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1、第五章 电力系统三相短路的暂态过程2009 Spring Term电力系统稳态分析电力系统稳态分析 第一章第一章 第一页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 主要内容5-1 短路的一般概念5-2 恒定电势源电路的三相短路5-3 同步电机突然三相短路的物理分析5-4 无阻尼绕组同步电机三相短路电流计算5-5 有阻尼绕组同步电机三相短路电流计算5-6 强行励磁对短路暂态过程的影响第二页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 5-1 短路的一般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
2、间或相与地之间的连接。短路也称纵向故障。短路的原因元件损坏 2气象条件恶化 3误操作 4.其他第三页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 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 第四页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 短路的危害 1大电流产生巨大电动力，造成机械损坏（动稳定）；烧毁设备（热稳定）；电网大面积电压下降；破坏电力系统的稳定；影响电力系统通
3、讯。第五页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 2003年8月14日美国大停电卫星拍到的美国上空照片第六页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 短路电流计算的意义是电气设备选择的依据是电气设备选择的依据是网络结构规划、设计的依据（广东电网、上海电网环网是网络结构规划、设计的依据（广东电网、上海电网环网运行，短路电流太大，不安全，难以选择断路器）运行，短路电流太大，不安全，难以选择断路器）是电力系统保护配置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是电力系统稳定控制措施制定
4、的依据第七页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 5-2恒定电势源电路的三相短路一、恒定电势源（无限大功率电源）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，电源电压保持恒定第八页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 二,暂态过程分析 当在当在当在当在f f点发生三相短路时，电路被分成两个独立的回路。左边回点发生三相短路时，电路被分成两个独立的回路。左边回点发生三相短路时，电路被分成两个独
5、立的回路。左边回点发生三相短路时，电路被分成两个独立的回路。左边回路仍与电源连接，右边回路则没有电源。路仍与电源连接，右边回路则没有电源。路仍与电源连接，右边回路则没有电源。路仍与电源连接，右边回路则没有电源。第九页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 上图所示的三相短路，短路发生前，电路处于稳态，其a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，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。左边回路中，每相阻抗由原来的(R+R)+j(L+L)减小为R+j L，其稳态电流必将增大。第十页，本课件共
6、有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 短路后回路满足以下方程其中其中其中其中第十一页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 由于电感电流不能突变，因此有：因此有：C 值的确定值的确定代入通解得到：代入通解得到：第十二页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 所以所以不衰减！不衰减！衰减时间常数：衰减时间常数：Ta交流分量交流分量衰减的直流分量衰减的直流分量第十三页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 下
7、图画出了t=0时的a相的电源电压，短路前的电流和短路电流交流分量的相量图a相短路电流的直流分量最相短路电流的直流分量最相短路电流的直流分量最相短路电流的直流分量最大值的条件：大值的条件：大值的条件：大值的条件：.m=0.=0即短路前为空载即短路前为空载即短路前为空载即短路前为空载第十四页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 由于三相电路对称，只要用(+120)和(-120)代替式中的就可分别得到b相和c相的电流表达式。可见，短路至稳态时，三相中的稳态短路电流为三个幅值相等，相角相差120的交流电流，其幅值大小取决于电源电压幅值和短路回路的总阻
8、抗。从短路发生到稳态的暂态过程中，每相电流中包含有不相等且逐渐衰减的直流电流，其出现的物理原因是电感电流不能突变。可见：非周期分量有最大初值或零值的情况只可能在一相出现。第十五页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 无穷大电源短路电流交流分量交流分量交流分量交流分量不衰减！不衰减！不衰减！不衰减！第十六页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 四,短路冲击电流和最大短路电流（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，称为短路冲击电流 即，式中kim称为冲击系数，即冲击电流值对于短
9、路电流周期分量幅值的倍数 最大值在短路发生约半个周期后出现第十七页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章（二）最大有效值电流 在短路暂态过程中，任一时刻t短路电流有效值It 是以时刻t为中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 近似认为 第十八页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 短路功率（短路容量）短路容量等于短路电流有效值同短路处的正常工作电压（一般用平均额定电压）的乘积 短路容量主要用于校验开关的切断能力。在短路的实用计算中，常用周期分量电流的初
