电力系统短路分析

第7章电力系统短路计算第一节电力系统短路故障第二节标幺值第三节无限容量系统三相短路电流计算第四节有限容量系统三相短路电流的实用计算第五节不对称短路故障的分析计算第六节电动机对短路冲击电流的影响第七节低压电网短路电流计算2020/8/21第一节电力系统短路故障一、短路的原因及其后果二、短路的类型三、短路计算的目的和简化假设2020/8/22第一节电力系统短路故障短路的概念所谓短路，是指电力系统除正常情况以外的一切相与相之间或相与地之间的“短接”。在电力系统正常运行时，除中性点外，相与相或相与地之间是绝缘的。如果由于某种原因使其绝缘破坏而产生了通路，我们就称电力系统发生了短路故障。2020/8/23一、短路的原因及其后果1．发生短路的原因（1）电气设备及载流导体因绝缘老化、机械损伤、雷击过电压造成的绝缘损坏；（2）运行人员违反安全规程误操作，如带负荷拉隔离刀闸，设备检修后遗忘拆除临时接地线而误合刀闸等均会造成短路；（3）电气设备因设计、安装及维护不良所导致的设备缺陷引发的短路；（4）鸟兽跨接在裸露的载流部分以及风、雪、雹等自然灾害也会造成短路。2020/8/24短路对电力系统正常运行和电气设备有很大的危害。在发生短路时，由于供电回路的阻抗减小以及突然短路时的暂态过程，使短路点及其附近设备流过的短路电流值大大增加，可能超过该回路额定电流许多倍。短路点距发电机的电气距离愈近（即阻抗愈小），短路电流愈大。2020/8/252．短路电流造成的后果（1）短路电流的热效应会使设备发热急剧增加，可能导致设备过热而损坏甚至烧毁；（2）短路电流将在电气设备的导体间产生很大的电动力，可引起设备机械变形、扭曲甚至损坏；（3）短路电流基本上是电感性电流，它将产生较强的去磁性电枢反应，从而使发电机的端电压下降，同时短路电流流过线路使其电压损失增加。因而短路时会造成系统电压大幅度下降，短路点附近电压下降得最多，严重影响电气设备的正常工作；2020/8/26（4）严重的短路可导致并列运行的发电厂失去同步而解列，破坏系统的稳定性，造成大面积的停电。这是短路所导致的最严重的后果；（5）不对称短路将产生负序电流和负序电压而危机机组的安全运行，如汽轮发电机长期允许的负序电压一般不超过额定电压的8%-10%，异步电动机长期允许的负序电压一般不超过额定电压的2%-5%；（6）不对称短路产生的不平衡磁场，会对附近的通讯系统及弱电设备产生电磁干扰，影响其正常工作，甚至危及设备和人身安全。2020/8/27二、短路的类型在三相系统中，可能发生的短路有：三相短路、两相短路、两相接地短路及单相接地短路。三相短路时，由于被短路的三相阻抗相等，因此，三相电流和电压仍是对称的，又称为对称短路。其余几种类型的短路，因系统的三相对称结构遭到破坏，网络中的三相电压、电流不再对称，故称为不对称短路。2020/8/28表7-1列出了各种短路的示意图和代表符号。各种类型短路事故所占的比例，则与电压等级、中性点接地方式等有关。在中性点接地的高压和超高压电力系统中，以单相接地（短路）所占的比例最高，约占全部断路故障的90%。表7-1各种短路的示意图和代表符号短路种类示意图表示符号三相短路K(3)两相短路K(2)两相接地短路K(1,1)单相接地短路K(1)2020/8/29表7-2为我国某220kV电力系统自1961年至1977年间短路故障的统计数据。另据统计，在电压较低的输配电网络中，单相短路约占65%，两相接地短路约占20%，两相短路约占10%，三相短路仅占5%左右。表7-2某220kV中性点直接接地电力系统短路故障数据短路种类三相短路两相短路两相接地短路单相接地短路其他故障率2.0%1.6%6.1%87.0%3.3%备注包括断线等2020/8/210三、短路计算的目的和简化假设为减少短路故障对电力系统的危害:1.必须采用限制短路电流的措施，合理设计电网，如在线路上装设电抗器；2.