电力系统不对称短路电流计算

《电力系统分析》
不对称故障的分析与计算
水利与建筑工程学院
电气与动力实验室
1、不对称短路分析与计算
一、实验目的
1、掌握运用Matlab进行电力系统仿真实验的方法；
2、理解导纳矩阵、阻抗矩阵及其求解方法；
3、掌握不对称短路的分析和计算方法；
4、学会编写程序分析不对称故障。

二、预习与思考
1、用Matlab对基本的矩阵进行运算。

2、导纳矩阵、阻抗矩阵有何关系，如何求取阻抗矩阵？
3、不对称短路有哪些，它们的边界条件分别是什么，如何形成它们的复合序网络图？
4、如何用程序实现不对称短路的计算？
三、系统网络及参数
图1 系统网络图
表1 元件参数及阻抗
四、实验步骤和要求
1、根据以上网络和参数，编写程序进行下列故障情况下的故障电流、节点电压和线路电流的计算。

（1）通过故障阻抗Z f=j0.1p.u., 节点3发生三相短路；
（2）通过故障阻抗Z f=j0.1p.u.,节点3发生单相接地短路；
（3）通过故障阻抗Z f=j0.1p.u.,节点3发生相间短路；
（4）通过故障阻抗Z f=j0.1p.u.,节点3发生两相接地短路。

五、实验报告
1、完成下表2-表9。

表2 节点3发生三相对称短路时的故障电流
表3 节点3发生三相对称短路时各节点电压
表4 节点3发生单相短路时的故障电流
表5 节点3发生单相短路时各节点电压
表6 节点3发生相间短路时的故障电流
表7 节点3发生相间短路时各节点电压
表8 节点3发生两相接地短路时的故障电流
表9 节点3发生两相接地短路时各节点电压
2、书面解答本实验的思考题。

2.7电力系统各序网络的建立2.7.1概述当电力系统发生不对称短路时，三相电路的对称条件受到破坏，三相电路就成为不对称的了。

但是，应该看到，除了短路点具有某种三相不对称的部分外，系统其余部分仍然可以看成是对称的。

因此，分析电力系统不对称短路可以从研究这一局部的不对称对电力系统其余对称部分的影响入手。

现在根据图7-32所示的简单系统发生单相接地短路（a 相）来阐明应用对称分量法进行分析的基本方法。

设同步发电机直接与空载的输电线路相连，其中性点经阻抗接地。

若在a 相线路上某一点发生接地故障，故障点三相对地阻抗便出现不对称，短路相0Z a =，其余两相对地阻抗则不为零，各相对地电压亦不对称，短路相0U a =，其余两相不为零。

但是，除短路点外，系统其余部分每相的阻抗仍然相等。

可见短路点的不对称是使原来三相对称电路变为不对称的关键所在。

因此，在计算不对称短路时，必须抓住这个关键，设法在一定条件下，把短路点的不对称转化为对称，使由短路导致的三相不对称电路转化为三相对称电路，从而可以抽取其中的一相电路进行分析、计算。

实现上述转化的依据是对称分量法。

发生不对称短路时，短路点出现了一组不对称的三相电压（见图7-33(a)） 。

这组三相不对称的电压，可以用与它们的大小相等、方向相反的一组三相不对称的电势来替代，如图7-33(b) 所示。

显然这种情况同发生不对称短路的情况是等效的。

利用对称分量法将这组不对称电势分解为正序、负序及零序三组对称的电势（见图7-33(c)） 。

由于电路的其余部分仍然保持三相对称，电路的阻抗又是恒定的，因而各序具有独立性。

根据叠加原理，可以将图7-33(c)分解为图7-33(d)(e)(f) 所示的三个电路。

图7-33(d) 的电路称为正序网络，其中只有正序电势在起作用，包括发电机电势及故障点的正序电势。

网络中只有正序电流，它所遇到的阻抗就是正序阻抗。

图7-33(e)的电路称为负序网络。

由于短路发生后，发电机三相电势仍然是对称的，因而发电机只产生正序电势，没有负序和零序电势，只有故障点的负序分量电势在起作用，网络中只有负序电流，它所遇到的阻抗是负序阻抗。

