《电力系统稳态分析7电力系统故障的基本知识.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力系统稳态分析7电力系统故障的基本知识.ppt（84页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第七章第七章 电力系统故障的基本知识电力系统故障的基本知识 及三相短路分析及三相短路分析本章内容本章内容第一节第一节 电力系统故障的基本知识；电力系统故障的基本知识；第二节第二节 无限大容量电源无限大容量电源供电系统的三相供电系统的三相 短路分析；短路分析；第三节第三节 同步发电机同步发电机供电系统的三相短路分供电系统的三相短路分 析；析；第四节第四节 电力系统三相短路的实用计算。电力系统三相短路的实用计算。第一节第一节 电力系统故障的基本知识电力系统故障的基本知识一、故障的分类一、故障的分类电力系统短路故障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
2、两相故障电力系统断线故障又称横向故障又称纵向故障属不对称故障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 电力系统电力系统正常运行情况以外正常运行情况以外的的相与相相与相之间或之间或相相与地与地之间的连接。之间的连接。横向故障横向故障理解理解：正常运行之内的正常运行之内的连接连接。在电力系统中，正常运行时，相与相或相与地在电力系统中，正常运行时，相与相或相与地之间的连接都要通过用电设备，如电动机、电之间的连接都要通过用电设备，如电动机、电灯等，不连接用电设备的地方应当是相互绝缘灯等，不连接用电设备的地方应当是相互绝缘的。的。二、短路故障二、短路故
3、障 短路种类短路种类 示意图示意图 代表符号代表符号三三 相相 短短 路路 f(3)两两 相相 短短 路路 接接 地地 f(1,1)两两 相相 短短 路路 f(2)单单 相相 短短 路路 接接 地地 f(1)不不对对称称短短路路对称对称短路短路1 1、短路的分类、短路的分类2 2、短路的原因、短路的原因 外部原因外部原因 雷击、风暴、动物 污染 人为误操作（如检修后，不拆地线就接电）内部原因内部原因 绝缘老化3 3、短路的危害、短路的危害 电流危害电流危害 机端短路电流：机端短路电流：额定电流的额定电流的10101515倍倍：发热发热：线路发热、短路点电弧发热烧毁设备：线路发热、短路点电弧发热
4、烧毁设备 电动力电动力：导体变形，损坏设备：导体变形，损坏设备 电压危害电压危害 电压降低：电压降低：短路相短路点短路相短路点附近电压降低；附近电压降低；电压升高：电压升高：可能致可能致其他相其他相电压升高。电压升高。要求设备有足够的热稳定度要求设备有足够的动稳定度 稳定性危害稳定性危害 短路导致能量送出受限短路导致能量送出受限发电机的输入功发电机的输入功 率和输出功率不平衡率和输出功率不平衡时间较长，会造成时间较长，会造成 发电机失步发电机失步稳定破坏，引起大面积停电。稳定破坏，引起大面积停电。通讯危害通讯危害 不对称接地短路不对称接地短路不平衡电流不平衡电流不平衡不平衡 磁通磁通通信电路感
5、应电动势通信电路感应电动势通信干扰通信干扰4 4、短路的应对短路的应对 快速切除故障（继电保护设备）快速切除故障（继电保护设备）快速恢复线路供电（自动重合闸）快速恢复线路供电（自动重合闸）降低短路发生概率降低短路发生概率 （规程、制度）（规程、制度）及时清理污染，防止误操作等。及时清理污染，防止误操作等。5 5、短路计算的内容及意义、短路计算的内容及意义内容：内容：短路冲击电流短路冲击电流(短路后的最大电流瞬时值短路后的最大电流瞬时值)检验设备动稳定性检验设备动稳定性 最大有效值电流最大有效值电流（短路后电流的最大有效值）（短路后电流的最大有效值）检验断路器开断能力、热稳定性检验断路器开断能力
