电力系统暂态分析1

电力系统暂态分析绪论一、电力系统的基本概念二、电力系统运行状态的描述三、电力系统运行状态的分类四、本课程的任务一、电力系统的基本概念1、电力系统由发电机、变压器、线路和负荷组成的网络。它包括通过电气或机械的方法连接在系统中的设备。2、电力系统设备分类（1）电力元件直接用于电能生产、变换、输送分配和消费的设备。如发电机、变压器、输电线路、电动机等。（2）控制元件用来改变系统的运行状态的设备和装置，如ZTL、ZTS和继电保护装置等。二、电力系统运行状态的描述1、运行参量表示电力系统运行状态的物理量称为电力系统的运行参量。具体有电压、电流、功率、频率、功角等。2、系统参数系统的运行参量直接由系统参数决定。系统参数指代表系统元件特性的参数。如电阻、电抗、电导、电纳、变压器变比、时间常数等。系统参数的改变引起运行参量的改变，即改变系统运行状态。三、电力系统运行状态分类1、稳态系统参数不变时，运行参量不变，系统的这种运行状态称为稳态。2、暂态系统参数变化后，电力系统从原来的稳定运行状态过渡到与新的系统参数相对应的稳定运行状态的过渡过程。3、稳态与暂态的相对性电力系统的参数无时无刻不在变化，所以电力系统时刻处于暂态过程中，但如果系统参数变化较小，过渡过程中运行参量的变化很小，就称为稳态；当系统参数变化很大时（如短路时），过渡过程中运行参量变化大，称为暂态。•4、暂态过程分类•1）波过程——主要涉及电流、电压波的传播。特点是过渡过程持续时间短，一般为百分之几秒。•2）电磁暂态过程——主要研究短路情况下，电流、电压的变化情况，有时也涉及功角的变化。•3）机电暂态过程——主要研究功率、功角和旋转电机的转速随时间变化的情况。这一过渡过程持续时间最长。四、本课程的任务1、《电力系统稳态分析》——电力系统稳态运行的分析计算2、《电力系统暂态分析》——电力系统电磁暂态过程和机电暂态过程的分析计算（1）电磁暂态过程分析又称为电力系统故障分析；（第一篇）（2）电力系统机电暂态过程分析主要讨论电力系统运行的稳定性，所以又称为电力系统稳定性分析（第二篇）3、《高电压技术》——波过程的分析计算第一篇：电力系统故障分析第一章：电力系统故障分析的基础知识第二章：同步发电机突然三相短路电流分析第三章：三相短路电流的实用计算第四章：对称分量法与电力元件的序阻抗第五章：不对称故障的分析计算第一章：电力系统故障分析的基本知识第一节：电力系统故障概述一、短路1、短路概念一切不正常的相与相或相与地之间的连接称为短路，又叫横向故障。2、短路类型三相短路（5％）、两相短路（10％）、单相接地短路（65％）、两相短路接地（20％）。3、短路原因绝缘损坏、气象条件恶化（雷击、大风、覆冰）、认为事故及其它原因。4、短路的后果1）短路点的电弧高温使设备烧坏；2）短路电流的热效应引起的温度升高加快绝缘老化，甚至烧坏设备；3）短路电流的电动力使设备导体变形或损坏5）使电力系统失去并列运行的稳定性；6）不对称短路时出现的零序电流将对通讯形成干扰；7）不对称短路时出现的负序电流将引起旋转电机转子的附加发热。5、减小短路电流对电力系统危害的措施1）限制短路电流的数值（限流电抗器等）2）限制短路电流存在的时间（继电保护切除故障）6、短路电流计算的意义为主接线、设备选择；运行方式选择；继电保护配置与整定计算提供依据。二、断线故障1、断线故障（纵向故障）的类型1）一相断线2）两相断线2、断线原因1）采用分相断路器的线路发生单相短路时单相跳闸；2）线路一相导线断开。3、断线的影响造成三相不对称，产生负序和零序分量，而负序和零序分量对电气设备和通讯有不良影响。三、复杂故障系统中不同地点同时发生故障称为复杂故障。