短路电流与归算阻抗计算一、 归算阻抗计算：1、标么值：）基值（与有名值同单位有名值标么值=标么值是相对某一基值而言的,同一有名值,当基准值选取不一样时,其标么值也不一样;基值体系中有两个独立的基值量,一个为基值容量S B ,另一个为基准电压U B ,其他基值量电流I B ,阻抗Z B 等可由以上两个基值量算出,基值之间满足以下关系：U B =3Z B I B ,S B =3U B I B一般个电压等级的U B 取之分别为525kV 、230kV 、115kV 、,而S B 一般取100MV A;2、两圈变的阻抗计算：一般变压器的铭牌参数中会给出变压器的额定容量Se,额定电压Ue,额定电流Ie,还有一个就是短路电压百分比Uk%,一般有了这些参数我们就可以算出两圈变压器的正序阻抗了：将变压器二次侧绕组短路,逐渐升高在一次侧绕组所加的电压,当一次侧电流达到额定值I N 时,此时一次侧绕组所加的电压称为短路电压,短路电压与额定电压的比值即为短路电压百分比用Uk%表示,这个参数计算公式为：%100e 3%k ⨯=NTU X I U ,由此可以得到变压器电抗有名值：ee 100%k 2S U U XT•=,这里Ue 为变压器归算侧的额定电压; 将Uk%其除以100就变为以主变额定容量和额定电压为基准的变压器电抗标么值2*e e e 100%k ）（U S U X X T T •==,由此可以换算到统一基准值的变压器电抗标么值：e100%k 2*S S U U U BB N T X ）（•=另外介绍一下变压器个参数之间的关系,Se=3UeIe,这同样也适用于接地变、站用变,有些铭牌参数看不清,我们就可以通过这个公式计算需要的参数;比如某接地变型号：DKSC-500/,额定容量：S N =500/100kV A,额定电压：U N =11/,要求计算该变压器的额定电流;如何计算：这里有些错误的算法：高压侧：A U S 49.2710005.1031000500e 3e Ie =⨯⨯⨯==低压侧：A U S 69.75938031000500e3e Ie =⨯⨯==上式错的原因是给的参数额定电压在计算时未用到,计算用的电压是习惯电压,而且忽略了变高、变低的额定容量不同;正确的计算方法是：高压侧：A U S 24.2610001131000500e 3e Ie =⨯⨯⨯==低压侧： A U S 34.14410004.031000100e3eIe =⨯⨯⨯==,虽然结果差的不多,但是概念有点不清楚;3、三圈变的阻抗计算：三圈变给的铭牌参数为Uh-m%, Uh-l%,Um-l% ,这三个参数是分别由三绕组变压器两两绕组间短路电压试验时测得的;X T1X T2X T3三绕组变压器等值电路由这三个参数可以计算出高、中、低压侧对应的阻抗电压：100%l -m %l -h %m -h 21%1s ）（U U U U -+•=100%l -h %l -m %m -h 21%2）（U U U U S -+•= 100%m -h %l -m %l -h 21%3）（U U U U S -+•=同双绕组变压器一样,可以算出三绕组变压器各个绕组的电抗有名值：e e %211S U U X S T •= e e %222S U U X S T •= e e %233S U U X S T •=4、比如计算10kV 母线的归算阻抗：一般市调会给出110kV 母线的归算阻抗,各县调只需加上主变的阻抗,并归算到10kV 侧或35kV 侧即可;这里注意：市调给出的110kV 母线的归算阻抗是归算到110kV 电压等级的,要将他归算到10kV 侧或35kV 侧,还需要除以变比的平方;另外,归算阻抗还分大、小方式,对于10kV 母线或35kV 母线归算阻抗大方式考虑两台主变并列运行,小方式考虑单台主变运行注意：要考虑阻抗值大的变压器运行;110kV10kV#1变#2变二、短路电流：1、对称分量法;电力系统发生故障时,三相电流和三相电流一般呈不对称状态,我们将不对称的三相电压和电流分解成正序、负序和零序三个分量;即：021....A A A A U U U U ++=021021...2....a a A A A B B B B U U U U U U U ++=++=021021..2.....a a A A A C C C C U U U U U U U ++=++=U B1U 正序U C2UU A0U B0U C0零序电流也类似;2、 短路电流计算1、三相短路： 计算公式：ΣФ）（Z E I3 比较简单,符合欧姆定律;2、主要说一下两相金属性短路：设线路B 、C 相发生金属性短路;AB C边界条件为：C B U U k k ..=,0k .=A I ,0k k ..=+C B I I021021k ...2....a a A A A B B B B U U U U U U U ++=++= 021021k ..2.....a a A A A C C C C U U U U U U U ++=++=由C B U U k k ..=得到：21..A A U U =021021k ...2....a a A A A B B B B I I I I I I I ++=++=021021k ..2.....a a A A A C C C C I I I I I I I ++=++=由0k k ..=+C B I I 得到21..A A I I -= 由0k .=A I 、0k k ..=+C B I I ,得到00.=A I由边界条件可以得到：21..A A U U =,21..A A I I -=,00.=A I再由边界条件画出两相短路复合序网图如下图所示：E sA两相短路复合序网图结合复合序网图可以求出各序电流如下：ZEZ ZEI I A AA A 21s 21s ..21ΣΣΣ=+=-=B 、C 相的故障相电流为：ZE ZEI I I I I I I AA A A A A A kC kB ΣΣ1s 1s ..2...2..23j3j110212a aa a -=-=-=++=-=注意：这里EAs 为相电压;3、 短路电流计算,以单相金属性接地短路为例：设线路A 相发生金属性接地;A B C边界条件为：0k .=A U ,0k .=B I ,0k .=C I由边界条件可以得到：0021....=++=A A A A U U U U ,021...A A A I I I ==再由边界条件画出单相接地复合序网图如下图所示：E sA单相接地复合序网图结合复合序网图可以求出各序电流如下：Z ZZ E I I I AA A A ΣΣΣ021s ...021++===A 相接地时的故障相电流为：ZZ Z E I I I I AA A A kA ΣΣΣ021s ....3021++=++=同理,其他类型的故障,如两相接地短路,只要大家找到边界条件,之后画出复合序网图,就可以算出短路电流大小;有兴趣大家可以自己算一算,对照一下参考书,可以加深一下印象;三、应用举例：110kV 母线归算阻抗：大方式：Z1max=Ω,小方式Z1min=Ω；两台主变参数：型号：SZ9-50000/110西门子变压器有限公司,额定容量：S N =50/50MV A,额定电压：U N =110±8×%/,额定电流：Ie=2749.3A,短路电压百分比：Uk%=16;求10kV 母线的归算阻抗,以及主变变低发生两相短路时,流过变高的短路电流;首先计算110kV 母线等值阻抗归算到10kV 侧的值：大方式： Ω073.01105.108.02Z1max 222=⨯= 小方式： Ω179.01105.1019.72Z1min222=⨯= 计算变压器归算到110kV 电压等级的阻抗Xk1：Ω72.385011010016e e 100%k Xk122=•=•=S U U计算计算变压器归算到10kV 电压等级的阻抗Xk2：Ω353.0505.1010016e e 100%k Xk222=•=•=S U U这样10kV 母线的归算阻抗为： 大方式：Zmax=+÷2=Ω 小方式：Zmin=+=Ω注： 10kV 线路末端两相短路电流计算公式为：）（）（L Z Z I +••⨯=min 1233105.1032d,L Z 为线路的阻抗值; 主变变低出口发生两相短路时,流过变高的短路电流为：A 13.94172.3872.19123310110Idmin 32=+••⨯=）（）（ 算出主变变低出口发生两相短路时,流过变高的短路电流后,就可以用这个值来校验变高后备保护的灵敏度了;。

