电力系统故障分析.pptx

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1、个人简介个人简介工学博士，副教授，硕士研究生导师工学博士，副教授，硕士研究生导师山东大学电气工程学院山东大学电气工程学院 继电保护研究所副所长继电保护研究所副所长1996年考入山东工业大学，年考入山东工业大学，2005年年12月博士毕业留校月博士毕业留校2009年开始独立招收研究生，研究方向为电力系统继电年开始独立招收研究生，研究方向为电力系统继电保护保护承担国家级课题承担国家级课题2项，省级课题项，省级课题2项，国家电网公司重大项，国家电网公司重大科技项目科技项目1项，重点科技项目项，重点科技项目10余项余项第1页/共67页主要内容故障分析的基本知识简单不对称故障的分析计算不对称故障时电力系

2、统中各电气量值的分布计算第2页/共67页涉及的基本概念：涉及的基本概念：1.1.什么是暂态？什么是暂态？2.2.什么是电磁暂态？什么是电磁暂态？3.3.故障类型故障类型4.4.研究电力系统暂态过程的方法研究电力系统暂态过程的方法5.5.故障计算的基本假设故障计算的基本假设第3页/共67页 1.1.什么是暂态？什么是暂态？ 正常情况下电力系统处于稳态运行，此时发电厂正常情况下电力系统处于稳态运行，此时发电厂中原动机的输入功率和发电机的输出功率相平衡，中原动机的输入功率和发电机的输出功率相平衡，系统的频率和电压都是稳定的。当系统受到某种扰系统的频率和电压都是稳定的。当系统受到某种扰动时，上述功率平

3、衡被打破，系统的运动状态也随动时，上述功率平衡被打破，系统的运动状态也随之发生了变化。由于系统中包含有惯性元件，运动之发生了变化。由于系统中包含有惯性元件，运动状态的变化不可能瞬时完成，而必须经历一个过渡状态的变化不可能瞬时完成，而必须经历一个过渡状态，这种过渡状态就称为暂态。状态，这种过渡状态就称为暂态。第4页/共67页 2. 2. 什么是电磁暂态？什么是电磁暂态？ 在暂态过程刚开始的一段时间内，系统在暂态过程刚开始的一段时间内，系统中的发电机以及其它转动机械的转速由于惯中的发电机以及其它转动机械的转速由于惯性作用还来不及变化，暂态过程主要的决定性作用还来不及变化，暂态过程主要的决定于各元件

4、的电磁参数，这一阶段称为电磁暂于各元件的电磁参数，这一阶段称为电磁暂态。态。 第5页/共67页 3. 3. 故障类型： 常见的对电力系统危害比较严重的有：短路、断相以及各种复杂故障等。短路故障是电力系统中危害最严重的故障。 短路的概念：指电力系统正常运行情况以外的一切相与相之间或相与地之间的“短接”。 产生的原因：各种形式的过电压、绝缘材料的自然老化、脏污、直接机械损伤等；运行人员带负荷拉刀闸或线路检修后未拆除地线就加电压等误操作；鸟兽跨接在裸露的载流部分以及自然灾害等。第6页/共67页短路的种类：短路的种类：各种短路的示意图和代表符号各种短路的示意图和代表符号 第7页/共67页 短路的基本现

5、象：电流剧烈增加，电压大幅度下降。 短路的后果：（1）长时间的短路电流会使设备过热而损坏；（2）电压大幅度下降会造成产品报废及设备损 坏；（3）有可能使并列运行的发电厂失去同步，破坏系统稳定，造成大面积停电；第8页/共67页 4. 4. 断相故障及复杂故障： 断相故障：指电力系统一相断开或两相断开的情况。属于不对称性故障。 复杂故障：指在电力系统中的不同地点（两处或两处以上）同时发生不对称故障的情况。又称复故障。第9页/共67页 5. 研究电力系统暂态过程的方法： 物理模拟法 数学模拟法： （1) 建立数学模型； （2）求解数学模型； （3）结果分析。 第10页/共67页 6. 故障计算的基本

