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1、第8章 电力系统故障分析的基本知识1 1、短路的一般概念短路的一般概念 3、无穷大功率电源供电的三相短路电流分析、无穷大功率电源供电的三相短路电流分析2、标么制的近似计算法、标么制的近似计算法第一节 短路的一般概念l故障故障: :一般指短路和断线一般指短路和断线, ,分为简单故障和复杂故障分为简单故障和复杂故障l简单故障简单故障: :电力系统中的单一故障电力系统中的单一故障l复杂故障复杂故障: :同时发生两个或两个以上故障同时发生两个或两个以上故障l短路短路: :指一切指一切不正常不正常的相与相之间或相与地之间（对于中性的相与相之间或相与地之间（对于中性点接地的系统）发生通路的情况。点接地的系
2、统）发生通路的情况。l断线断线: :也称纵向故障，例如一相断线使系统发生两相运行的也称纵向故障，例如一相断线使系统发生两相运行的非全相运行情况。非全相运行情况。一相断线或两相断线故障也属于不对称故障，其分析计算方法一相断线或两相断线故障也属于不对称故障，其分析计算方法与不对称短路故障类似。与不对称短路故障类似。 各种短路的示意图和代表符号 短路种类 示意图 代表符号三 相 短 路 f(3) 5 两 相 短 路 接 地 f(1,1) 20 两 相 短 路 f(2) 10 单 相 短 路 f(1) 65一、短路的类型 绝缘材料的绝缘材料的自然老化自然老化，设计、安装及维护不良所带来，设计、安装及维
3、护不良所带来的的设备缺陷设备缺陷发展成短路。发展成短路。恶劣天气：雷击造成的恶劣天气：雷击造成的闪络放电或避雷器闪络放电或避雷器动作，架空动作，架空线路由于大风或导线覆冰引起电杆倒塌等。线路由于大风或导线覆冰引起电杆倒塌等。人为误操作，如运行人员带负荷拉刀闸，线路或设备人为误操作，如运行人员带负荷拉刀闸，线路或设备检修后未拆除地线就加上电压引起短路。检修后未拆除地线就加上电压引起短路。挖沟损伤电缆，鸟兽跨接在裸露的载流部分等。挖沟损伤电缆，鸟兽跨接在裸露的载流部分等。二、短路的主要原因二、短路的主要原因(1)(1)电流剧增电流剧增：设备发热增加，若短路持续时间较长，可：设备发热增加，若短路持续
4、时间较长，可能使设备过热甚至损坏能使设备过热甚至损坏; ;由于短路电流的由于短路电流的电动力电动力效应，效应，导体间还将产生很大的机械应力，致使导体变形甚至损导体间还将产生很大的机械应力，致使导体变形甚至损坏。坏。(2)(2)电压大幅度下降电压大幅度下降，对用户影响很大。，对用户影响很大。(3)(3)当短路发生地点离电源不远而持续时间又较长时，并当短路发生地点离电源不远而持续时间又较长时，并列运行的列运行的发电机可能失去同步发电机可能失去同步，破坏系统运行的稳定性，破坏系统运行的稳定性，造成大面积停电，这是短路最严重的后果。造成大面积停电，这是短路最严重的后果。(4)(4)发生不对称短路时发生
5、不对称短路时, ,三相不平衡电流三相不平衡电流会在相邻的通讯线会在相邻的通讯线路感应出电动势路感应出电动势, ,影响通讯影响通讯. .三、短路的危害三、短路的危害6三、短路的危害三、短路的危害短路引发变压器着火短路引发变压器着火(1)(1)限制短路电流（加电抗器）限制短路电流（加电抗器）(2)(2)继电保护快切继电保护快切(3)(3)结线方式（闭环设计，开环运行）结线方式（闭环设计，开环运行）(4)(4)设备选择设备选择四、减少短路危害的措施四、减少短路危害的措施n额定电压：额定电压：电气设备的额定电压应不小于设备安装地点电电气设备的额定电压应不小于设备安装地点电网的最高工作电压网的最高工作电
6、压 ，即，即 UNUW.maxn额定电流：额定电流：电气设备的额定电流应不小于设备正常工作时电气设备的额定电流应不小于设备正常工作时的最大负荷电流的最大负荷电流 ，即，即 INIW.max82. 按短路情况进行校验按短路情况进行校验u动稳定校验：动稳定校验：满足动稳定的条件是满足动稳定的条件是maxishi maxIshI 或或 u热稳定校验：热稳定校验：满足热稳定的条件是满足热稳定的条件是tIt2imatI2 式中，式中，It为电气设备在为电气设备在t为秒时间内的热稳定电流；为秒时间内的热稳定电流；t为热稳定为热稳定试验时间（试验时间（s）；）；tima为假想时间（为假想时间（s）。）。ma