6、、热稳定性意义意义 电力系统设计基础电力系统设计基础 选择电气接线、电气设备和载流导体的依据选择电气接线、电气设备和载流导体的依据 配置继保装置并整定其参数的依据配置继保装置并整定其参数的依据 限制短路电流措施的依据限制短路电流措施的依据电力系统电力系统正常运行情况以外正常运行情况以外的同相之间断开连接的同相之间断开连接的故障。的故障。纵纵向故障向故障正常运行正常运行断线运行（非全相运行）断线运行（非全相运行）分析分析方法方法与短与短路分路分析相析相似！似！三、断线故障三、断线故障第二节第二节 无限大容量电源无限大容量电源供电系统供电系统的的三相短路三相短路分析；分析；一、短路的一般化理解一、
7、短路的一般化理解电力系统抽象：电力系统抽象：GGG电网电网发电机发电机负荷负荷一、短路的一般化理解一、短路的一般化理解若系统任意某点若系统任意某点f 发生发生短路：短路：KZaZbZc三相短路三相短路：f f点短路可看作在点短路可看作在f f点接一点接一特殊的特殊的用电设备：用电设备：两相（两相（B B、C C相）短路相）短路：fGGGfKZaZbZcf f点短路可看作在点短路可看作在f f点接一特殊用电设备：点接一特殊用电设备：两相（两相（B B、C C相）短路接地相）短路接地：单相（单相（A A相）短路接地：相）短路接地：即：不同类型的短路，相当于在短路点接一各相即：不同类型的短路，相当于
8、在短路点接一各相阻抗值不同，中心点接地方式不同的三相负载！阻抗值不同，中心点接地方式不同的三相负载！二、无限大容量电源二、无限大容量电源定义：定义：理想电源（无限大容量电源）理想电源（无限大容量电源）电源端口的电压幅值和频率不随负载的电源端口的电压幅值和频率不随负载的 变化而变化的电源。变化而变化的电源。这意味着：这意味着：短路前后短路前后电源端口电压幅值、电源端口电压幅值、频率均为恒定，电源的内阻抗为频率均为恒定，电源的内阻抗为0.0.实际：实际：电力系统中的电源为同步发电机，并电力系统中的电源为同步发电机，并 非理想电源。真正的无限大容量电源非理想电源。真正的无限大容量电源 在现实中不存在
9、。在现实中不存在。但是：但是：对短路而言，短路点以内的整个系统可以看作是对短路而言，短路点以内的整个系统可以看作是一个等值电源（戴维南等效）。如果系统中电源一个等值电源（戴维南等效）。如果系统中电源很多，且短路点距离各个电源的电气距离较远，很多，且短路点距离各个电源的电气距离较远，则则此时此时由短路所引起的送出功率的变化量由短路所引起的送出功率的变化量S S远小远小于总电源的容量于总电源的容量S S，则，则可近似认为该系统为无线大可近似认为该系统为无线大容量电源容量电源。此时，由于。此时，由于PPPP（电源有功容量）（电源有功容量）因此，可认为短路过程中电源的频率是不变的；因此，可认为短路过程
10、中电源的频率是不变的；由于由于 QQQRXR，故，故 ,得：得：意味着：此时电压过零。意味着：此时电压过零。也是，冲击电流产生也是，冲击电流产生的条件！的条件！产生条件：产生条件：全电流全电流短路后半个周短路后半个周期：期：T/2短路前空载短路前空载电压过零点电压过零点 短路冲击电流发生的短路冲击电流发生的时间点时间点：全电流表达式：全电流表达式：冲击电流的条件：冲击电流的条件：短路冲击电流的数学描述：短路冲击电流的数学描述：把条件带入全电流表达式，可得冲击电流表达式：把条件带入全电流表达式，可得冲击电流表达式：冲击电流表达式：冲击电流表达式：其中：其中：称之为冲击系数称之为冲击系数可看出，该
