开题报
[2] 第二天第三天：电网接线方案设计
[3] 第四天：完成电路电流的手工计算
[4] 第五天：基于PSASP的仿真短路计算
[5] 第六第七天日：打印设计初稿，交指导老师批阅。
要求：[1] a.求系统C的正序电抗；b.求K点发生abc两相接地短路和abc三相短路时故障点电流；c.求K点发生abc三相短路时发电机G和系统C分别提供的故障电流。线路单位长度的参数见电力系统分析教材；
[2] 用PSASP建模仿真计算；
[3] 2人一组，1人手算，1人计算机仿真计算。
[4] 计算题目要求的电网的1个点的短路电流，画出正序，负序，零序和等效图，手算之后再在计算机上用PSASPB建模仿真。
主要参考书及参考资料：
[1] 李庚银.电力系统分析基础 [M].北京：机械工业出版社.2011.8;
[2] 中国电力科学研究院.短路计算用户手册[M].2010.6；
[3] 中国电力科学研究院.潮流计算用户手册[M].2010.6；
教研室主任（签名） 系（部）主任（签名） 年 月 日

摘 要
电能是现代社会中最重要，也是最方便的能源。电能具有许多优点，它可以方便地转化为别种形式的能，它的输送和分配易于实现；它的应用规模也很灵活。
电力系统正常运行的破坏多半是由短路故障引起的。发生短路时，系统从一种状态剧变到另一种状态，并伴随产生复杂的暂态现象。所谓短路，是指一切不正常的相与相之间或相与地发生通路的情况。在三相系统中，可能发生的短路有：三相短路、两相短路、两相短路接地和单相接地短路。
对于各种不对称短路，都可以对短路点列写各序网络的电势方程，根据不对称短路的不同类型列写边界条件方程。联立求解这些方程可以求得短路点电压和电流的各序分量。

【关键词】 短路、对称短路、不对称短路

Abstract
Electric power is the most important in the modern society, is also the most convenient source of energy. Electric energy has many advantages, it can be easily transformed into other forms of energy, it is easy to realize the transmission and distribution; it is also flexible application scale.
电力系统正常运行的破坏多半是由短路故障引起的。发生短路时，系统从一种状态剧变到另一种状态，并伴随产生复杂的暂态现象。所谓短路，是指一切不正常的相与相之间或相与地发生通路的情况。在三相系统中，可能发生的短路有：三相短路、两相短路、两相短路接地和单相接地短路。
Most of the normal operation of the power system failure is caused by short circuit fault. When a short circuit occurs, the system from one state to another state of upheaval, and accompanying transient phenomena complex. The so-called short, refers to the occurrence of path or phase between all not normal phase conditions. In the three-phase system, short circuit may occur: three phase short circuit, two phase short circuit, two phase short circuit to ground and single-phase grounding fault.
对于各种不对称短路，都可以对短路点列写各序网络的电势方程，根据不对称短路的不同类型列写边界条件方程。联立求解这些方程可以求得短路点电压和电流的各序分量。
For a variety of asymmetric short circuit, can be classified the EMF equation to write each sequence network on the short point, according to different types of asymmetric short-circuit column write boundary condition equations. The sequence component of simultaneous solution of these equations can be solved by the short point of voltage and current.

[keyword]: symmetric asymmetric short-circuit short-circuit

目录
1 设计任务 1
2 设计原理 2
2.1 两相短路 2
2.2 三相短路 4
3 计算过程及步骤 6
3.1 系统C的正序电抗计算 6
3.2 K点发生两相短路时故障点电流计算 7
3.3 K点发生abc三相短路时故障点电流 8
3.4 K点发生abc三相短路时发电机G和系统C分别提供的故障电流 9
4 仿真实验 10
4.1交直流电力系统分析程序功能 10
4.2仿真结果部分截图 11
结果分析 15
总 结 16
致 谢 17
参考文献 18

《电力系统分析》课程设计
1 设计任务
如图所示发电机G，变压器T1、T2以及线路L电抗参数都以统一基准的标幺值给出，系统C的电抗值是未知的，但已知其正序电抗等于负序电抗。在K点发生a相直接接地短路故障，测得K点短路后三相电压分别为， 。

图1 电路原理图
要求完成的主要任务:
(1) 求系统C的正序电抗；
(2) 求K点发生bc两相短路和abc三相短路时故障点电流；
(3) 求K点发生bc两相短路和abc三相短路时发电机G和系统C分别提供的故障电流(假设故障前线路中没有电流)。