迅速将发生短路的部分与系统其他部分隔离开来，使无故障部分恢复正常运行。2020/8/2111．短路电流的计算目的（1）为选择和校验各种电气设备的动稳定性和热稳定性提供依据。（2）为设计和选择发电厂和变电站的电气主接线提供必要的数据。（3）为合理配置电力系统中各种继电保护和自动装置并正确整定其参数提供可靠的依据。最大运行方式是指投入运行的电源容量最大，系统的等值阻抗最小，发生故障时，短路电流为最大的运行方式。最小运行方式是指系统投入运行的电源容量最小，系统的等值阻抗最大，发生故障时，短路电流为最小的运行方式2020/8/212如图7-1所示。图7-1系统运行方式示意图①WL1、WL2并联运行，T1、T2并联运行，这时短路阻抗最小，短路电流最大；②WL1单独运行，T1、T2并联运行；③WL2单独运行，T1、T2并联运行；④WL1、WL2并联运行，T1单独运行；⑤WL1、WL2并联运行，T2单独运行；⑥WL1单独运行，T1单独运行；⑦WL1单独运行，T2单独运行；⑧WL2单独运行，T1单独运行；⑨WL2单独运行，T2单独运行。2020/8/213在实际短路计算中，为了简化计算，通常采用一些简化假设，其中主要包括：（1）负荷用恒定电抗表示或者忽略不计；（2）认为系统中各元件参数恒定，在高压网络中不计元件电阻和导纳，即各元件均用纯电抗表示，并认为系统中各发电机的电势同相位，从而避免了复数运算；（3）系统除去不对称故障出现局部不对称外，其余部分是三相对称的。2020/8/214第二节标幺值一、标幺制二、基准值的选取三、不同基准标幺值之间的换算四、不同电压等级电网中元件参数标幺值的计算2020/8/215一、标幺制所谓标幺制，就是把各个物理量用标幺值来表示的一种运算方法。其中标幺值定义为物理量的实际值（有名值）与所选定的基准值之间的比值，即（7-1）由于相比的两个值具有相同的单位，因而标幺值没有单位。2020/8/216在进行标幺值计算时，首先需选定基准值。对于阻抗、电压、电流和功率等物理量，如选定Zd、Ud、Id、Sd为各物理量的基准值，则其标幺值分别为（7-2）式中：上标注“*”者为标幺值；下标注“d”者为基准值；无下标者为有名值。2020/8/217二、基准值的选取在采用标幺值计算法时必须首先选定基准值。通常都选该设备的额定值作为基准值，或者整个系统选择一个便于计算的共同基准值。当某些量的基准值一旦选定以后，其他各量的基准值就已经确定了。2020/8/218例如，在三相制的电力系统计算中，阻抗、电压、电流和功率的基准值Zd、Ud、Id、Sd之间应当满足下列关系（7-3）因此，只要事先选定其中两个量的基准值，其余两个基准值也就确定了。在实际计算中，一般先选定视在功率和电压的基准值，于是电流和阻抗的基准值则为（7-4）2020/8/219它们的标幺值分别为（7-5）在标幺制中，三相电路计算公式与单相计算公式完全相同。因此，有名单位制中单相电路的基本公式，可直接应用于三相电路中标幺值的运算。线电压和相电压的标幺值相等，三相功率和单相功率的标幺值相等。2020/8/220标幺制的这一特点，使得计算中勿需顾及线电压和相电压、三相和单相标幺值的区别，而只需注意还原成有名值时各自采用相应的基准值即可，这给运算带来了方便。应用标幺值计算，最后还需将所得结果换算成有名值。根据式（7-2），各个量的有名值等于它的标幺值乘以相应的基准值。2020/8/221三、不同基准标幺值之间的换算在进行系统计算时应当选择一个共同的基准值，把所有设备以自身的额定值为基准的阻抗标幺值都按照这个新选择的共同基准值去进行归算，只有经过这样的归算后，才能进行统一的计算。2020/8/222换算的方法是：先将各自以额定值作为基准的标幺值还原为有名值。例如，对于电抗器，按式（7-5）得（7-6）在选定了功率和电压的基准值Sd和Ud后，则以此为基准的电抗标幺值为（7-7）发电机铭牌上一般给出额定电压UN，额定功率SN以及以UN、SN为基准值的电抗标幺值X*N，因此可用式（7-7）将此电抗归算到统一基准值的标幺值。