11、系数由可看出，该系数由TaTa决定，也就是与线路回路中决定，也就是与线路回路中的电抗与电阻的相对值大小有关。的电抗与电阻的相对值大小有关。在实际系统中：在实际系统中：一般取一般取1.81.91.81.9，1 1）发电机低压母线短路）发电机低压母线短路2 2）发电厂高压母线后短路）发电厂高压母线后短路3 3）其他地点短路：）其他地点短路：短路冲击电流的作用：检验设备动稳定性短路冲击电流的作用：检验设备动稳定性IV IV 短路电流的最大有效值短路电流的最大有效值结论：由上图（冲击电流示意图）可看出，短路后第结论：由上图（冲击电流示意图）可看出，短路后第 一个周期内的电流有效值最大。因此，一个周期内
12、的电流有效值最大。因此，短路电流的短路电流的最大有效值即为短路后第一个周期内的电流有效值最大有效值即为短路后第一个周期内的电流有效值全电流全电流短路后半个周期：短路后半个周期：T/2短路前空载短路前空载电压过零点电压过零点将短路冲击电流将短路冲击电流公式代入，得公式代入，得短路电流最大短路电流最大有效值计算公有效值计算公式如下：式如下：短路电流最大有效值作用：检验电气设备短路电流最大有效值作用：检验电气设备的断流能力。的断流能力。V V 例题分析例题分析 冲击电流和短路电流最大有效值的计算，参阅教材例冲击电流和短路电流最大有效值的计算，参阅教材例8-18-1 A A、B B、C C三相是否会同
13、时发生冲击电流？三相是否会同时发生冲击电流？答：不会。答：不会。因为三相直流分量的初始值不会同时最大。因为三相直流分量的初始值不会同时最大。三相短路后，中心点如果接地，是否会有电流？三相短路后，中心点如果接地，是否会有电流？答：在中心点和地之间，任一时刻均没有对地电流。答：在中心点和地之间，任一时刻均没有对地电流。即任一时刻，三相全电流之和为即任一时刻，三相全电流之和为0 0。三相短路后，三相短路后，A A、B B、C C三相直流分量之和是否为三相直流分量之和是否为0 0？答：在任一时刻均为答：在任一时刻均为0 0。因为系统三相对称，三相全电流因为系统三相对称，三相全电流之和为零，而其中周期分
14、量之和也为零，故三相直流分量之和为零，而其中周期分量之和也为零，故三相直流分量之和也为之和也为0 0。第三节第三节 同步发电机端口突然三相同步发电机端口突然三相 短路分析短路分析A相全电流波形图相全电流波形图短路前全电流波形短路前全电流波形直流分量直流分量交流分量交流分量短路后全电流波形短路后全电流波形一、短路后的电流波形图及特征一、短路后的电流波形图及特征（1 1）定子电流波形：）定子电流波形：波形特征分析：波形特征分析：可分解为交流分量（强制分量）和直流分量（自可分解为交流分量（强制分量）和直流分量（自有分量）有分量）直流分量的初值为短路前交流分量的瞬时值和短直流分量的初值为短路前交流分量
15、的瞬时值和短路后交流分量的瞬时值之差，即直流分量的出现路后交流分量的瞬时值之差，即直流分量的出现是为了保证电流不突变是为了保证电流不突变交流分量的幅值随时间逐步衰减至恒定值。交流分量的幅值随时间逐步衰减至恒定值。衰减特征：开始衰减快，后来衰减慢，两个衰减衰减特征：开始衰减快，后来衰减慢，两个衰减 时间常数时间常数（2 2）转子电流波形：）转子电流波形：特征：特征：有交流分量也有直流有交流分量也有直流分量分量 交流分量的幅值逐渐交流分量的幅值逐渐衰减，直至衰减，直至0 0：衰减时：衰减时间常数与定子直流分量间常数与定子直流分量时间常数相同。时间常数相同。直流分量的衰减过程直流分量的衰减过程与定子