第二节标幺值一、标幺值的概念及电压、电流、阻抗、导纳、功率的标幺值二、时间、频率及角频率的标幺值1、时间、频率及角频率的基准值2、上述基准值下，一些物理量之间的关系当时，，在此条件下有：**fnff1**f第三节：无限大功率电源供电的三相短路电流分析一、无限大电源的概念1、定义电压和频率保持恒定的电源称为无限大功率电源。1）当电源的功率无限大时，外电路发生短路（一种扰动）或其他扰动引起的功率改变相对于电源来说微不足道，因而电源的频率对应于同步发电机的转速）保持恒定。2）无限大功率电源可以看作由无限个有限功率电源并联而成，根据戴维南定理其等效内阻抗为无限个有限内阻抗的并联值，显然为零。由于内阻抗为零，所以当负荷变化时，其端电压总保持不变。2、无限大功率电源的相对性实际工作中，理想的无限大功率电源是不存在的，但当电源的内阻抗远远小于外电路的阻抗时，负荷的变化对电源端电压和频率的影响很小，可以视为不变，所以此时的实际有限容量电源就可以视为无限大功率电源。通常当时，就可以认为该电源为无限大功率电源。二、无限大功率电源供电的三相短路暂态过程分析看下面的电路ddXX%10%短路时，短路点将电路分为两部分，如下图所示。右侧电路：无源电路，电流从短路前一瞬间的数值逐渐减小到零。左侧电路：有源网络，且电源电压、频率保持不变，每相阻抗，其电流必然从短路前的稳定工作状态向新的稳定工作状态过渡，短路电磁暂态过程的分析就是针对这一电路的。由于电路为对称电路，所以只需分析其中一相。显然三、短路非周期分量电流起始值取得最大值的条件非周期分量电流的起始值取决于短路瞬间电源电压的相角（取短路瞬间作为时间计时起点，则为初相角α）、短路前和短路后电路的阻抗角，以及短路前、后周期分量电流的幅值。、|0|mmII、|0|四、短路非周期分量电流起始值取得最小值的条件五、各相非周期分量电流电流起始值的关系六、短路冲击电流1、定义短路电流在最恶劣短路条件下的最大瞬时值。2、短路冲击电流的计算公式最恶劣短路条件下，将上述条件代入短路电流表达式得：其波形图如下：aaTtmmTtmmaeIIeItIicos)900sin()90sin(003、短路冲击电流的用途校验电气设备和载流导体的动稳定。七、最大有效值电流2、最大有效值电流短路电流的有效值的的最大值称为最大有效值电流，它出现在短路发生后约1/2周期时。假定t时刻前后半周期内非周期分量电流保持不变，就等于t时刻的数值。即，则：222222)(11TtTttptTtTttdtiiTdtiTI01.0ii当时，当时，3、最大有效值电流的用途校验某些开关设备的断流能力。22222201.022)1(212)1()2()()2()2(mmmmmmmmmMKIIKIIiIiII9.1mK8.1mK262.1mMII252.1mMII第二章：同步发电机突然三相短路分析•一、基本假设1、只计电机内部的电磁暂态过程，不计机电暂态过程，即认为发电机的频率不变，而端电压是变化的。2、电机磁路不饱和（线性磁路），等值电路为线性电路，可以应用迭加原理进行分析。3、认为励磁电压不变，即忽略ZTL的作用。4、认为短路发生在机端。•二、基本定律（磁链守恒定律）对于任何无源回路有：超导体情况下：非超导体情况下对于超导体其磁链在任何情况下保持不变；对于非超导体短路瞬间磁链保持不变，此规律就是磁链守恒定律常数、0dtd•三、发电机电流、电压、磁链的参考正方向1、各绕组轴线正方向•2、各绕组磁链正方向各绕组磁链正方向取轴线方向；•3、定子绕组电流正方向末端流向首端。从而正方向电流产生负方向的磁链。4、转子绕组电流正方向正方向电流产生产生正方向的磁链。