6、假设： （1）磁路的饱和、磁滞忽略不计， （2）系统中除不对称故障处以外都可当 作是对称的。 （3）各元件的电阻略去不计。 （4）短路为金属性短路。第11页/共67页故障分析的基本知识 1-1对称分量法1-2序阻抗的基本概念1-3电力系统相序网络的构成第12页/共67页 对称分量法 一、 对称分量法 将一组不对称的三相量看成是三组不同的对称三相量之和，在线性电路中，应用叠加原理，对这三组对称分量分别按对称三相电路去解，然后将其结果叠加起来。这种方法就叫做对称分量法。第13页/共67页 （a）正序分量 （b）负序分量 （c）零序分量 图 3-1 三相不对称相量所对应的三组对称分量 第14页/共6

7、7页0.0.0.2.22.2.2.2.1.1.21.1.21.,cbaabcababcabFFFFaFaFFaFFaFaFFaF1, 0123212321322402120aaajeajeajj第15页/共67页0.2.21.0.2.1.0.2.1.20.2.1.0.2.1.aaaccccaaabbbbaaaaFFaFaFFFFFaFFaFFFFFFFF)(31)(31)(31.2.2.2.1.0.cbaacbaacbaaFaFaFFFaFaFFFFFF第16页/共67页+ +- -+ +- -+ +- -Z ZN NZ ZG GZ ZG GZ ZG GZ ZL LZ ZL LZ ZL LaE

8、+ + +- - -+ +- -aIbIcIaUbUcUaE+ +- -+ +- -+ +- -Z ZN NZ ZG1G1Z ZG1G1Z ZG1G1Z ZL1L1Z ZL1L1Z ZL1L1+ +- -+ + +- - -1aI1bI1cI1aUZ ZN NZ ZG2G2Z ZG2G2Z ZG2G2Z ZL2L2Z ZL2L2Z ZL2L2+ + +- - -+ +- -2aI 2bI 2cI 2aU 2aU 2aU (b)(b)2a1aU1aU(d)(d)(e)(e)aEa2aEa2aaaEa2aEa+ + + +- - - -Z ZN NaEZ ZG GZ ZL LZ ZG GZ ZG

9、GZ ZL LZ ZL LaI0aUbUcU（a）（a）aEa2aEaa二、对称分量法在不对称故障计算中的应用二、对称分量法在不对称故障计算中的应用第17页/共67页图图 3-5 利用对称分量法分析电力系统的不对称短路利用对称分量法分析电力系统的不对称短路第18页/共67页 对正序网络： 对负序网络： 对零序网络： 1.1.1.1.111.)()(aNcbaLGaaUzIIIzzIE1.111.)(aLGaaUzzIE2.2.2.2.222.)()(aNcbaLGaUzIIIzzI2.222.)(aLGaUzzI0.0.0.0.000.)()(aNcbaLGaUzIIIzzI0.000.)3(

10、aNLGaUzzzI第19页/共67页 各序一相等值网络为：各序一相等值网络为：（a）正序等效网络；（）正序等效网络；（b）负序等效网络；（）负序等效网络；（c）零序等效网络）零序等效网络图图 3-6 正序、负序和零序等效网络正序、负序和零序等效网络第20页/共67页 对任意系统，其短路点各序电压和电流均满足以下关系式：222aaUZI000aaUZI1111aaaUZIE 该式说明了各种不对称故障时出现的各序该式说明了各种不对称故障时出现的各序电流和电压之间的相互关系，表示了不对称故电流和电压之间的相互关系，表示了不对称故障的共性。障的共性。 对各种不对称故障都适用。对各种不对称故障都适用。

11、第21页/共67页三、 应用对称分量法计算电力系统不对称故障的步骤 （1）计算电力系统各元件的各序阻抗； （2）制定电力系统的各序网络； （3）由各序网络和故障条件列出对应方程； （4）从联立方程组解出故障点电流和电压的各序分量，将相应的各序分量相加，以求得故障点的各相电流和各相电压； （5）计算各序电压和各序电流在网络中的分布，进而求出各指定支路的各相电流和指定节点的各相电压。第22页/共67页 在制定各序网络时，必须先了解系统的接线，接地中性点的分布状况以及各元件的各序参数和等值电路；进而再分别各序，由短路点开始，查明序电流在网络中的流通情况，以确定各序网络的组成元件及其网络的具体连接。1

