第一章电力系统故障分析的基本知识

第一章电力系统故障分析的基本知识一、教学目的了解电力系统故障的概念、原因及故障所造成的后果，掌握电力系统中标幺值的计算，分析简单三相短路中发生突然三相短路的暂态过程。二、教学要求1、了解电力系统故障的概念及其分类；2、熟练掌握电力系统中标幺值的计算方法；3、掌握如何分析三相短路的暂态过程三教学重点。三教学重点电力系统中短路的概念，标幺值的计算，突然三相短路的暂态过程分析。四教学难点电力系统中标幺值的计算，突然三相短路的暂态过程分析。第一节故障概况在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（简称短路）。一、短路的概念及基本类型1、短路的概念所谓短路，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。2、短路的基本类型在正常运行时，除中性点外，相与相或者相与地之间是绝缘的。下表1-1给出了三相系统中短路的基本类型。表1—1短路类型短路类型种类示意图符号三相短路两相短路单相短路接地两相短路接地(3)f(1)f(1,1)f(2)f二、短路产生的原因产生短路的主要原因是电气设备载流部分的相间绝缘或者相对地绝缘被损坏。例如架空输电线的绝缘子可能由于受到过电压（例如由雷击引起）而发生闪络或由于空气的污染使绝缘子表面在正常工作电压下放电；其他电气设备，发电机、变压器、电缆线路等的载流备份绝缘材料在运行中损坏；运行人员在线路检修后未拆除地线就加电压等误操作也会引起短路故障。三、短路对电力系统的危害1、短路对电力系统的正常运行和电气设备有很大的危害在发生短路时，由于短路对电力系统的正常远行和电气设备有很大的危害。在发生短路时，由于电源供电问路的阻抗减小以及突然短路时的暂态过程，使短路问路中的短路电流值大大增加，可能超过该问路的额定电流许多倍。短路点距发电机的电气距离愈近(即阻抗愈小)，短路电流愈人，例如么发电机端发生短路时，流过发电机定子回路的短路电流最大瞬时值可达发电机额定电流的10—15倍。在大容量的系统中短路电流可达几万甚至几十万安培。短路点的电弧有可能烧坏电气设备。短路电流通过电气设备导体时，其热效应会引起导体或其绝缘的损坏。另一方面，导体也受到很大电动力的冲击，致使导体变形甚至损坏。因此，各种电气设备应有足够的热稳定度和机械稳定度(或称动稳定度)，使电气设备在通过最大可能的短路电流时不致损坏。2、短路会引起网络中电压降低短路还会引起网络中电压降低，特别是靠近短路点处电压下降很最多，结果可能使部分用户的供电受到破坏。3、可能引起并列远行的发电机失去同步系统中发生短路相当于改变了网络的结构，必然引起系统中功率分布的变化，发电机输出功率也相应地变化。因而当发电机的输入功率大于输出功率，发电机的转速将增大，这就有可能引起并列远行的发电机失去同步。破坏系统的稳定，引起大片地区停电。这是短路造成的最严重的后果。4、造成对通讯系统的干扰不对称接地短路所引起的不平衡电流，产生不平衡磁通，会在邻近的平行的通讯线路内感应出相当大的电势，造成刘通讯系统的干扰，甚至危及设备和人身的安全。电力设计院在设计发电厂、变电所时，需要对电气接线、电气设备和载流导体进行选择，选择的依据之一就是短路计算的结果，要求设计出的系统在短路情况下有足够的热稳定度和动稳定度，配置和整定继电保护也需要进行短路计算。要想计算出系统中某一点发生短路后各处的电流电压，必须采用一些合理的假设，以简化计算。四、短路计算的几个基本假设1、.磁路的饱和、磁滞忽略不计。如果考虑磁路的饱和和磁滞，电力系统的电抗就不再是恒定参数，而是随电流而变化。对于工程计算来说，即使不考虑饱和和磁滞，计算结果和考虑了以后的精确值差别也不大，因为系统实际的运行工况一般在线性区域内（图上），所以我们在工程计算中不考虑磁滞、饱和，这样的好处是认为各元件的参数都是线性参数，可以运用迭加原理。