18

2 设计原理
2.1 两相短路
1. 两相短路各序网络的制定
应用对称分量法分析计算不对称故障时，首先必须作出电力系统的各序网络。为此，应根据电力系统的接线图，中性点接地情况等原始资料，在故障点分别施加各序电势，从故障点开始，逐步查明各序电流流通的情况。凡是某一序电流能流通的元件，都必须包括在该序网络中，并用相应的序参数和等值电路表示。除中性点接地阻抗，空载线路以及空载变压器外，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，如图2所示；负序电流能流通的元件与正序电流的相同，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，便得到负序网络如图3所示；在短路点电流施加代表故障边界条件的零序电势时，由于三相零序电流大小及相位相同，他们必须经过大地才能构成通路，而且电流的流通与变压器中性点接地情况及变压器的接法有密切的关系，如图4所示。利用各序的网络图可以计算出相应的各序阻抗。
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图2 系统的正序网络
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图3 系统的负序网络
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图4 系统的零序网络
2. 不对称三相量的分解
对称分量法是分析不对称故障的常用方法，根据对称分量法，一组不对称的三相量可以分解为正序、负序、零序三相对称的三相量。
在三相电路中，对于任意一组不对称的三相相量(电压或电流)，可以分解为三组对称的相量，当选择a相作为基准相时；三相相量与其对称分量之间的关系为：

式（2-1）中，运算子 ，且有
分别为a相电流的正序、负序和零序分量，并且有

最后可得到

电压的三相相量与其对应的序分量之间的关系也与电流的一样。
2.2 三相短路
正序等效定则：是指在简单不对称短路的情况下，短路点电流的正序分量与在短路点各相中接入附加电抗而发生三相短路时的电流相等。三种不对称短路电流的正序分量的计算和三相短路电流在形式上很相近，只是阻抗为 ,是附加阻抗。在单相短路时附加阻抗为和(或)的串联；两相短路时附加阻抗为(或)；两相短路接地时为 (或)的并联。因此，对于任一种不对称短路，其短路电流的正序分量可以利用图5所示的正序增广网络计算。

图5 正序增广网络
在图5中，阻抗Z△为附加阻抗，对于任一种不对称短路，其短路电流的正序分量可以利用图5所示的正序增广网络计算。故障相短路电流的值和正序分量有一定关系，可以用以下公式：

上式中 Z△正序增广网络中附加阻抗；
M 故障相短路电流对正序分量的倍数。
表2-1列出了各种短路时Z△和M的值，对于两相短路接地，表中的M值只适用于纯电抗的情况。

表2-1 各种短路时的Z△和M值
短路种类
Z△
M
三相短路
0
1
单相短路
Z∑(2)+( Z∑(1)+3 Zf)
3
两相短路
Z∑(2)+ Zf

两相接地短路

3 计算过程及步骤
3.1 系统C的正序电抗计算
应用对称分量法分析各种简单不对称故障时，都可以写出各序网络故障点的电压方程式(3-1)，当网络的各元件都只用阻抗表示时,方程可写成

式中= ，即是短路发生前故障点的电压。
a相接地短路时，故障处的三个边界条件为：

用对称分量表示为：

经整理后便得到用序量表示的边界条件为

根据边界条件式和方程式(3-1)。即能确定短路点电流和电压的各序分量为

短路点非故障相得对地电压为：

根据设计任务所给的已知条件代入式得：

与式相比并且将代入两式得：

对式进行化简，最终得到：

由系统的各序网络图可得到：

最后可解得：

由此可得:

3.2 K点发生两相短路时故障点电流计算
K点发生两相（b、c相）短路，该点三相对地电压及流出该点的相电流（短路电流）具有下列边界条件：

将它们转换为用对称分量表示，先转换电流

即为：

说明两相短路故障点没有零序电流，因为故障点不与地连接，零序电流没有通路。
由式中电压关系可得

即(省略下标a)