5、定子电压正方向采用非关联参考方向（发电机惯例）•6、转子绕组电压正方向采用关联参考方向（电动机惯例）发电机定子绕组、转子绕组参考正方向第四节：发电机空载情况下突然三相短路定性分析•一、突然三相短路后的定子电流1、短路前各相磁链2、短路前瞬间各相磁链瞬时值设短路发生时（t=0)，各相定子绕组磁链瞬时值为：3、短路后由励磁磁场在定子绕组产生的磁链004、短路后定子电流在三相绕组中产生的磁链5、短路后定子绕组总磁链6、短路电流所产生磁链的表达式及波形当R=0时：各相磁链波形图如下：7、定子电流表达式及波形各相电流波形图•各相短路电流的一般表达式当为任意角度时0二、突然短路后转子励磁绕组中的电流分量（1）强制励磁电流分量（2）非周期自由分量（3）周期自由分量|0|fififpi三、突然短路后转子阻尼绕组的电流分量•1、d轴阻尼绕组（1）非周期自由分量（2）周期自由分量•2、q轴阻尼绕组q轴阻尼绕组仅有周期自由分量四、实际的非超导体绕组中的短路电流当时，，即绕组交链的磁链永远保持不变；当时，绕组交链的磁链不能永远保持不变，但在短路瞬间前后是不能突变的。相应的为保持在短路瞬间磁链不变出现的各种自由电流分量都会逐渐衰减。事实上，定子绕组、转子绕组中感生的非周期电流都会逐渐衰减到零，与定子非周期分量电流相对应的转子各绕组中的周期分量电流也会逐渐衰减到零0R|0|0R五、定子绕组倍频分量及其出现的原因当转子d轴和q轴方向磁阻不同时，定子绕组中还会出现倍频分量。原因是当转子d轴和q轴方向磁阻相同时，为维持短路前瞬间磁链所需的非周期磁动势为常数，因而产生它们的定子绕组非周期分量也为常数。当d轴和q轴方向磁阻不同时，随着转子的转动产生同样的磁链所需磁动势不同，通过d轴时，磁阻小，所需的磁动势小，电流也小；通过q轴时，磁阻大，所需的磁动势大，电流也大。这样转子每转动一周，电流将完成两次周期性变化，所以为产生空间不动、大小恒定的磁链所需的电流除非周期分量（直流分量）外，还包含两倍频率的交流分量。第五节：短路电流基频分量的初始有效值和稳态有效值•一、计算初始电流有效值和稳态有效值的意义1、短路电流是选择电器设备和保护整定的依据；2、求出了短路电流周期分量起有效值就可以求出非周期分量的起始值，进而写出短路电流的表达式；•二、磁路磁阻与线圈（绕组）电感（电抗）之间的关系1、磁路磁阻和线圈电感（电抗）之间的关系因为所以mmmRWiWRiWWRFW2iL22WRWLm22222WfRWfRWXmm•2、磁路并联时线圈的电感（电抗）因为：所以：2212121)11()()(WRRiWRFRFWWmmmmiL21221)11(LLWRRLmm2121XXLLLX•3、磁路串联时线圈的电感（电抗）因为：所以：三、空载情况下三相短路时电枢反应磁通分布、电抗、基频交流分量初始有效值和稳态有效值•1、不计阻尼绕组影响时短路电流基频交流分量初始有效值dqdXEII0短路电流基频交流分量初始有效值dqdXEII|0|•短路稳态电流dqdXEII|0|2、计及阻尼绕组作用时短路瞬间磁通分布图•短路瞬间等值磁通分布图•短路电流基频交流分量初始有效值dqdXEII|0|三、发电机空载情况下短路电流的表达式•1、定子绕组阻抗变化过程•2、定子电流变化过程•3、短路周期电流电流表达式dddXXXIII]1)11()11[(2|0|)(dTtddTtddqtmXeXXeXXEIdd•4、短路发生在外电抗x后时应将外电抗x加在相应的发电机电抗上。当短路点距离机端较远，即x很大时，可以认为短路电流有效值保持不变，即将发电机作为无限大电源处理。xxXxXxXdddxEIIIq|0|•5、短路全电流近似表达式B、C两相短路电流的表达式可以仿照写出（见教材P26）)cos(]1)11()11[(20|0|tXeXXeXXEidTtddTtddqaddaTtdqexE0|0|cos2四、负载情况下三相短路电流初始有效值•1、分析方法（1）定子电流分量周期分量（用以抵消转子励磁电流磁通在短路后在定子绕组中产生的交变磁链）非周期分量（包含倍频分量）（用以维持短