第四章电力系统故障分析_2

第四章电力系统故障分析1主讲：李辉三峡电力职业学院2第四章电力系统故障分析第一节电力系统故障分析概述第二节无穷大容量电源供电系统三相短路分析第三节电力系统三相短路的实用计算第四节简单电力系统不对称故障的分析与计算本章小结3第四章电力系统故障分析4.1电力系统故障分析概述44.1电力系统故障分析概述背景：电力系统运行时常会受到各种扰动，其中故障影响较大故障类型：短路、断线、不同地点同时发生的各种短路和断线其中，绝大多数是短路故障短路定义：电力系统正常运行外的相相之间或相地之间的短接电力系统在正常运行时，除中性点专门接地外，相与相之间或相与地之间是绝缘的5一、短路的类型短路类型示意图符号发生概率备注对称短路三相短路f（3）5%最严重不对称短路单相接地短路f（1）65%--两相短路f（2）10%--两相接地短路f（1,1）20%--6二、短路的原因元件的损坏：如绝缘材料的自然、设计、安装及维护不良带来的设备缺陷发展成短路等。气象条件恶化：如雷击造成的闪络放电或者避雷器动作，架空线由于大风或者导线附冰引起的电杆倒塌等。违规操作：例如运行人员带负荷倒刀闸，线路或设备检修后未拆除接地线就加上电压等。其他：如挖沟损伤电缆，鸟兽跨接在裸露的载流部分。7三、短路的危害短路电流大（10～15倍），短路电流的电动力效应，导体间产生很大机械应力，使导体和支架遭到破坏。短路电流的电弧可能烧坏设备，大多数使设备发热增加，持续时间长时，设备过热会导致损坏。短路时系统电压大幅降低，对用户影响很大，如异步电动机转速下降甚至停转。距离较近＋功率较大＋持续时间较长时，并列运行发电机可能会失去同步，造成稳定性破坏，大面积停电。不对称故障引起不平衡磁通，在临近平行通信线路内产生大电势，干扰通信系统。8四、短路危害的限制措施合理地配置继电保护并整定其参数，能迅速动作将短路部分与系统其它部分隔离。装设限流电抗器，在母线上装设母线电抗器，限制短路电流。选择适当的主接线形式和运行方式。如变压器低压侧分裂运行，增大系统阻抗，减少短路电流。采用防雷设施，降低过电压水平。9五、短路计算的目的选择电气设备的依据。例如断路器、互感器、瓷瓶、母线、电缆等（机械稳定度和热稳定度）。合理地配置各种继电保护及自动装置参数的依据。设计和选择发电厂和电力系统主接线依据（确定是否需要采取限制短路电流的措施等）。研究短路对用户工作的影响（暂态稳定计算）。进行故障时及故障后的安全分析。10第四章电力系统故障分析4.2无穷大容量电源供电系统三相短路分析11第四章电力系统故障分析4.2.1无穷大容量电源系统发生三相短路的暂态过程12一、无穷大容量电源系统发生三相短路的暂态过程指电源具有恒定的电压幅值和恒定频率，这样的电源也称为无限大功率电源或无穷大电源。恒定电势源的内阻抗为零。实际中并不存在这种电源，但相对于外电路短路回路的总阻抗而言，电源的内阻抗很小，可以忽略不计。一般地说，电源的内阻抗小于外电路短路回路的总阻抗的十分之一时，我们就可以认为该电源为恒定电势源。恒定电势源13恒定电势源电路——短路前电网三相对称，处于稳态，只写出a相的电势和电流稳态电流Im(0)及其与电源电势间的夹角φ(0)合闸角RaiR’LL’)sin(tUmRbiR’L)120sin(tUmRciR’LL’)120sin(tUmKmsin()eUt(0)(0)sin()amiItmm(0)'22'2()()UIRRLL'(0)'()LLarctgRR14恒定电势源电路——短路后三相短路后，被分成两个独立的回路右侧回路：从短路发生瞬间的值不断地衰减为零左侧回路：阻抗由变为电流衰减为决定的新稳态值RaiR’LL’)sin(tUmRbiR’L)120sin(tUmRciR’LL’)120sin(tUmK''()()RRjLLRjLRjL15短路暂态分析左侧回路即为短路暂态过程的分析对象可列写一阶常系数、线性非齐次的常微分方程解可分为两个部分：特解和一般解。其中，特解代表短路的强制分量，即周期分量Ｚ是Ｒ+jωL的模值；φ是短路电流和电源电势之间的相角，即电路的阻抗角Im是稳态短路电流的幅值sin()mdiRiLUtdtpaaiiimpamsin()sin()UitItZ16短路暂态分析一般解代表自由分量，即非周期分量。与外电源无关，是按指数规律衰减的直流。其中（特征根方程根的倒数）根据楞次定律，电感电流不畸变，(0)短路前瞬atTaiCeaLTR(0)(0)sin()sin()mmIIC0(0)(0)sin()sin()ammCiIIaamm(0)(0)msin()[sin()sin()]tTiItIIe17短路暂态分析结果三相短路电流分别为由此可见：稳态短路电流（周期分量）的幅值相等、相角相差120º幅值需由电压幅值与短路回路总阻抗求出短路稳态的暂态过程中非周期分量逐步衰减为0非周期分量的初值由短路前电流与短路后稳态电流求出aamm(0)(0)msin()[sin()sin()]tTiItIIea000bmm(0)(0)msin(120)[sin(120)sin(120)]tTiItIIea000cmm(0)(0)msin(120)[sin(120)sin(120)]tTiItIIe18短路暂态分析结果19相量图表示在t轴投影代表瞬时值非周期短路分量大小与发生时刻(即合闸角α)有关平行于t轴则投影最大ipαi(0)iaαwαφ(0)φmI(0)mI(0)mmIImEtsin()pamiItapaaiii(0)(0)/[sin()sin()]aamtTmiIIe(0)mmII20第四章电力系统故障分析4.2.2短路冲击电流、短路电流的有效值和短路容量21二、短路冲击电流即短路电流最大可能的瞬时值，以iM表示主要用于检验电气设备和载流导体的动稳定度，即在短路电流下的受力是否超过容许值。