（复习概念：线性空间，迭加原理；区分概念：线性、时变。）。2、除不对称故障处之外，系统中其他各处认为是三相对称的。这个假设的好处是在应用对称分量法时，对于每一序的网络可以用单相等值电路进行分析。3、各元件电阻的处理。高压电网RX，通常可将电阻忽略不计。如果短路回路的R/X(1/3)，需考虑电阻。这种情况一般是因为短路发生在电缆线路或截面很小的架空输电线上，特别是钢导线时。计算暂态电路的衰减时间常数时，再小的电阻值也需要考虑。4、认为短路都是金属性短路。也就是说，不考虑过渡电阻的影响。五、预防短路的措施为了降低发生短路的概率，电力系统采取合理的防雷措施、降低过电压水平、采用合适的配电装置，以及加强对运行维护的管理。第二节标幺制在电力系统故障分析计算中，大多应用标么制。特别是应用于近似计算方法小，标名制中各种物理量都用标么恢(即相对值)来表示，使运算步骤简单，数值简明使于分析。一、标幺值标么值的一级数学表达式为：（1—1）对于任何一个物理量均可以用标幺值表示，例如电阻、电抗的标幺值分别为：有名值（有单位的物理量）标幺值（相对值）=基准值（与有名值同单位的物理量）（1—2）式中：R、X为电阻、电抗的有名值，；ZB为阻抗基准值。又有有功功率、无功功率、视在功率的标幺值分别为（1—3）*B*BR=RZX=XZ*B*B*BP=PSQ=QSS=SS式中：P为有功功率，MW；Q为无功功率，Mvar；S为视在功率，MVA；SB为功率基准值，MVA。二、基准值的选取基准值的选择有一定得任意性，下面仅以三相电路说明之。在三相电路中物理量U、I、S、Z间有以下两个基本关系，即（1—4）式中：U为线电压、I为相电流、S为三相功率、Z为相阻抗。如果选定的各量基准值满足下列关系U=3ZIS=3UI（1—5）将式（1—4）除以式（1—5）中的对应项后得（1—6）（1—6）表明，在标幺制中三相电路的关系式类似于单相电路。式（1—5）中的四个基准量，可以任选两个，一般先BBBBBB=3UZI=3SUI******==UZISUI选定电压和功率的基准值，则电流和阻抗基准值分别为（1—7）（1—8）三、基准值改变时标幺值的换算电力系统中各种电气设备如发电机、变压器、电抗器的阻抗参数均是以其本身额定值为基准值的标么值或百分值给出的，而在进行电入系统计算时，必须取统一的基准值，因此要求将原来的以本身额定值为基准BBBS=()I3UkABBBU=()Z3I值的阻抗标幺值换算到统一基难值．若电抗X对应不同的基淮值的标么值分别为：（1—9）由式（1—9）可得到X*(B)与X*(N)间的转换关系为（1—10）发电机的铝牌参数一般给出其额定电压，额定功率以及以额定值为基准值的电抗标幺值，可用式(1—10)计算其B*(B)2BN*(N)2NS=XXUS=XXU2BBNN*(B)*(N)*(N)NNBBSUIU==XXXSUIU对应统一基准值的电抗标么值。对于变压器一般给出其额定电压，额定功率以及短路电压百分数等。共短路电压百分数和电抗标幺值的关系为：（1—11）式中：XT为变压器电抗的有名值。故变压器转换为统一基准值的电抗标幺值为（1—12）对于电抗器为电抗百分数与标幺值的关系为N*()23S(%)100%100%100%TNTNSNNXIUXUU2BNT*(B)NB(%)SUX100SUSU（1—13）式中：XR(%)为电抗百分数换算成统一的基准值的标幺值为（1—14）四、基准值改变时标幺值的换算以下图1—1为例，该图是一个包含两台变压器和三段不同电压等级的系统。在包含多个电压等级的系统中，当用实际值(有名值)进行计算时，总是把具有磁耦合的电路*()3(%)100%100%RNRRNNXIXXUBNR*(B)NB(%)IUX100IURX变为仅有电联系的电路，也就是把不同电压等级中各个元件的参数(如电势和电抗)归其到一个电压等级，然后按一般电路计算，最后将计算结果(如电流和电压等)再折算回到各段，即得各段的有名值。