基于对称分量法对电力系统故障分析的文献综述

毕业设计（论文） 文献综述

设计（论文）题目： 基于对称分量法的电力系统 故障计算程序的设计

专 业： 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 员：

一． 本课题的目的与意义：

在电力系统的运行过程中，不可避免地会出现故障。尽管故障出现的几率很小，持续的时间也不长，但产生的后果却往往十分严重。电力系统发生故障时，运行状态将经历急剧变化。轻则造成电流增大，电压下降，从而危及设备的安全或使设备无法正常运行；重则将导致电力系统对用户的正常供电局部甚至全部遭到破坏，从而对国民经济造成重大损失。因此对电力系统故障应予以高度重视。 作为电力系统三大计算之一，电力系统的故障计算主要计算电力系统的故障所引起的电磁暂态过程，即电参量（电压、电流）和磁参量（磁链）的变化情况，分析故障发生的原因及其产生的后果，从而为防止故障的发生和尽可能减少故障产生的损害提出有效措施。 电力系统的故障属暂态范畴，大部分电磁量将随时间变化，描述其特性的是微分方程，这给分析计算带来一定困难。在分析过程中通常尽量避免对微分方程直接求解，而是采用一定的工具（如拉普拉斯变换）和假设使问题得以简化，即把“微分方程代数化，暂态分析稳态化”。在分析不对称故障时，各相之间电磁量的耦合使问题的分析更为复杂，此时常用的分析方法是尽量避开对不对称故障直接求解，而是采用一定的工具（如对称分量变换）将不对称问题转化为对称问题的迭加进行处理，即把“不对称问题对称化”。这就是电力系统故障计算方法的特点。

电力系统中发生故障的原因，大部分是由于相与地的短路或相与相之间的短路。电力系统简单故障包括：三相短路、单相接地、两相短路、两相短路接地、单相断线和两相断线等六种故障形式。本毕业设计采用对称分量法进行简单故障计算，并完成程序的设计。完成对简单故障进行计算之外，本毕业设计可采用基于多端口戴维南等值网络的方法计算复杂故障，并编程验证方法的有效性。

二． 电力系统故障计算的基本知识

1．故障概述 (一) 故障的分类

凡造成电力系统运行不正常的任何连接或情况均称为电力系统的故障。电力系统的故障有多种类型，如短路、断线或它们的组合。短路又称横向故障，断线又称为纵向故障。短路故障可分为三相短路、单相接地短路（简称单相短路）两相短路和两相接地短路，分别简记

为f（3）、f（1 ）、f（2）和f（1 ，1 ）。注意两相短路和两相接地短路是两类不同性质的短路故障，前者无短路电流流入地中，而后者有。三相短路时三相回路依旧是对称的，故称为对称短路；其他几种短路均使三相回路不对称，因此称为不对称短路。断线故障可分为单相断线和两相断线，分别简记为o（1 ）、o（2 ） 。三相断线如同开断一条支路，一般不作为故障处理。断线又 称为非全相运行，也是一种不对称故障。大多数情况下在电力系统中一次只有一处故障，称为简单故障或单重故障，但有时可能有两处或两处以上故障同时发生，称为复杂故障或多重故障。由此，将电力系统故障作如下分类： 电力系统中最常发生、危害最严重的故障是短路故障，因此故障计算的重点是短路，也常称为短路计算。

(二) 短路发生的原因及产生的后果

所谓短路，是指电力系统正常运行情况之外的一切相与相之间或相与地之间的短接。电力系统正常运行时，相与相以及相与地之间是不直接相连的，或者说是相互间绝缘的。如果由于某种原因使绝缘破坏，形成了相互间的通路，就发生了短路。

