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1、第五章电力系统故障第五章电力系统故障与实用短路电流计算与实用短路电流计算第一页，本课件共有23页电力系统的故障简单故障复合故障电力系统中某一处发生短路和断相故障的情况两个以上简单故障的组合电力系统短路故障1.三相对称短路2.单相接地短路 3.两相短路 4.两相接地短路 1.断一相故障2.断两相故障电力系统断相故障又称横向故障又称纵向故障属不对称故障第一节故障概述第一节故障概述2023/2/25第二页，本课件共有23页一一.短路短路n短路的概念短路的概念短路是指电力系统正常运行情况以外的相与相之间或相与地之短路是指电力系统正常运行情况以外的相与相之间或相与地之间的连接。短路也称纵向故障。间的连接
2、。短路也称纵向故障。n短路的原因短路的原因绝缘损坏绝缘损坏 产生短路的主要原因是电气设备载流部分的相间绝缘或相对地绝产生短路的主要原因是电气设备载流部分的相间绝缘或相对地绝缘被损坏。缘被损坏。误操作误操作 运行人员在线路检修后未拆除地线就加电压等误操作。运行人员在线路检修后未拆除地线就加电压等误操作。2023/2/25第三页，本课件共有23页短路的类型短路的类型短路类型 符号 示意图 特点 三相短路 f(3)对称 故障 两相短路 f(2)非对称 故障 单相接地 短路f(1)非对称 故障 两相接地 短路 f(1,1)非对称 故障 2023/2/25第四页，本课件共有23页短路的危害短路的危害 大
3、电流产生巨大电动力，造成机械损坏；大电流产生巨大电动力，造成机械损坏；烧毁设备（热稳定）；烧毁设备（热稳定）；电网大面积电压下降；电网大面积电压下降；破坏电力系统的稳定；破坏电力系统的稳定；影响电力系统通讯。影响电力系统通讯。2023/2/25第五页，本课件共有23页 短路的后果举例短路的后果举例2003年年8月月14日美国大停电日美国大停电美国东部美国东部(EDT)时间时间2003年年8月月14日日16:11开始开始（北京时间（北京时间8月月15日晨日晨4:11），美国东北部和加拿大东部联合），美国东北部和加拿大东部联合电网发生了大面积停电事故电网发生了大面积停电事故纽约纽约:交通瘫痪、公路
4、堵塞、人困在电梯和地下隧道里、冒酷热步交通瘫痪、公路堵塞、人困在电梯和地下隧道里、冒酷热步行回家行回家停电影响停电影响 美国：美国：俄亥俄州、密歇根州、纽约州、俄亥俄州、密歇根州、纽约州、马萨诸塞州、康涅狄克州、新泽西州、马萨诸塞州、康涅狄克州、新泽西州、宾夕法尼亚州、佛蒙特州（宾夕法尼亚州、佛蒙特州（8个州）个州）加拿大：安大略省、魁北克省（加拿大：安大略省、魁北克省（2个省）个省）2023/2/25第六页，本课件共有23页损失负荷：损失负荷：6180万千瓦万千瓦5000万居民失去电力供应万居民失去电力供应恢复需几天时间恢复需几天时间 -8月月14日日19：30 恢复恢复134万千瓦万千瓦
5、-8月月14日日23：00 恢复恢复2130万千瓦万千瓦 -8月月15日日11：00 恢复恢复4860万千瓦万千瓦美国切机美国切机20多台（含多台（含9台核电机组）台核电机组）美加共计切机百余台美加共计切机百余台美经济学家估计：美损失：美经济学家估计：美损失：300亿美元亿美元/天天 安大略省损失：安大略省损失：50亿美元亿美元2003年年8月月14日美国大停电日美国大停电2023/2/25第七页，本课件共有23页停电前后卫星拍到的美国上空照片停电前后卫星拍到的美国上空照片2023/2/25第八页，本课件共有23页 短路电流计算的意义短路电流计算的意义是电气设备选择的依据；是网络结构规划、设计
6、的依据；是电力系统保护配置的依据；是电力系统稳定控制措施制定的依据。2023/2/25第九页，本课件共有23页二、断线二、断线二、断线二、断线 断线也称纵向故障，例如一相断线使系统断线也称纵向故障，例如一相断线使系统发生两相运行的非全相运行情况。发生两相运行的非全相运行情况。一相断线或两相断线故障也属于不对称故障，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。其分析计算方法与不对称短路故障类似。在电力系统中的不同地点在电力系统中的不同地点(两处以上两处以上)同时发生不同时发生不对称故障的情况，称为复杂故障。对称故障的情况，称为复杂故障。2023/2/25第十页，本
7、课件共有23页三三、故障分析中的基本假设、故障分析中的基本假设1、假定同步发电机的转速维持不变：由于电磁暂态假定同步发电机的转速维持不变：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）；化非常微小（有惯性）；2、各发电机内电势间的相位角、各发电机内电势间的相位角-相对功率角变；相对功率角变；3、异步电机的转差率保持不变。、异步电机的转差率保持不变。不考虑机电的相互作用！不考虑机电的相互作用！2023/2/25第十一页，本课件共有23页四、短路故障的基本分析方法四、短路故障的基本分析方法 电气量剧烈变化，采用微分方程分析，即：