短路电流相量图中，短路冲击电流最大，需满足两个条件：相量差的幅值最大；相量差与t轴平行。aamm(0)(0)msin()[sin()sin()]tTiItIIe**(0)mmII**(0)mmII22二、短路冲击电流对于第一个条件：需要短路前空载在此前提下，若电网即此时若则图中平行于t满足第二个条件ipαi(0)iaαwαφ(0)φmI(0)mI(0)mmIImEtLR0900000m(0)0IaammcostTiItIe*mI23二、短路冲击电流短路波形如右t=T/2时，短路电流最大瞬时值出现，则其中，f=50Hz，T=0.02sKM为冲击系数，即冲击电流比周期电流的倍数（1~2）短路在发电机电压附近，则取1.9；其它情况，则取1.8a0.01MmmMmTiIIeKI24三、短路电流的有效值指以时刻t为中心的一个周期内瞬时电流的均方根值周期分量有效值：（与时间无关）非周期分量有效值：（与时间有关）假定非周期电流在以t为中心的周期内恒定不变222222P2211()TTttTTttttptatttIidtiidtIITTpmp2ttIIatatIi25三、最大有效值电流周期分量的最大有效值恒定，为非周期分量的最大有效值发生在第一个周期内，t=0.01s，此时因此，短路电流最大有效值KM=1.9时，IM=1.62IP；KM=1.8时，IM=1.51IP2pmpII0pmaiIapmaMpmexp(0.01/)(1)IITKI222MpMppM[(1)2]12(1)IIKIIK26四、短路容量也称短路功率，它等于短路电流有效值与短路处的正常工作电压（一般用平均额定电压）的乘积，即：用标么值表示为：获得方法：由短路电流周期分量直接求取，即：用途：主要用来检验开关的切断能力。tavt3SUIavttttBBB33UIISIIUIttBtBSSSIS27五、短路电流的周期分量电流为了确定冲击电流、短路电流非周期分量、短路电流的有效值以及短路容量等，都必须计算短路电流的周期分量，因此短路电流周期分量有效值是一个重要电气量，计算其值具有重要意义。计算时，可不计负荷的影响，且认为无穷大容量电源电压为平均额定电压，于是有——短路点电压等级的平均额定电压；——归算到短路点所在电压等级的电源到短路点的综合阻抗。用标幺值表示为由于短路计算中不考虑元件的电阻，所以的数值就是电抗值。ZUI3avpavUZZI1pZX28第四章电力系统故障分析4.3电力系统三相短路电流的实用计算29第四章电力系统故障分析4.3.1短路电流周期分量起始值的计算30一、实用短路电流计算的近似条件1、短路过程很短暂，不考虑发电机摇摆甚至失步等2、同步机在短路瞬间，次暂态电势不突变，近似用代替：U[0]，I[0]，φ[0]分别为同步发电机短路前瞬间的端电压、电流和功率因数角次暂态电抗若不能确知同步发电机短路前的运行参数，则近似地取不计负载影响时，取1.07-1.11qEE0[0][0][0]sinEUXIIUEjXI01EdXX31一、实用短路电流计算的近似条件3、负荷可用一个含次暂态电势和次暂态电抗的等值支路来表示4、不计磁路饱和，可用叠加原理进行网络简化和电流电压的计算5、忽略高压输电线的电阻和电容，忽略变压器的电阻和励磁电流6、所有短路为金属性短路，不计过渡电阻的影响0.80.35EX32第四章电力系统故障分析4.3.2短路电流交流分量的计算步骤33一、实用计算的进一步假设三相短路计算主要是短路电流周期分量的起始值（起始次暂态电流）计算，在给定电源电势时，只是求解稳态正弦交流电路的问题。元件用次暂态参数代表，类似稳态电流的方法。为进一步简化，做出如下假设：各变压器的变比为变压器各边平均额定电压之比，基准电压就取为各级平均额定电压，在等值电路中去掉变比。各发电机电势同相位且幅值为平均额定电压，其标幺值为1。aammcostTiItIe34二、起始次暂态电流的计算步骤（1）系统元件参数的标幺值计算选取功率基值SB，电压基值UB=Uav发电机、调相机：变压器：线路：负荷：B*dGNGSXXSKB*TN%100TUSXSBD*D0.35SXSBL*02BSXxlU35二、起始次暂态电流的计算步骤（2）根据短路地点，作出等值电路，求出电源至短路点的总电抗XΣ（3）计算三相短路电流周期分量起始值的标幺值和有名值：*1EIXXBBBBav33SSIUU*BIII36三、起始次暂态电流的计算示例【例4-1】如图所示为一简单电力系统，其参数如下：发电机G：X”d=0.01，SGN=200MV·A变压器T1：STN1=200MV·A，UK%=10.5，变比18/220kV变压器T2：STN2=200MV·A，UK%=10.5，变比220/38.5kV线路L：x0=0.4Ω/km，L=80km试计算在下列不同地点发生三相短路时，短路点的起始次暂态周期电流。（1）短路点在降压变电所低压母线上；（2）短路点在升压变电所高压母线上；（3）短路点在发电机出口处。②①③37三、起始次暂态电流的计算示例（1）元件参数计算选基准功率SB=200MV·A，基准电压UB=Uav，即UB1=18kV、UB2=230kV和UB3=37k