由上述定义可知，导致短路发生的原因是绝缘受到破坏。引起绝缘破坏的原因有多种：电气设备绝缘材料的自然老化、污秽或机械损伤，雷击引起过电压，自然灾害引起杆塔倒地或断线，鸟兽跨接导线引起短路，运行人员误操作（如检修后未拆除地线就合闸）等。电力系统的运行经验表明，各类短路发生的几率不同，其中单相接地发生得最多，三相短路发生得最少。根据某些系统的统计资料，在所有短路故障中，三相短路占5%，单相接地占 65% ，两相短路占10% ，两相接地短路占 20% 。虽然三相短路发生的几率最小，但其产生的后果 最严重，同时它又是分析不对称故障的基础，因此将重点进行研究。 短路故障一旦发生，往往造成十分严重的后果，主要有： （1 ） 电流急剧增大。短路时的电流要比正常工作电流大得多，严重时可达正常电流的 十几倍。大型发电机出线端三相短路电流可达几万甚至十几万安培。这样大的电流将产生巨 大的冲击力，使电气设备变形或损坏，同时会大量发热使设备过热而损坏。有时短路点产生 的电弧可能直接烧坏设备。 （2 ） 电压大幅度下降。三相短路时，短路点的电压为零，短路点附近的电压也明显下降，这将导致用电设备无法正常工作，例如异步电动机转速下降，甚至停转。

（3 ） 可能使电力系统运行的稳定性遭到破坏。电力系统发生短路后，发电机输出的电磁功率减少，而原动机输入的机械功率来不及相应减少，从而出现不平衡功率，这将导致发电机转子加速。有的发电机加速快，有的发电机加速慢，从而使得发电机相互间的角度差越来越大，这就可能引起并列运行的发电机失去同步，破坏系统的稳定性，引起大片地区停电。

（4 ） 不对称短路时系统中将流过不平衡电流，会在邻*行的通讯线路中感应出很高的电势和很大的电流，对通讯产生干扰，也可能对设备和人身造成危险。

在以上后果中，最严重的是电力系统并列运行稳定性的破坏，被喻为国民经济的灾难。其次是电流的急剧增大。 (三) 故障计算的目的

正由于短路会产生十分严重的后果，因而引起了高度重视。除尽量消除导致短路的原因外，还应在短路故障发生后及时采取措施，尽量减少短路造成的损失，如采用继电保护将故障隔离，在合适的地点装设电抗器以限制短路电流，采用自动重合闸消除瞬时故障使系统尽快恢复正常等。这些措施均须建立在故障计算的基础上。在发电厂、变电所以及整个电力系统的设计工作中，都必须事先进行短路计算，以此作为合理选择电气接线、选用有足够热稳定度和动稳定度的电气设备及载流导体、确定限制短路电流的措施、合理配置各种继电保护并整定其参数等的重要依据。 因此故障计算对于电力系统的设计和安全运行具有十分重要的意义。 三． 国内电力系统继电保护故障分析的现状和发展趋势 电力系统发展使得电网的规模越来越大，结构 越来越复杂，不同区域之间的互联也越来越紧密， 能量管理系统和数据采集监控系统在电网调度中心 得到了广泛的应用，这就使得系统中所发生的故障 对系统本身的影响也随之扩大，因此电力系统故障 诊断研究具有重要的现实意义。电力系统故障诊断 是通过利用有关电力系统及其保护装置的广泛知识 和继电保护等信息来识别故障的元件位置(区域)、 类型和误动作等参数，其中故障元件的识别是关键 问题。在电网发生故障后，将会有大量的报警信息 通过各单元的远程终端装置(RTU)传送到系统的 能量管理中心，为故障诊断提供数据源。而在复杂 故障或自动装置动作不正常时(保护、断路器的误 基金项目：国家自然科学基金(50677069)；国防科技重点 实验室基金(9140C8402040802) 动拒动)以及信道原因导致出现信号出错或收不到 信号的情况下，实际应用中很难给出准确的故障诊 断结果。为了适应各种简单和复杂事故情况下故障 的快速、准确识别，需要电力系统故障诊断系

统进 行决策参考。目前，国内外提出了许多电力系统故 障诊断的技术和方法L1 j，主要有专家系统、人工神 经网络、优化技术、Petri网络、粗糙集理论、模糊 集理论、贝叶斯网络、多Agent技术和基于故障录 波器信息等方法。下面分别介绍这几种应用在电力 系统故障诊断的研究发展状况。