和即为两相短路的三个边界条件。即

解联立方程和得

故障相短路电流为

3.3 K点发生abc三相短路时故障点电流
根据正序等效定则可知，三相短路的附加阻抗 ,即三相短路电流等于正序电流（三相短路）
总电抗：

由此三相短路电流：

3.4 K点发生abc三相短路时发电机G和系统C分别提供的故障电流
K点发生abc三相短路系统C故障电流：

K点发生abc三相短路发电机G故障电流：

4 仿真实验
本次仿真用PSASP软件，PSASP基于电网基础数据库、固定模型库以及用户自定义模型库的支持，可以进行电力系统（输电、供电和配电系统）的各种计算分析。
4.1交直流电力系统分析程序功能
潮流计算、暂态稳定、短路电流、网损分析、电压稳定、静态安全分析、静态和动态等值、直接法暂态稳定、小干扰稳定、最优潮流和无功优化、参数优化协调、继电保护整定与仿真；主要特点:①交直流混合电力系统；②固定模型库和用户自定义模型库支持；③提供用户程序接口实现与用户程序联合运行；④文本和图形两种运行模式及多种形式的结果输出；⑤开放友好的用户程序接口环境；⑥PSASP提供用户程序接口(UPI)环境使PSASP模块和用户程序模块联合运行共同完成某一计算任务；⑦UPI为用户提供了更加自由更加开放的环境即通过编程(语言工具不限如FORTRANC++等)；⑧利用PSASP的资源和实现PSASP的功能扩充；⑨利用Windows操作系统提供的动态连接库(DLL)支持可以使UPI方式与PSASP内部的固定模型方式在计算精度和时间上达到同样的效果其中不少单位如清华大学浙江中试等应用UPI做了很多富有成效的科研工作。
潮流计算流程：
PSASP潮流计算的流程和结构如下图所示：

图6

短路计算流程：
图7

4.2仿真结果部分截图

图8仿真主接线图

图9系统潮流分析

图10 BC短路短路电流

图11 BC两相短路电流报表

图12 K点ABC三相短路电流

图13 ABC三相短路报表

图14 发电机G母线侧三相短路电流

由于计算误差以及PSASP仿真时发电厂、变压器、母线、交流线等一系列的参数只知道阻抗，部分数据不统一。所以导致手算和PSASP短路计算出来的数据存在一定的差值。发电机母线侧三相短路电流的计算直接用PSASP软件计算，不基于潮流计算。如有必要可在发电机G侧母线上加装限流电抗器。

结果分析
经过计算可以看出系统在发生单相接地短路时,与大小相同，相位相反。同样在发生两相短路接地时bc两相的电流大小相等，相位相反；非短路相短路电流为零；在发生bc两相短路时，虽然非故障相短路电流为零，但系统C和发电机G各系统提供的正序电流和负序电流不为零。
由分析计算可知，两相短路有以下几个基本特点：
（1）短路电流及电压中不存在零序分量。
（2）两故障相中的短路电流的绝对值相等，而方向相反，数值上为正序电流的3倍。
（3）当正序阻抗等于负序阻抗时，两相短路的故障相电流为同一点发生三相短路时的短路电流的倍，因此可以通过对序网进行三相短路计算来近似求两相短路的电流。
（4）短路时非故障相电压在短路前后不变，两故障相电压总是大小相等，数值上为非故障相电压的一半，两故障相电压相位上总是同相，但与非故障相电压方向相反。
三相短路时，可根据正序等效定则进行分析和计算。

总 结
本设计是求三相输电线路的短路电流。短路电流的计算在实际的电力生产中有着非常重要的意义。它可以帮助我们在设计系统时就可把短路问题考虑进去，避免系统在运行中出现故障，造成大面积的停电；抑或是造成对设备的投资过多，造成浪费。
同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学的知识理解不够深刻，掌握的不够牢固。我们通过查阅大量有关资料，并在小组中互相讨论，交流经验和自学，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛。但这激发了我努力学习的兴趣。通过这次设计，我懂得了学习和团队合作的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持，耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。

致 谢
经过这一周的努力，我的课程设计在刘老师的细心指导下完成。我衷心地感谢我的指导老师。在设计过程中刘老师给予了我细心的指导，使得本设计得以顺利完成。
在课程设计的过程中，刘老师对我们倾注了大量的心血和汗水，她严谨的治学态度、渊博的知识水平和踏实的工作作风给我留下了深刻的印象。刘老师那爱岗敬业的精神让我感动，使我终身受益。在此，我向刘老师致以最诚挚的敬意。
在设计的过程中，我通过查阅大量相关资料，与同学交流及自学，丰富了自我阅历，虽经历了不少艰辛，但收获巨大，不仅树立了对自己工作能力的信心，而且大大提高了动手能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。相信对今后的学习、工作、生活有着很大的鼓励，感谢生活。

参考文献
[1] 李庚银.电力系统分析基础[M].北京：机械工业出版社，2011.8
[2] 中国电力科学研究院.短路计算用户手册[M].2010.6；
[3] 中国电力科学研究院.潮流计算用户手册[M].2010.6：