7、xi式中，式中， 、 分别为电器的极限通过电流峰值和有效值。分别为电器的极限通过电流峰值和有效值。 maxI五、计算短路电流的目的短路电流计算结果短路电流计算结果是选择电气设备（断路器、互感器、瓷瓶、母线、是选择电气设备（断路器、互感器、瓷瓶、母线、电缆等）的依据；电缆等）的依据；是电力系统继电保护设计和整定的基础；是电力系统继电保护设计和整定的基础；是比较和选择发电厂和电力系统电气主接线图的是比较和选择发电厂和电力系统电气主接线图的依据，根据它可以确定限制短路电流的措施。依据，根据它可以确定限制短路电流的措施。六 .故障分析中的基本假设 1、 假定假定同步发电机的转速维持不变同步发电机的转速
8、维持不变：由于电磁暂态：由于电磁暂态过程的时间很短，系统中旋转电机的机械运动变化非过程的时间很短，系统中旋转电机的机械运动变化非常微小（有惯性）；常微小（有惯性）； 2、各发电机内电势间的、各发电机内电势间的相位角相位角相对功率角不变相对功率角不变； 3、异步电动机的、异步电动机的转差率保持不变转差率保持不变。 不考虑机电的相互作用！不考虑机电的相互作用！第二节第二节 标么制标么制一、计算短路电流的基本假设一、计算短路电流的基本假设1 1、以电网的平均电压取代元件的额定电压、以电网的平均电压取代元件的额定电压同一电压级中各元件的额定电压可能不一样同一电压级中各元件的额定电压可能不一样线路首端，
9、升压变压器二次侧高出线路首端，升压变压器二次侧高出10% UN线路末端，降压变压器一次侧线路末端，降压变压器一次侧UN发电机高出发电机高出5%UN简化计算简化计算同一电压级中同一电压级中各元件的额定电压相同各元件的额定电压相同，数值上数值上= 平均额定电压平均额定电压2 2、高压电网只计及电抗、高压电网只计及电抗, ,当当R Rdd X Xdd/3/3时时, ,忽略忽略R Rdd3avddUIX12电网额定电压电网额定电压361035110220330500平均额定电压平均额定电压3.156.310.537115230345525NNNavVVVV05. 121 . 1第二节第二节 标么制标么
10、制基准值的选取有一定的随意性，在电路中，物理基准值的选取有一定的随意性，在电路中，物理量，间有基本关系：量，间有基本关系：PBBPPBIZUPPPIUS PPPIUS3PPPIZUPPPIZU3PBBPPBIUSPBBPPBIZU3PBBPPBIUS3 四个量中去任意两个为基准值，一般选定电压和功率的四个量中去任意两个为基准值，一般选定电压和功率的基准值。基准值。第二节第二节 标么制标么制BPBBPPPZIUIZU可得标幺值表示BPBPBPPZIUIZU33BBPBPPPIUSIUSBBPPBPPIUSIUS33*ZIU *ZIU *IUS *IUS 不同电压等级电网中元件参数标幺值的计算不同
11、电压等级电网中元件参数标幺值的计算用标幺值计算时，把各元件参数的有名值归算到同一个电压用标幺值计算时，把各元件参数的有名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参数元件的标幺等级后，在此基础上选定统一的基准值求各参数元件的标幺值。常用准确计算法和近似计算法。值。常用准确计算法和近似计算法。（一）准确计算法（一）准确计算法 原则原则 用实际变比用实际变比 适用范围适用范围 潮流计算潮流计算（二）（二）近似计算法近似计算法 原则原则 用平均额定电压比用平均额定电压比 适用范围适用范围 故障分析故障分析162*2*22*22)(3100%100%100%BBNNRRBBLBBNNST
12、BBNNGNGVSIVvXVSxLXVSSVvXVSSVxX2*2*)(3100%L100%100%avBNNRRavBLNBSTNBGNGVSIVvXVSxXSSvXSSxX假定各元件的额定电压等假定各元件的额定电压等于平均额定电压：于平均额定电压：177 . 0151001005 .10100%24. 0115100804 . 0L35. 0301001005 .10100%86. 03010026. 0100%*222*1)(NBSTavBLNBSTNBGNGSSvXVSxXSSvXSSxX10.5/121110/6.630MVA10.5kVSB=100MVA解：Vav(I)=10.5k