12、-4 电力系统相序网络的构成第23页/共67页 一、 正序网络 正序网络就是通常用以计算对称三相短路时的网络，流过正序电流的全部元件的阻抗均用正序阻抗表示。正序电动势就是发电机的电动势。 二、 负序网络 组成负序网络的元件与组成正序网络的元件完全相同，各元件的阻抗要用负序参数表示。发电机及各种旋转电机的负序阻抗与正序阻抗不同，其他静止元件的负序阻抗等于正序阻抗。第24页/共67页三、零序网络 （1） 不包含电源的电动势。各元件的阻抗均应以零序参数 表示； （2） 绘制等值网络时，只能把有零序电流通过的元件包括 进去，而不通过零序电流的元件，则应统统舍去； （3）只有当和短路点直接相连的网络中至

13、少有一个接地中 性点时，才可以形成一个零序回路。如果与短路点直 接相连的网络中有好几个接地的中性点，那么便有好 几个零序电流的并联支路。 （4）变压器绕组的接法对零序电流的通行路径有很大影响。 （5）连在发电机或变压器中性点的元件，其阻抗值扩大为 三倍； （6）平行线路中应计及零序互感的影响。第25页/共67页第26页/共67页简单不对称故障的分析计算第27页/共67页4-1 概述n简单不对称故障简单不对称故障:仅在一处发生短路或断线的故障。仅在一处发生短路或断线的故障。n可分为二类：可分为二类： （1）横向不对称故障：两相短路、单相接地短路、两）横向不对称故障：两相短路、单相接地短路、两相接

14、地短路；其特点为由系统网络中的某一点（节点）和相接地短路；其特点为由系统网络中的某一点（节点）和公共参考点（接地点）构成故障端口。公共参考点（接地点）构成故障端口。 （2）纵向不对称故障：一相断线、二相断线；其特点）纵向不对称故障：一相断线、二相断线；其特点为由电力网络中的两个高电位点之间构成故障端口。为由电力网络中的两个高电位点之间构成故障端口。n分析方法：分析方法： （1）解析法：联立求解三序网络方程和故障边界条件）解析法：联立求解三序网络方程和故障边界条件方程；方程； （2）借助于复合序网进行求解。）借助于复合序网进行求解。第28页/共67页4-2 横向不对称故障的分析计算 图图 41

15、系统接线图系统接线图第29页/共67页 图图 42 正、负、零序等值网络图正、负、零序等值网络图 0002221111ZIUZIUZIEUkakakakakaaka第30页/共67页一、二相短路（bc两相短路）图图 4-3 两相短路时的系统接线图两相短路时的系统接线图第31页/共67页（一）故障边界条件：kckbkckbkaUUIII, 0转换为对称分量： kbkckbkakakbkckbkakakckbkakaIjaIIaIIIjIaaIIIIIII31)(3131)(310)(3122210所以 21kakaII第32页/共67页22102120kakakakckakakakbUaaUUU

16、aUUaUU2212)()(kakaUaaUaa12kakaUU又即 所以故障边界条件方程为012120kakakakakaIIIUU 第33页/共67页（二）求解方法（二）求解方法（1 1）解析法）解析法 联立求解（联立求解（1 1）、（）、（2 2）二组方程，可得故障点）二组方程，可得故障点电流、电压各序分量为：电流、电压各序分量为：212221111ZIZIUZIEUkakakakaaka21121ZZEIIakaka短路点的各序复数功率为：短路点的各序复数功率为：222111kakakakakakaIUSIUS第34页/共67页故障处各相电流电压为：故障处各相电流电压为： kbkakc

17、kakakakakbkakakaIIjIIjIaaaIIaIIII11122122133)(0kakakakakckakakakakbkakakakakaUUUaaUUUUaUUaUZIUUUU2121221221121221121当故障点远离发电机时，可认为当故障点远离发电机时，可认为 ，此时，此时 12ZZ)3(1121123233kaaakckbIjZEjZZEjII第35页/共67页（2）复合序网法）复合序网法112100kakaaakaUUIII由故障边界条件：由故障边界条件： 可知序网连接方式为：可知序网连接方式为：图图 44 两相短路时的序网及复合序网图两相短路时的序网及复合序网