武汉理工大学《电力系统分析》课程设计说明书目录摘要 (3)1 电力系统短路故障的基本概念 (4)1.1短路故障的概述 (4)1.2 三序网络原理 (5)1.2.1 同步发电机的三序电抗 (5)1.2.2 变压器的三序电抗 (5)1.2.3 架空输电线的三序电抗 (6)1.3 标幺制 (6)1.3.1 标幺制概念 (6)1.2.2标幺值的计算 (7)1.4 短路次暂态电流标幺值和短路次暂态电流 (8)2 简单不对称短路的分析与计算 (9)2.1单相（a相）接地短路 (9)2.2 两相（b,c相）短路 (10)2.3两相（b相和c相）短路接地 (12)2.4 正序等效定则 (14)3 不对称短路的计算的实际应用 (14)3.1 设计任务及要求 (14)3.2 等值电路及参数标幺值的计算 (15)3.3 各序网络的化简和计算 (17)3.3.1 正序网络 (17)3.3.2 负序网络 (19)3.3.3 零序网络 (20)3.4 短路点处短路电流、冲击电流的计算 (20)4 实验结果分析 (21)5 心得体会 (22)6 参考文献 (23)2摘要电力系统的安全、稳定、经济运行无疑是历代电力工作者所致力追求的，但是从电力系统建立之初至今电力系统就一直伴随着故障的发生而且电力系统的故障类型多样。

在电力系统运行过程中，时常会发生故障，且大多是短路故障。

短路通常分为三相短路、单相接地短路、两相短路和两相接地短路。

其中三相短路为对称短路，后三者为不对称短路。

电力运行经验指出单相接地短路占大多数，因此分析与计算不对称短路具有非常重要意义。

求解不对称短路，首先应该计算各原件的序参数和画出等值电路。

然后制定各序网络。

根据不同的故障类型，确定出以相分量表示的边界条件，进而列出以序分量表示的边界条件，按边界条件将三个序网联合成复合网，由复合网求出故障处各序电流和电压，进而合成三相电流电压。