2020/8/223变压器通常给出UN、SN及短路电压Uk的百分比Uk%，则以UN、SN为基准的变压器电抗标幺值即为：这样，在统一基准值下变压器阻抗的标幺值即可依据式（7-7）求得：（7-8）在电力系统中常采用电抗器以限制短路电流。电抗器通常给出其额定电压UNL、额定电流INL及电抗百分比XL%，电抗百分比与其标幺值之间的关系为：2020/8/224电抗器在统一基准下的电抗标幺值可写成（7-9）式（7-9）中，为电抗器的额定容量。输电线路的电抗，通常给出线路长度和每公里欧姆值，可用下式换算成统一基准值下的标幺值（7-10）2020/8/225在实际工程应用中，为了便于计算，常取基准容量Sd=100MVA（或1000MVA），基准电压可用各级线路的平均额定电压Ud=Uav。线路平均额定电压Uav指线路始端最大额定电压与末端最小额定电压的平均值，一般取线路额定电压的1.05倍，即Uav=1.05UNUav，见表7-3。额定电压UN/kV0.220.3836103560110220330平均额定电压Uav/kV0.230.43.156.310.53763115230345表7-3线路的额定电压与平均额定电压2020/8/226四、不同电压等级电网中元件参数标幺值的计算在工程计算中，对短路电流的计算一般精确度要求不高，所以可以采用近似计算法，即变压器T1的变比近似取它所联系两侧电压级的平均额定电压之比。图7-2表示由两台变压器联系的具有三个不同电压等级的输电线路。IⅡⅢT1T2GXL1XL2110/6.62020/8/227以图7-2为例，若基准电压取短路点的平均额定电压，即Ud1=Uavl=10.5KV,Ud2=115KV，Ud3=6.3KV。这样，式（7-7）和式（7-8）中的Ud和UN就可约掉。也就是说，发电机和变压器的电抗标幺值与电压无关，线路的电抗标幺值只和线路所在处的平均额定电压有关。对于多电压等级的复杂网络，不管何处短路，系统各元件的标幺电抗都不改变，这给短路电流计算带来方便。在某些情况下，高额定电压的电抗器可以装在低额定电压的系统上，在计算电抗器电抗的标幺值时，当电抗器的额定电压与所装系统的额定电压不同级时，仍采用电抗器本身的额定电压值；同级时，也可以消掉。2020/8/228为便于计算，现将准确计算法和近似计算法的电抗标幺值计算公式归纳于表7-4中。准确计算法（变压器用实际变比）近似计算法（变压器用近似变比）发电机变压器电抗器输电线路表7-4电力系统各元件电抗标幺值计算公式2020/8/229例7-1对图7-3（a）所示的输电系统，试用近似计算法计算等值网络中各元件的标幺值。图7-3具有三段不同电压的系统(a)电路图；(b)等值电路2020/8/230解：取基准功率Sd=100MVA，各段的基准电压为各段的平均额定电压，即Ud1=Uav1=10.5KV；Ud2=Uav2=115KV；Ud3=Uav3=6.3KV。各元件电抗的标幺值分别为：发电机变压器T1输电线路2020/8/231变压器T2电抗器电缆线各元件电抗标幺值等值电路如图7-3（b）所示。2020/8/232第三节无限容量系统三相短路电流计算无限大功率电源是一种理想电源，它的特点是：①电源功率为无穷大；外电路发生任何变化，系统频率恒定.②电源的内阻抗为零；电源内部不存在电压降，电源的端电压恒定。无穷大功率电源只是一个相对的概念。在工程计算中，当电源内阻抗不超过短路回路总阻抗的5%-10%时，就可认为该电源是无限大功率电源。2020/8/233本节内容：一、由无限容量系统供电时三相短路的物理过程二、表示暂态短路电流特性的几个参数三、无限大容量系统短路电流2020/8/234一、由无限容量系统供电时三相短路的物理过程图7-4所示为一由