10、始有效值来计算短路功率。第十九页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 5-3 同步发电机突然三相短路的物理分析一、同步机突然三相短路的暂态过程分析假设无阻尼同步发电机三相短路前空载 定子侧电流 则则第二十页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 t=0 时同步发电机三相突然短路时的时同步发电机三相突然短路时的A相电流的相电流的实测波形实测波形第二十一页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 t=0 时同步发电机三相突然短路时的励磁电流的时同步发
11、电机三相突然短路时的励磁电流的实测波形实测波形:第二十二页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 实测短路电流波形分析短路电流包络线中心偏离时间轴，说明短路电流中含短路电流包络线中心偏离时间轴，说明短路电流中含有有衰减的非周期分量衰减的非周期分量；交流分量的幅值是衰减的，说明交流分量的幅值是衰减的，说明电势或阻抗是变化电势或阻抗是变化的。的。励磁回路电流也含有衰减的交流分量和非周期分量，励磁回路电流也含有衰减的交流分量和非周期分量，说明说明定子短路过程中有一个复杂的电枢反应过程定子短路过程中有一个复杂的电枢反应过程。第二十三页，本课件共有68页
12、2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 t=0 时,同步发电机定子绕组三相突然短路时的电流波形分解图如下:短路电流波形分解短路电流波形分解短路电流波形分解短路电流波形分解三相直流分量三相直流分量三相直流分量三相直流分量第二十四页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 短路电流波形分解短路电流波形分解短路电流波形分解短路电流波形分解交流分量交流分量交流分量交流分量第二十五页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 以定子上a相为例:为了保证绕组磁链不变,在定子绕组上感
13、应出 t=0 时时,同步发电机定子绕组三相突然短路时同步发电机定子绕组三相突然短路时有有有有第二十六页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 此时有此时有:即即:其中其中:产生基频交流；产生产生直流，倍频交流直流，倍频交流 定子上的基频交流在转子上产生直流；定子上的基频交流在转子上产生直流；定子上的基频交流在转子上产生直流；定子上的基频交流在转子上产生直流；定子上的直流在转子上产生基频交流；定子上的直流在转子上产生基频交流；定子上的直流在转子上产生基频交流；定子上的直流在转子上产生基频交流；定子上的二倍频交流在转子上产生基频交流。定子上的二倍频
14、交流在转子上产生基频交流。第二十七页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 短路前空载，仅有励磁绕组的互磁通（红色）短路后，定子中感应出基频电流，产生反向磁通，用以抵消转子主磁场对定子绕组产生的交变磁链（绿色）；定子绕组第二十八页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 短路后，由励磁电压产生的励磁电流（直流）依然存在；短路后，定子中感应出基频电流产生的磁链匝链励磁绕组，励磁绕组中产生一个自由直流电流（蓝色）；转子绕组定子绕组励磁绕组中的自由直流电流产生的磁链匝链定子绕组，定子感应出定子基频电流的
15、自由分量；为维持短路瞬间磁链守恒，定子中感应出直流电流和倍频电流（咖啡色）;定子中感应出直流和倍频电流产生的磁链匝链励磁绕组，为维持磁链不变，励磁绕组中产生一个基频电流；转子绕组第二十九页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 定子转子绕组电流有如下列表:强制分量 自由分量 定子侧电流稳态短路电流基频交流直流、二倍频交流转子侧电流 励磁电流自由直流 基频交流 第三十页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 5-4 无阻尼绕组发电机突然三相短路分析1、暂态电抗和暂态电势（若考虑阻尼绕组则称为次暂态
16、）第三十一页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 磁链平衡等值电路:我们关心的是定子侧的量，所以消去转子侧的电流第三十二页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 其中，为暂态电势，为直轴暂态电抗 是励磁绕组短接时（反映了励磁回路对定子电流影响），从定子dd绕组看入的等值电抗，其相应的磁路是励磁绕组的漏磁路径。第三十三页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 2.定子绕组侧电压对于上三式，若忽略绕组电阻，即对于上三式，若忽略绕组电阻，即 在暂态过
17、程中，磁链守恒，在暂态过程中，磁链守恒，设设则则第三十四页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 各标量写成相量各标量写成相量定义则其中其中其中其中称为虚构电势称为虚构电势称为虚构电势称为虚构电势 第三十五页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 3.同步电机相量图定义：暂态后电势则虚构电势实用计算中，代替第三十六页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 二、短路电流的算式按磁链平衡原则，定子交流磁链故障前：定子绕组上定子绕组上:励磁绕组上励磁绕
18、组上:短路前有:1.定子绕组基频交流定子绕组基频交流 和转子绕组直流和转子绕组直流第三十七页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 短路后有短路后有短路后有短路后有:励磁绕组磁链守衡励磁绕组磁链守衡第三十八页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 联立定联立定联立定联立定,转子绕组上磁链方程有转子绕组上磁链方程有转子绕组上磁链方程有转子绕组上磁链方程有把把把把代入代入代入代入可得可得可得可得第三十九页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 由方程
19、由方程由方程由方程短路时有短路时有短路时有短路时有 2.定子侧交流的基频交流自由分量定子侧交流的基频交流自由分量 转子绕组直流转子绕组直流转子绕组直流转子绕组直流和转子侧直流的自由分量和转子侧直流的自由分量和转子侧直流的自由分量和转子侧直流的自由分量第四十页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 由由如前面所求为如前面所求为第四十一页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 3.定子绕组直流的自由分量 和转子绕组基频交流的自由分量定子短路前定子短路前(以以a相为例相为例)t=0 t=0时定子短路时