18、图第36页/共67页（三）故障点电流电压向量图：（三）故障点电流电压向量图： 图图 45 两相短路时短路处的电压电流相量图两相短路时短路处的电压电流相量图第37页/共67页 (四四) 两相短路的基本特点：两相短路的基本特点： （1） 短路电压电流中不存在零序分量；短路电压电流中不存在零序分量； （2） 两故障相中的短路电流的绝对值相等，方向相反，两故障相中的短路电流的绝对值相等，方向相反，数值上为正序电流的数值上为正序电流的 倍；倍； （3）当在远离发电机的地方发生两相短路时，可通过）当在远离发电机的地方发生两相短路时，可通过对序网进行三相短路计算来近似求两相短路的电流；对序网进行三相短路计算

19、来近似求两相短路的电流； （4 4） 两相短路时的正序电流在数值上与在短路点加一两相短路时的正序电流在数值上与在短路点加一个附加阻抗个附加阻抗 构成一个增广正序网而发生三相短路时的电构成一个增广正序网而发生三相短路时的电流相等。即流相等。即 （5） 短路点两故障相电压总是大小相等，数值上为非短路点两故障相电压总是大小相等，数值上为非故障相电压的一半，两故障相电压相位上总是相同，但与非故障相电压的一半，两故障相电压相位上总是相同，但与非故障相电压方向相反。故障相电压方向相反。)2(112111ZZEZZEIaaka)2(Z3第38页/共67页二二 、 单相接地短路（单相接地短路（A相）相） 图图

20、4-6 单相接地短路时系统接线图单相接地短路时系统接线图第39页/共67页（一）故障边界条件：（一）故障边界条件： 0, 0kckbkaIIU转换为对称分量：转换为对称分量： kakakakakakakakaIIIIUUUU310021021注：注：A相短路选基准相为相短路选基准相为A相，相，B相短路选基准相为相短路选基准相为B相，相，C相短路选基准相为相短路选基准相为C相。相。第40页/共67页（二）复合序网（二）复合序网11102102101000212220202111)()(ZIEZZIUUUZIZIUZIZIUIIZZZEIkaakakakakakakakakakakakakaaka

21、第41页/共67页短路处各序功率为：短路处各序功率为： )()()(skskskIUS短路点各相电流电压为：短路点各相电流电压为： 02210221022210212021021) 1()() 1()(00333ZaZaaIUUaaUUZaZaaIUaUUaUUIIIIIIIIIkakakakakckakakakakbkakckbkakakakakakaka第42页/共67页（三）向量图：（假定阻抗为纯电抗）（三）向量图：（假定阻抗为纯电抗）图图48 单相接地短路处的电压电流相量图单相接地短路处的电压电流相量图第43页/共67页（四）基本特点：（1）短路点各序电流大小相等，方向相同。（2）短路

22、点正序电流大小与短路点原正序网络上增加一个附加阻抗 而发生三相短路时的电流相等。（3）短路点故障相电压等于零。（4）若 两非故障相电压的幅值总相等，相位差 的大小决定于 。 02)1(ZZZ,20ZZu20ZZ200ZZ当有18060u第44页/共67页 三、三、 两相接地短路（两相接地短路（bcbc相接地）相接地） 图图 49 两相接地短路时的系统接线图两相接地短路时的系统接线图第45页/共67页（一）故障边界条件：（一）故障边界条件： 0, 0kckbkaUUI转换为对称分量，有转换为对称分量，有kakakakakakakaUUUUIII310021021注意：注意：bcbc相接地短路故障

23、时，相接地短路故障时，a a相为基准相；相为基准相；caca相接地短相接地短路故障时，路故障时，b b相为基准相；相为基准相；abab相接地短路故障时，相接地短路故障时，c c相为相为基准相。基准相。第46页/共67页（二）复合序网（二）复合序网11201200212020120akakakakakaEIZZZZZZIIZZZIIZZ )(02021021ZZZZIUUUkakakaka)()()(skskskIUS第47页/共67页故障点各相电气量为：故障点各相电气量为： )()(002022102210202210212021ZZZaZaIIIaaIIZZaZZaIIaIIaIIIIIka