关键词: 不对称短路计算、对称分量法、节点导纳矩阵31电力系统短路故障的基本概念1.1短路故障的概述在电力系统运行过程中，时常发生故障，其中大多数是短路故障。

第八章 电力系统不对称故障的分析计算主要内容提示：电力系统中发生的故障分为两类：短路和断路故障。

短路故障包括：单相接地短路、两相短路、三相短路和两相接地短路；断路故障包括：一相断线和两相断线。

除三相短路外，均属于不对称故障，系统中发生不对称故障时，网络中将出现三相不对称的电压和电流，三相电路变成不对称电路。

直接解这种不对称电路相当复杂，这里引用120对称分量法，把不对称的三相电路转换成对称的电路，使解决电力系统中各种不对称故障的计算问题较为方便。

本章主要内容包括：对称分量法，电力系统中主要元件的各序参数及各种不对称故障的分析与计算。

§8—1 对称分量法及其应用利用120对称分量法可将一组不对称的三相量分解为三组对称的三序分量（正序分量、负序分量、零序分量）之和。

设c b a F F F ∙∙∙为三相系统中任意一组不对称的三相量、可分解为三组对称的三序分量如下：()()()()()()()()()021021021c c c c b b b b a a a a F F F F F F F F F F F F ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙++=++=++= 三组序分量如图8-1所示。

正序分量： ()1a F ∙、()1b F ∙、()1c F ∙三相的正序分量大小相等，彼此相位互差120°，与系统正常对称运行方式下的相序相同，达到最大值的顺序a →b →c ，在电机内部产生正转磁场，这就是正序分量。

此正序分量为一平衡的三相系统，因此有：()()()111c b a F F F ∙∙∙++=0。

负序分量：()2a F ∙、()2b F ∙、()2c F ∙三相的负序分量大小相等，彼此相位互差120°，与系图 8-1 三序分量Fc(0) ·零序F b(0) ·F a(0) ·120°120° 120° 正序F b(1)·F a(1)·F c(1) ·ω120°120°120°负序 F a(2)·F c(2)·F b(2)·ω统正常对称运行方式下的相序相反，达到最大值的顺序a →c →b ，在电机内部产生反转磁场，这就是负序分量。

电力系统不对称短路电流的计算 - 电力配电学问（一）相量及其计算：相量à是旋转相量，他在复数平面用一个有向线段和初相角表示，以ωt角速度逆时针绕原点旋转，他在竖轴上的投影即为正弦波的瞬时值。

计算出相量即可算出正弦波的瞬时值。

（正弦波的瞬时值才能进行四则运算）相量在数学上表示为à= Aejф如两个相量：它的四则运算：相量加减用平行四边形计算、相量乘除是幅值相乘除，角度相加减。

如两相量相乘：单位相量：为算子。

（二）对称重量法及其应用1、对称重量法任何一组三相不对称相量都可用数学分析的方法分解成三组三相对称相量，他们是三相正序对称相量、负序对称相量和零序对称相量，如图1－7所示图1－7 三相不对称电压分解成三组正、负、零序对称电压或者说，三相不对称相量的相值等于相应于该相各序值的和：以三相电压为例úA=úa1+úa2+úa0úB=úb1+úb2+úb0úC=úc1+úc2+úc0各序值为三相对称相量，则上面方程式可写成：úA=úa1+úa2+úa0úB=a2úa1+aúa2+úa0úC=aúa1+a2úa2+úC0三个方程有三个未知数，可联立求解2、对称重量法的应用图1－8 对称重量的独立性接受叠加原理：在短路点有一组不对称电压，用对称重量法分解成三组对称电压，在对三相对称短路阻挠系统中各序有独立性，可以用单相计算各序电流，相电流为相应相各序电流的和。

图1－9 正序网等值图正序网对短路点简化后的回路方程为：úda1=èA—jìda1X1∑图1－10 负序网等值图电源没有负序电压，只有短路点有一组负序电压。

负序网对短路点简化后的回路方程为úda2=0—jìda2X2∑图1－11零序网等值图电源没有零序电压，只有短路点有一组零序电压。

第8章电力系统不对称故障的分析和计算8.1 复习笔记一、简单不对称短路的分析各序网络故障点的电压方程式式中，，即是短路发生前故障点的电压。

1．单相（a相）接地短路图8-1-1 单相接地短路（1）边界条件单相接地短路时，故障处的三个边界条件为①用对称分量表示为②用序量表示为（2）短路点电压和电流的各序分量（3）复合序网求解图8-1-2 单相短路的复合序网①短路点故障相电流②短路点非故障相的对地电压（4）相量图分析图8-1-3 单相接地短路时短路处的电流电压相量图和都与方向相同、大小相等，比超前90º，而和比落后90º。