随着信息化、网络化时代的到来，对继电保护故障数据采集和分析提出了更高的要求。实时、准确的数据传送和正确、全面的故障分析成为了继电保护的新目标。但是，目前对于微机保护和录波器信息的网络化管理正处在探索阶段，国家电网公司还没有统一的技术规范和实施办法，使得现阶段故障数据采集和分析还比较混乱。目前来看，在调度中心设计采用统一的分析应用平台是较为实际的选择，但从长远看，国家应该制定相应的规范和标准，便于电力系统继电保护的更好更快发展。 四．电力系统故障分析及计算的实现 实际电力系统的故障大都是不对称故障（短路和断线）。 不对称横向故障（不对称短路）：单相接地、两相短路、两相短路接地； 不对称纵向故障（不对称断线）：单相断线、二相断线。 简单不对称故障：仅在电网的某一处发生不对称故障（不对称短路或不对称断线）。 不对称故障分析：除基频分量增大外，还有直流分量以一系列的谐波分量，详细分析非常复杂。实用保护整定计算中，仅考虑基频分量。 1.对称分量法基本概念和简单计算

正常运行的电力系统，三相电压、三相电流均应基本为正相序，根据负荷情况（感性或容性），电压超前或滞后电流1个角度（Φ），如图1。

图1：正常运行的电力系统电压电流矢量图 对称分量法是分析电力系统三相不平衡的有效方法，其基本思想是把三相不平衡的电流、电压分解成三组对称的正序相量、负序相量和零序相量，这样就可把电力系统不平衡的问题转化成平衡问题进行处理。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3组三相对称的分量。

图2：正序相量、负序相量和零序相量（以电流为例）

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（如电流）为：

IA=Ia1+Ia2+Ia0――――――――――――――――――――――――――○1 IB=Ib1+Ib2+Ib0=α2 Ia1+αIa2 + Ia0――――――――――○2 IC=Ic1+Ic2+Ic0=α Ia1+α2 Ia2+Ia0―――――――――――○3 对于正序分量：Ib1=α2 Ia1 ，Ic1=αIa1

对于负序分量：Ib2=αIa2 ，Ic2=α2Ia2 对于零序分量：Ia0= Ib0 = Ic0 式中，α为运算子，α=1∠120°,

有α2＝1∠240°, α3＝1, α+α2+1=0

由各相电流求电流序分量：

I1=Ia1= 1/3(IA +αIB +α2 IC) I2=Ia2= 1/3(IA +α2 IB +αIC) I0=Ia0= 1/3(IA +IB +IC) 以上3个等式可以通过代数方法或物理意义（方法）求解。 以求解正序电流为例，对物理意义简单说明，以便于记忆： 求解正序电流，应过滤负序分量和零序分量。参考图2，将IB逆时针旋转120°、IC逆时针旋转240°后，3相电流相加后得到3倍正序电流，同时，负序电流、零序电流被过滤，均为0。故Ia1= 1/3(IA +α对应代数方法：○1式+αIB +α2 IC) 222式+α ○3式易得：Ia1= 1/3(IA +αIB +α IC)。 ○2、对称分量法用于计算不对称故障的基本方法： 1) 列出各个序网； 2) 求出各个序网对故障点的等值阻抗； 3) 列出边界条件或采用复合序网求得“基准相”的3 个序电压和序电流； 4) 求得各相电压和电流。

五．总结

电力系统中发生故障的原因，大部分是由于相与地的短路或相与相之间的短路。电力系统简单故障包括：三相短路、单相接地、两相短路、两相短路接地、单相断线和两相断线等六种故障形式。本毕业设计采用对称分量法进行简单故障计算，并完成程序的设计。完成对简单故障进行计算之外，本毕业设计可采用基于多端口戴维南等值网络的方法计算复杂故障，并编程验证方法的有效性。

六．参考文献

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