8、电气量剧烈变化，采用微分方程分析，即：建立系统的微分方程模型（暂态模型），根据短建立系统的微分方程模型（暂态模型），根据短路条件求解微分方程组。（以发电机机端三相短路条件求解微分方程组。（以发电机机端三相短路为例进行分析）路为例进行分析）短路后进入稳态：短路后进入稳态：短路后的瞬间：短路后的瞬间：各电气量幅值、相位、频率均不再变化，采用各电气量幅值、相位、频率均不再变化，采用相量分析（类似于稳态计算），求解代数方程组。相量分析（类似于稳态计算），求解代数方程组。（对称分量法对称分量法）2023/2/25第十二页，本课件共有23页短路后的不同时段短路后的不同时段短路后的瞬间短路后的瞬间短短路路发
9、发生生时时刻刻短路后进入稳态短路后进入稳态2023/2/25第十三页，本课件共有23页一、无限大容量电源一、无限大容量电源 电源功率为无限大时，外电路发生短路，电源的电压和频电源功率为无限大时，外电路发生短路，电源的电压和频率（对应于同步机的转速）保持恒定，无限大电源可以看作率（对应于同步机的转速）保持恒定，无限大电源可以看作是由多个有限功率电源并联而成，因而其内阻抗为零，电源是由多个有限功率电源并联而成，因而其内阻抗为零，电源电压保持恒定。电压保持恒定。电源距短路点的电气距离较远时，由短路而引电源距短路点的电气距离较远时，由短路而引起的电源送出功率的变化起的电源送出功率的变化 远小于电源的容
10、远小于电源的容量量 ，这时可设，这时可设 ，则该电源为无限大容，则该电源为无限大容量电源。量电源。电源的端电压及频率在短路后的暂态过程中保电源的端电压及频率在短路后的暂态过程中保持不变持不变概念重要特性第二节无限大功率电源供电的三相短路电流分析第二节无限大功率电源供电的三相短路电流分析2023/2/25第十四页，本课件共有23页 二二,暂态过程分析暂态过程分析 当在当在 f f 点发生三相短路时，电路被分成两个点发生三相短路时，电路被分成两个独立的回路。左边回路仍与电源连接，右边回路独立的回路。左边回路仍与电源连接，右边回路则没有电源。则没有电源。2023/2/25第十五页，本课件共有23页上
11、图所示的三相短路，短路发生前，电路处于稳态，上图所示的三相短路，短路发生前，电路处于稳态，其其a a相的电流表达式为相的电流表达式为 式中式中右边回路中，电流将从短路发生瞬间的值不断衰减，右边回路中，电流将从短路发生瞬间的值不断衰减，一直到磁场中储存的能量全部变为电阻中所消耗的热一直到磁场中储存的能量全部变为电阻中所消耗的热能，电流即衰减为零。能，电流即衰减为零。左边回路中，每相阻抗由原来的左边回路中，每相阻抗由原来的 (R+R(R+R)+j)+j)+j)+j(L+L(L+L)减小为减小为R+jR+jL L ，其稳态电流必将增大。，其稳态电流必将增大。2023/2/25第十六页，本课件共有23
12、页短路后回路满足以下方程短路后回路满足以下方程其中其中2023/2/25第十七页，本课件共有23页由于电感电流不能突变，因此有：由于电感电流不能突变，因此有：C 值的确定值的确定代入通解得到：代入通解得到：2023/2/25第十八页，本课件共有23页所以不衰减！不衰减！衰减时间常数：衰减时间常数：T=L R交流分量交流分量衰减的直流分量衰减的直流分量2023/2/25第十九页，本课件共有23页无穷大电源短路电流无穷大电源短路电流无穷大电源短路电流无穷大电源短路电流交流分量交流分量不衰减！不衰减！2023/2/25第二十页，本课件共有23页四四,短路冲击电流和最大短路电流短路冲击电流和最大短路电
13、流（一）短路冲击电流（一）短路冲击电流短路电流在最恶劣短路情况下的最大瞬时值，称为短路短路电流在最恶劣短路情况下的最大瞬时值，称为短路冲击电流冲击电流 即，即，IM=KMIm 式中式中KM称为冲击系数，即冲击电流值对于交流电流幅值的称为冲击系数，即冲击电流值对于交流电流幅值的倍数倍数 最大值在短路发生约半个周期后出现最大值在短路发生约半个周期后出现2023/2/25第二十一页，本课件共有23页（二）最大有效值电流（二）最大有效值电流 在短路暂态过程中，任一时刻在短路暂态过程中，任一时刻t短路电流有效值短路电流有效值It 是以时刻是以时刻t为中为中心的一个周期内瞬时电流的均方根值，即：心的一个周期内瞬时电流的均方根值，即：最大有效值电流也是在短路后半个周期时出现最大有效值电流也是在短路后半个周期时出现 近似认为 2023/2/25第二十二页，本课件共有23页结结 束束2023/2/25第二十三页，本课件共有23页