13、V，Vav()=115kV，Vav()=6.3kV，504. 03 . 61005 . 208. 0L46. 13 . 61003 . 03610053100%22*22*avBCavBNNRRVSxXVSIVvX第三节 恒定电势源电路的三相短路u恒定电势源恒定电势源（又叫无限大功率电源），是指（又叫无限大功率电源），是指系统的容量为系统的容量为 ，内阻抗为零。内阻抗为零。u无限容量系统的特点：在电源外部发生短路，电源母线上的无限容量系统的特点：在电源外部发生短路，电源母线上的电电压基本不变压基本不变，即认为它是一个恒压源。，即认为它是一个恒压源。u在工程计算中，当电源内阻抗不超过短路回路总阻
14、抗的在工程计算中，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。时，就可认为该电源是无限大功率电源。短路前短路前电路处于电路处于稳态稳态： 0sin()sin()mmeEtiIt 0222()()mmEIRRLLRRLLtg)(1为电源电势的初始相角为电源电势的初始相角)sin( tEdtdiLRim其解就是短路的全电流，它由两部分组成：其解就是短路的全电流，它由两部分组成：特解特解（强制周期分量）（强制周期分量）+ +通解通解（自由分量）（自由分量）22()mpmEIRLRLtg1sin()ppmiIt短路电流的强制分量短路电流的强制分量, , 并记为并记为
15、 周期分量：周期分量：pi)sin( tEdtdiLRim非周期电流非周期电流 ：短路电流的自由分量短路电流的自由分量, ,记为记为 atTptapiCeCe0 pLR 特征方程特征方程 p的根。的根。LRpaT 非周期分量电流衰减的时间常数非周期分量电流衰减的时间常数 RLpTa10diRiLdt短路后的全电流可表示为短路后的全电流可表示为： /sin()at TpappmiiiItCe0sin()sin()pmmIIC0sin()sin()pmmCII/0sin() sin()sin()at TpmpmmiItIIe 0sin()miIt 短路的全电流可表示为短路的全电流可表示为： /0s
16、in() sin()sin()at Tpmpmmi ItIIe 不衰减！不衰减！衰减时间常数：衰减时间常数：Ta = L/R交流分量交流分量衰减的直流分量衰减的直流分量非周期分量有最大可能值时的短路电流波形图非周期分量有最大可能值时的短路电流波形图 00sin()mIi0sin()pmPIi00iiP短路前周短路前周期电流期电流短路后非短路后非周期电流周期电流短路后周短路后周期电流期电流短路电流非周期分量有最短路电流非周期分量有最大可能值的条件图大可能值的条件图 非周期电流有最大值非周期电流有最大值的条件为：的条件为：（1 1）短路前电路空载短路前电路空载（I Im0m0=0)=0)；（2 2
17、）短路发生时，电）短路发生时，电源电势过零（源电势过零（0 0）。）。RL 90（3）/0sin() sin()sin()at Tpmpmmi ItIIe 00mI900/cosat TpmpmiItIe t=0.01s短路短路冲击冲击电流电流50fHz0.01/aTMpmpmiII e0.01/(1)aTpmM pmeIk I 0.01/1aTMke 冲击系数冲击系数12Mkk kM M为冲击系数为冲击系数, ,实用计算时，短路发生在：实用计算时，短路发生在：指短路电流指短路电流最大可能的瞬时值最大可能的瞬时值，用，用 表示。表示。其主要作用是其主要作用是校验电气设备的电动力稳定度校验电气设
18、备的电动力稳定度。Mi1.91.851.8Mk发电机电发电机电压母线压母线发电厂高发电厂高压母线压母线其它地点其它地点2MM pmMpik IkIpI周期分量有效值周期分量有效值2.55pI三、短路电流的有效值三、短路电流的有效值任意时刻任意时刻t t的的短路电流有效值短路电流有效值，是指以时刻，是指以时刻t t为中心的一个周期为中心的一个周期内瞬时电流的均方根值，即内瞬时电流的均方根值，即 2 /2 /22 /2 /211 ()t Tt Tttptaptt Tt TIi dtiidtTT为了简化计算，通常为了简化计算，通常假定假定：非周期电流非周期电流在以时间在以时间t t为为中心中心的一个