图1—1有三段不同电压等级的系统图用标么值计算时，也就是在各元件参数的实际值归算到同一个电压等级后，在此基础上选定统一的基准值求各元件参数的标么值的。下面分别介绍准确计算法和一种近似计算法，短路电流计算一般采用近似计算法。G~T110.5/121T2110/6.6∏IIII1、准确计算法假设在图1—1中已选定第1段作为基本段，其它各段的参数均向这一段归算，然后选择功率基准值和电压基准值分别为SB和UB1。各元件的电抗标么值计算如下：（1）发电机。发电机就在基本段，其电抗有名值不需要归算，故有（2）变压器T1。它也是在基本段，其10.5kV侧的电抗有名值也不需要归算，其值为2GNGG*(N)GN2GNBB22G*(B)GG*(N)GNB1B1=UXXSUSSXXXSUU2TNTT*(N)TN=UXXS显然，UTN为10.5kV。电抗的标幺值为（3）第Ⅱ段的输电线路。其电抗有名值必须先归算到第Ⅰ段，即式中k1为变压器变比。其标幺值为2TNBB22T*(B)TT*(N)TNB1B1USSXXXSUU'2L1L=XkX'BB22L*(B)LB1B121SSXXUULXk这个表达式还可以变换成下面的形式此式表明线路电抗XL可以不归算至第1段，而是将第1段的电压基准值归算到第Ⅱ段(UB2)，用统—的功率基准值和本段的电压基准值来计算标么值。后面将可见到，这一结论可以推广到任一段电抗标么值的计算。（4）变压器T2其中110kV侧的电压有名值为：22*()211BBLBLLBBSSXXXUUk2*()TNTTNTNUXXS其中UTN=110Kv,将其归算至第Ⅰ段，则其标幺值为（5）电抗器。第三段的基准值为式中：k2为变压器T2的变比。利用（1—14）可以求得相对于统一基准值的电抗器电抗标幺值为22'*()1TNTTNTNUkXXS222'222*()*()*()1121TNTNBBBTBTTNTNTNTNBBBUUSSSkXXXXSSUUU213212BBBUUUkkk式中IB3为第Ⅲ段的电流基准值。（6）第Ⅲ段电缆线路。其电抗标幺值为2、近似计算法上面介绍的准确计算法是按变压器实际交比计算的。在近似计算中可不按实际变比，而假定变压器的变比为各电压等级的额定电压的平均值之比。以图1—1第Ⅱ段110kV网络为例，其升压变压器的二次侧额定电压为121kV，降压变压器一次侧的额定电压为110kV，所以其平均值为115kV。第Ⅰ段10kV和第III段6kV网络的平均33*()333(%)(%)100100BNBNBRRRBNNBBSUUUIXXXUUII2*()3BLBLBSXXU值为6.3kV。根据上述假定，在图l—1所示系统中即认为变压器T1的变比为10.5／115，变压器T2的变比为115/6.3。各段的电压基准值就是各自的平均电压值。下表列出电网额定电压的平均额定电压。表1—2平均额定电压值单位：kV电网额定电压361035110220330500平均额定电压3.156.310.537115230345525第三节无穷大功率电源供电的三相短路电流分析一、无穷大功率电源的概念及特征本节将分析图]—3所示的简单三相电路中发生突然对称短路的暂态过程。在此电路中假设电源电压幅值和频率均为恒定。这种电源称为无限大功率电源，这个名称从概念上是不难理解的：(1)电源功率为无限大时，外电路发生短路(一种扰动)引起的功率改变对于电源来说是微不足道的，因旧电源的电压和频率(对应于同步电机的转速)保持恒定。(2)无限大功率电源可以看作由无限多个有限功率电源并联而成，因而其内阻抗为零，电源电压保持恒定。实际上，真正的无限大功率电源是没有的，只能是一个相对的概念，往往是以供电电源的内阻抗与短路回路总阻抗的相对大小来判断电源能否作为无限