①当X ff（0）→0时，相当于短路发生在直接接地的中性点附近，与反相，即θv＝180º，电压的绝对值为。

②当X ff（0）→∞时，为不接地系统，单相短路电流为零，非故障相电压上升为线电压，大小为其夹角为60º。

③当X ff（0）＝X ff（2）时，非故障相电压即等于故障前正常电压，夹角为120º。

2．两相（b相和c相）短路图8-1-4 两相短路（1）边界条件故障处的三个边界条件为用对称分量表示为整理后可得（2）方程联立求解（3）复合序网求解图8-1-5 两相短路的复合序网①短路点故障相的电流为b、c两相电流大小相等为②短路点各相对地电压为总结：两相短路电流为正序电流的倍；短路点非故障相电压为正序电压的两倍，而故障相电压只有非故障相电压的一半而且方向相反。

（4）相量图分析图8-1-6 两相短路时短路处电流电压相量图以正序电流作为参考相量，负序电流与它方向相反。

正序电压与负序电压相等，都比超前90º。

3．两相（b相和c相）短路接地图8-1-7 两相短路接地（1）边界条件故障处的三个边界条件为用序量表示的边界条件为（2）方程联立求解。

电力系统短路电流计算例题与程序编写佘名寰本文用导纳矩阵求逆计算节点阻抗矩阵，运用复合序网络图计算各节点对称故障和不对称故障时短路电流、节点电压和各支路故障电流。

2.1用阻抗矩阵计算短路的基本公式：⑴节点三相对称短路，注入节点的短路电流I d=-V d(0)/Z dd(2-1)式中V d(0)故障点在短路发生前的电压，简化计算时V d(0)=1Z dd故障点d的自阻抗负号表示电流从节点流出故障点短路电流在各节点所产生的电压分量V=ZI (2-2)式中Z 节点阻抗矩阵I 节点注入电流的列矩阵当只有一点故障时上述电压分量为V i(d)=Z di I d(i=1,2,3,………n)(2-3)式中Z di故障点d与节点i的互阻抗短路故障后的节点电压V i=V i(0)+V i(d)(2-4)式中V I(0)节点i 故障发生前的电压短路故障时通过各支路的电流I ij=(V i-V J)/z ij（2-5）式中z ij联系节点i和节点j的支路阻抗⑵单相接地短路故障点的电流和电压：A相单相接地故障I a0=I a1=I a2= -V a1(0)/(Z dd0+Z dd1+Z dd2) (2-6)Z dd0, Z dd1, Z dd2 -------零序、正序、负序网络故障节点的自阻抗V a0= Z dd0 I a0(2-7)V a1=V a1(0)+Z dd1I a1(2-8)V a2= Z dd2 I a2(2-9)I a=3I a1 (2-10)⑶两相接地短路：B．C相短路接地故障增广正序网的综合等值阻抗Z∑Z∑=Z dd0Z dd2/(Z dd0+Z dd2) (2-11)I a1= -V a1(0)/(Z dd1+ Z∑) (2-12)I a0= -I a1 Z dd2/(Z dd0+Z dd2) (2-13)I a2= -I a1 Z dd0/(Z dd0+Z dd2) (2-14)I b=I a0+a2I a1+aI a2 (2-15)a=(-1/2+j√3/2)a2=(-1/2-j√3/2)⑷两相短路：B.C两相短路故障I a1=I a2= -V a1(0)/(Z dd1+Z dd2) (2-18)I b=j√3I a1 (2-19)⑸支路i～j间的某一点d发生故障时，视d点为新的节点d点与节点k的互阻抗Z dkZ dk=(1-L)Z IK+LZ jk (2-20)d 点的自阻抗Z ddZ dd=(1-L)2Z ii+L2Z jj+2L(1-L)Z IJ+L(1-L)z ij (2-21)式中L为端点i到故障点d的距离所占线路全长的百分数Z IK，Z jk分别为节点i和节点j与节点k的互阻抗Z ii，,Z jj为节点i和节点j的自阻抗Z IJ 为节点i与节点j的互阻抗z ij是节点i和节点j间的线路阻抗2.2 短路电流计算时用导纳矩阵求逆计算节点阻抗矩阵参考文献①介绍了从网络的原始阻抗矩阵求节点导纳矩阵的方法和相关程序。