20、定子短路时定子短路时定子短路经过经过经过经过ParkPark变换得到变换得到变换得到变换得到由于短路前空载由于短路前空载第四十二页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 短路后有短路后有短路前后定转子磁链守衡短路前后定转子磁链守衡把把代入代入第四十三页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 第四十四页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 d轴电流a相电流q轴电流第四十五页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析
21、 第五章第五章 三、自由电流的衰减原则1 为了维持绕组磁链不变而产生自由电流，如果该自由电流产生的磁势相对于绕组静止，那么这个电流将按照该绕组的时间常数衰减，同时，与该自由电流相依存的电流也按时间常数衰减；原则2 计算绕组的时间常数，只考虑绕组的电阻，而忽略其它绕组的电阻.第四十六页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 定子的直流按照定子绕组的时间常数 衰减，定子电流的倍频分量和转子电流的基频分量也按此时间常数衰减；转子绕组的直流按照转子绕组的时间常数 衰减。定子绕组的基频自由分量按此时间常数衰减时间常数第四十七页，本课件共有68页2010
22、Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 如上图，其中如上图，其中如上图，其中如上图，其中 处短接处短接处短接处短接定子绕组开路时励磁绕定子绕组开路时励磁绕定子绕组开路时励磁绕定子绕组开路时励磁绕组的时间常数组的时间常数组的时间常数组的时间常数的确定第四十八页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 定子绕组上定子绕组上定子绕组上定子绕组上经过经过Park反变换得反变换得电流的表达式电流的表达式稳态短路电流稳态短路电流稳态短路电流稳态短路电流基频自由分量基频自由分量基频自由分量基频自由分量直流自由分量直流自由分量直流自由分量直
23、流自由分量倍频自由分量倍频自由分量倍频自由分量倍频自由分量第四十九页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 转子励磁绕组上的电流 的表达试励磁电流励磁电流励磁电流励磁电流直流自由分量直流自由分量直流自由分量直流自由分量基频自由分量基频自由分量基频自由分量基频自由分量第五十页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 负载状态下的突然短路短路前有：第五十一页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 励磁绕组上的电流 直接调用公式第五十二页，本课件共有68
24、页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 定子电流第五十三页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 5-5 有阻尼绕组同步电机突然三相短路一、次暂态过程分析 强制分量 自由分量定子侧电流稳态短路电流 基频交流 直流、二倍频交流 转子侧电流 f 励磁电流 直流 基频交流 D 0 直流 基频交流 Q 0 直流 基频交流 第五十四页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 d 交轴方向的磁链平衡等值电路上图中和短路 第五十五页，本课件共有68页2010 Spring Te
25、rm电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 第五十六页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 q 交轴方向的磁链平衡等值电路将上图 短路第五十七页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 第五十八页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 三、定子绕组侧电压忽略变压器电势忽略变压器电势忽略变压器电势忽略变压器电势 即即即即,认为认为认为认为得到得到得到得到:向量表示第五十九页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析
26、第五章第五章 定子绕组侧电压为定子绕组侧电压为定子绕组侧电压为定子绕组侧电压为:其中其中其中其中:认为认为:此暂态电势第六十页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 各发电机等值电路之间的关系各种不同的电势方程式都可用于稳态和暂态分析；各种电势方程中所用的电势和电抗间具有明确的对应关系，切不可混淆；当转子各回路磁链守恒时，宜采用暂态或此暂态参数列写的电势方程；当励磁绕组的电流不变时，则采用稳态参数的电势方程。第六十一页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 各种电势之间的关系：第六十二页，本课件
27、共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 四、自由电流的衰减定子的直流按照定子绕组的时间常数 衰减，第六十三页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 转子绕组的直流按照转子绕组的时间常数 衰减。第六十四页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 QQ轴绕组的时间常数轴绕组的时间常数轴绕组的时间常数轴绕组的时间常数第六十五页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 定子定子A相电流相电流:基频交流基频交流基频交流
28、基频交流直流自由分量直流自由分量直流自由分量直流自由分量倍频交流自由分量倍频交流自由分量倍频交流自由分量倍频交流自由分量第六十六页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 5-6 强行励磁对短路暂态过程的影响励磁系统示意图第六十七页，本课件共有68页2010 Spring Term电力系统分析电力系统分析 第五章第五章 当机端电压0.8UN，立刻改变可控硅的控制角，使强励励磁电流ifmax为1.82.0倍 ifN,对电力系统运行、保护有明显作用。强励过程的暂态计算是复杂的。自动励磁调节后，短路电流不是单调衰减到稳态短路电流 t有调节有调节无调节无调节第六十八页，本课件共有68页