19、的一个周期内周期内恒定不变恒定不变，因而它在时间，因而它在时间t t的有效值就等于它的瞬时值，的有效值就等于它的瞬时值，即即aptaptIi短路电流的最大有效值常用于校验某些电气设备的短路电流的最大有效值常用于校验某些电气设备的断流能力或断流能力或耐力强度耐力强度。 对于对于周期电流周期电流，认为它在所计算的周期内是幅值恒定的，其数值，认为它在所计算的周期内是幅值恒定的，其数值即等于由周期电流包络线所确定的即等于由周期电流包络线所确定的t t时刻的时刻的幅值幅值。因此，。因此，t t时刻的时刻的周期电流有效值应为周期电流有效值应为 短路电流周期分量有效值短路电流周期分量有效值 2pmtptII
20、t=02pmpII 有效值有效值根据上述假定条件：根据上述假定条件：22tptaptIII短路电流的最大有效值：短路电流的最大有效值：222(1) 21 2(1)MpMppMIIkIIk 0.01/(1)aTappmMmIIekI0.01/1aTMke 0appmiI1.9 1.62MMpkII1.8 1.51MMpkII短路容量短路容量也称为短路功率，它等于也称为短路功率，它等于短路电流有效值短路电流有效值同短路处的正同短路处的正常工作电压（一般用平均额定电压）的乘积，即常工作电压（一般用平均额定电压）的乘积，即3dav tSV I用标幺值表示时用标幺值表示时 *313dav ttttBBB
21、BSV IISISIXV I短路容量主要用来短路容量主要用来校验开关的切断能力校验开关的切断能力。 四、短路容量四、短路容量第四节第四节 无限大容量电源供电系统三相短路电流计算无限大容量电源供电系统三相短路电流计算短路电流计算值短路电流计算值短路全电流的最大有效值短路全电流的最大有效值用途：校验电气设备的动稳定和断路器的额定断流量用途：校验电气设备的动稳定和断路器的额定断流量三相短路冲击电流三相短路冲击电流用途：校验电气设备的动稳定用途：校验电气设备的动稳定三相短路电流稳态有效值三相短路电流稳态有效值用途：校验电气设备和载流体的热稳定性用途：校验电气设备和载流体的热稳定性MI()pIIMi标幺
22、值法标幺值法 适用于适用于: : 多电压等级、接线复杂的高压系统多电压等级、接线复杂的高压系统取基准值取基准值SB，Uav 计算短路电流周期分量标幺值计算短路电流周期分量标幺值*313avavddzBddBdBdBBUUXIUISUXIXZZ3BBBSIU 计算有名值计算有名值*BBddddISISXX 如图所示电路发生三相短路，试分别用有名制如图所示电路发生三相短路，试分别用有名制法和标幺制法计算法和标幺制法计算Idz、iM、IM和和Sd（KM=1.8）解：解：有名制法：取有名制法：取10.5KV10.5KV电压级为基本级电压级为基本级3115kV1X=02S=100km0.4/km220M
23、VAUk%=10.510.5KVd(3)334.01155.1040404.0100211XX579.0205.101005.10100%2232TNNkSUUXX334. 01579. 02579. 03d(3)Upj=10.5KV等值电路等值电路标幺制法：取标幺制法：取S SB B=100MVA,U=100MVA,UB B=U=Uavav1*1221000.41000.303115BBSXXU2*3*%10.5 1000.52510010020kBTNUSXXS303. 01525. 02525. 03d(3)U*=1等值电路等值电路回路总阻抗回路总阻抗 623. 0289. 0334.
24、02/21XXXd周期分量有效值周期分量有效值10.59.73330.623avddUIkAX冲击电流冲击电流2.552.559.7324.81MdiIKA全电流最大有效值全电流最大有效值1.521.529.7314.79MdIIKA33 10.5 9.73176.9davdzSU IMVA短路容量短路容量回路总阻抗标幺值回路总阻抗标幺值566. 02/525. 0303. 02/*2*1*XXXd周期分量有效值周期分量有效值767. 1566. 011*ddXI冲击电流冲击电流2.552.559.7224.79MdiIKA全电流最大有效值全电流最大有效值1.521.529.7214.77MdIIKA*1.767 100176.7ddzMSISMVA短路容量短路容量标幺值标幺值有名值有名值*1001.7679.723 10.5ddBIIIKA总结总结1 1、标幺值的应用、标幺值的应用2 2、无限大电源发生三相短路的计算、无限大电源发生三相短路的计算3 3、 的含义与用途的含义与用途 I MIMi