24、kakakakckakakakakbkakakaka当 为纯电抗时，两故障相电流为： 021,ZZZ)()(020221020221XXXaXaIIXXaXXaIIkakckakb第48页/共67页将 代入上式，并取绝对值，整理后可得： 2321,23212jaja120202)1 , 1()(13kakkckbIXXXXIII两相接地短路时，流入地中的电流为两相接地短路时，流入地中的电流为0221033ZZZIIIIIkakakckbg故障处各相电压为故障处各相电压为 0333021021kckbkakakakakakakaUUUUUUUUU第49页/共67页（三）向量图：（三）向量图： (

25、 (b b) )( (a a) )kaU0kaU1kaU2kaU0kckbUU1kcU2kbU2kcU1kbUkaIkcI0kaIkbI1kaI2kbI1bcI1kbI0kaII03kakckbgIIII2kaI 图图 4-11 两相接地短路处电压电流相量图两相接地短路处电压电流相量图第50页/共67页（四）基本特点： (1) 短路处正序电流与在原正序网络上增接一个附加阻抗 后而发生三相短路时的短路电流相等； (2) 短路处两故障相电压等于零； (3) 在假定 阻抗角相等的情况下，两故障相电流的幅值总相等,其夹角 随 的不同而不同。 (4) (4) 流入地中的电流等于两故障电流之和02)1 ,

26、 1(/ ZZZ20,ZZ20ZZI第51页/共67页 四、四、 几点结论几点结论 1. 正序等效定则：正序等效定则：不对称短路故障时故障支路的正序分不对称短路故障时故障支路的正序分量电流，等于故障点每相加上一个附加阻抗后发生三相短路量电流，等于故障点每相加上一个附加阻抗后发生三相短路的电流。的电流。 其中其中 故障前故障点基准相的运行相电压；故障前故障点基准相的运行相电压； 与短路点故障类型有关的阻抗：与短路点故障类型有关的阻抗：:1aE:)(nZ; 0)3(Z;2)2( ZZ;0202)1 , 1(ZZZZZ02)1(ZZZ；)(11)(1nankaZZEI第52页/共67页 2. 关于基

27、准相的选择关于基准相的选择 在短路故障中，一般选故障时故障处三相中的特在短路故障中，一般选故障时故障处三相中的特殊相作为基准相。殊相作为基准相。 特殊相指的是故障处与另两相情况不同的那一相。特殊相指的是故障处与另两相情况不同的那一相。例如，单相接地短路故障相为特殊相，两相短路和两例如，单相接地短路故障相为特殊相，两相短路和两相接地短路选非故障相为特殊相。相接地短路选非故障相为特殊相。 选特殊相为基准相后，同一类型短路故障发生在选特殊相为基准相后，同一类型短路故障发生在不同相上时，基准相的序分量条件不会改变，于是复不同相上时，基准相的序分量条件不会改变，于是复合序网的形式不会改变，计算公式、结论

28、不会改变，合序网的形式不会改变，计算公式、结论不会改变，只是表达式中下脚符号改变而已。只是表达式中下脚符号改变而已。第53页/共67页 例如：例如：b相单相接地短路，相单相接地短路，b相为特殊相。若选相为特殊相。若选b相为基准相为基准相，则边界条件为：相，则边界条件为：0021021kbkbkbkbkbkbUUUIII若仍选若仍选a相为基准相，则边界条件为：相为基准相，则边界条件为： 002120212kakakakakakaUaUUaIaIIa 出现了出现了 ，使算式和复合序网的连接复杂化。使算式和复合序网的连接复杂化。 2,aa第54页/共67页 3.关于复合序网关于复合序网 (1) 电力

29、系统某一故障点的正序网络、负序网电力系统某一故障点的正序网络、负序网络、零序网络，属于基本序网，与故障类型、相别络、零序网络，属于基本序网，与故障类型、相别无关。但由各序网组合成的复合序网与短路故障的无关。但由各序网组合成的复合序网与短路故障的类型、相别有关。类型、相别有关。 (2) 串连型故障：其复合序网由三个独立的串连型故障：其复合序网由三个独立的 序网络相串连而成。如单相接地短路。序网络相串连而成。如单相接地短路。 并联型故障：其复合序网由三个独立的序网并联型故障：其复合序网由三个独立的序网络并联而成。如两相接地短路故障（两相短路故障络并联而成。如两相接地短路故障（两相短路故障只有两个序

30、网）。只有两个序网）。第55页/共67页【例题例题4-14-1】某系统接线如图所示。当某系统接线如图所示。当k点发生点发生c相接地短路时，相接地短路时，求故障点各序的电流、电压、序功率及各相的电流电压，并求故障点各序的电流、电压、序功率及各相的电流电压，并画出其向量图。画出其向量图。图图 4-12 例题例题4-1的系统接线图的系统接线图;11,16%, 5 .12%,5 .10,5 .622KVExxKVMVAMd ;5 .10,16%, 5 .12%,5 .10,25.312KVExxKVMVANd ; 5 .10%,121/5 .10,60KUKVKVMVA; 5 .10%,121/5 .

31、10,5 .31KUKVKVMVAkmlxxkmxx40,2,/4 . 01021发电机：G-1 G-2 变压器：T-1 T-2 线路： 第56页/共67页解：解：1. 1. 将各元件参数换算成标么值：将各元件参数换算成标么值： 取取 aVBBUUMVAS,100KVUaV5 .1005. 15 .1011 ME2 . 05 .62100125. 0% NBddSSxx256. 05 .6210016. 0%22NBSSxxG-1: 第57页/共67页G-2: KVUaV5 .1015 .105 .10 NE4 . 025.31100125. 0% NBddSSxx512. 025.31100

32、16. 0%22NBSSxx第58页/共67页175. 0601001005 .10100%*1NBkTSSUx333. 05 .311001005 .10100%*2NBkTSSUx242. 0401151008 . 0121. 0401151004 . 0115220*0*2221*1BBlllBBllaVUSxxxUSxxKVUT-1:T-2:线路：第59页/共67页2.2.选选C C相为基准相，画出各序等值网络。相为基准相，画出各序等值网络。(a) (a) 正序网正序网 (b)负序网负序网 (c)零序网第60页/共67页化简：设故障点左侧为化简：设故障点左侧为M M侧侧, ,右侧为右侧

33、为N N侧侧417. 0242. 0175. 0552. 0121. 0175. 0256. 0496. 0121. 0175. 02 . 0021MMMxxx333. 0845. 0733. 0021NNNxxx所以，所以， 296. 0/111NMxxx03. 11111 NMMNNMxxxExEE334. 0/222NMxxx185. 0/000NMxxx第61页/共67页 3. 3.计算各序电气量及各相量计算各序电气量及各相量9003. 103. 1 jE设：设： （1)1) 求故障处各序电流、电压、功率：求故障处各序电流、电压、功率：264. 1021021 ZZZEIIIkckck

34、c656. 0)(422. 0234. 0201222000jUUUjxjIUjxjIUkckckckckckckc296. 0533. 0829. 0000222111jIUSjIUSjIUSkckckckckckckckckc第62页/共67页 （2)2) 求故障处各相电流、电压：求故障处各相电流、电压：792. 3264. 13301kckckakbIIII0997. 0997. 06 .20002214 .3390212kcjkckckckbjkckckckaUeUUaaUUeUaUUaU第63页/共67页画出短路处的电流电压向量图：画出短路处的电流电压向量图： 图图48 单相接地短路

35、处的电压电流相量图单相接地短路处的电压电流相量图第64页/共67页 （4)4) 求各电气量的有名值：求各电气量的有名值： 短路点所在电压等级的电压电流基值为短路点所在电压等级的电压电流基值为KAIKVUBB502. 011553100,4 .663115KAIkc904. 1502. 0792. 3KVUUkbka2 .664 .66997. 0MVASkc633.27502. 04 .66829. 01MVASkc767.17502. 04 .66533. 02MVASkc867. 9502. 04 .66296. 00第65页/共67页谢谢 谢！谢！第66页/共67页感谢您的观看！第67页/共67页