16、交流分量幅值的与定子交流分量幅值的衰减过程相同衰减过程相同二、同步发电机短路后内部物理过程二、同步发电机短路后内部物理过程（1 1）正常运行电磁过程分析：）正常运行电磁过程分析：电枢磁动势的电枢磁动势的交轴交轴分量决定分量决定有功有功；直轴直轴分分量决定量决定无功无功电枢磁动势的电枢磁动势的交交轴分量变化轴分量变化不会不会对励磁线圈磁通对励磁线圈磁通产生影响产生影响合成磁场决定了合成磁场决定了发电机端口电压发电机端口电压？电压向量？电压向量（2 2）端口三相短路过程中的电磁过程分析：）端口三相短路过程中的电磁过程分析：I.I.磁路向量图：磁路向量图：短路后转子受到短路后转子受到的阻力力矩很小的
17、阻力力矩很小短路后短路后定子电流定子电流突然增大突然增大，且其，且其磁场主要为磁场主要为直轴直轴磁场磁场，因此导致，因此导致穿过转子线圈的穿过转子线圈的磁场突然增大磁场突然增大。II.II.直轴磁路图：直轴磁路图：|0|表示短路前瞬时表示短路前瞬时,与（与（0-）相同）相同无阻尼绕组无阻尼绕组II.II.直轴磁路图：直轴磁路图：|0|表示短路前瞬时表示短路前瞬时,与（与（0-）相同）相同有阻尼绕组有阻尼绕组III.III.短路瞬间等值电路图：短路瞬间等值电路图：短路前瞬间：短路前瞬间：直轴电抗直轴电抗交轴电抗交轴电抗短路后瞬间：短路后瞬间：暂态电抗暂态电抗短路后瞬间：短路后瞬间：公式简化：公式
18、简化：短路电流短路电流暂态电势暂态电势(虚拟虚拟)暂态电势计算原理暂态电势计算原理短路后瞬间的短路后瞬间的发电机等值模型发电机等值模型：若非端口短路：若非端口短路：端口短路：端口短路：发电机发电机暂态暂态等值模型：等值模型：端口到短路点电抗端口到短路点电抗有有阻尼绕组阻尼绕组的发电机短路瞬间等值电路：的发电机短路瞬间等值电路：端口短路：端口短路：发电机等值模型：发电机等值模型：简化：简化：次暂态电抗次暂态电抗次暂态电势次暂态电势（3 3）理解短路前后次暂态电势的恒定性：）理解短路前后次暂态电势的恒定性：短路前：短路前：稳态稳态电压源模型：电压源模型：短路后：短路后：次暂态次暂态电压源模型：电压
19、源模型：？次暂态电势是由什么决定的？同一励磁电势次暂态电势是由什么决定的？同一励磁电势E下，下，不同运行状态不同运行状态I下下的次暂态电势相同么？的次暂态电势相同么？?稳态计算时，可否用次暂态模型？稳态计算时，可否用次暂态模型？（4 4）同步电抗、暂态电抗和次暂态电抗关系：）同步电抗、暂态电抗和次暂态电抗关系：三、同步发电机三相短路的动态分析三、同步发电机三相短路的动态分析（1 1）励磁电流直流分量：）励磁电流直流分量：按一个时间按一个时间常数衰减常数衰减三、同步发电机三相短路的动态分析三、同步发电机三相短路的动态分析（2 2）阻尼绕组电流直流分量：）阻尼绕组电流直流分量：按一个时间按一个时间
20、常数衰减常数衰减（3 3）定子电流波形：）定子电流波形：定子电流包括：定子电流包括：1 1）周期分量周期分量2 2）直流分量直流分量幅值衰减，幅值衰减，whywhy？两个时间常数？两个时间常数？转子励磁电流为何有交流分量？转子励磁电流为何有交流分量？（4 4）励磁电流的交流分量：）励磁电流的交流分量：定子直流电流合成磁动势定子直流电流合成磁动势空间方向不变，空间方向不变，逐渐衰减逐渐衰减 （1 1）计算内容）计算内容短路冲击电流：短路冲击电流：短路冲击电流有效值：短路冲击电流有效值：结论结论1 1：只要已知只要已知基频基频交流分量交流分量幅值或有效值即可！幅值或有效值即可！结论结论2 2：对同
21、步发电机，只需计算基频对同步发电机，只需计算基频交流分量交流分量第第 一个周波（一个周波（初始值初始值）的有效值）的有效值 。对应最严重对应最严重情况情况四、同步发电机系统短路计算四、同步发电机系统短路计算因此，一般所说的短路电流计算，就是指因此，一般所说的短路电流计算，就是指短路电流交流分量的初始有效值短路电流交流分量的初始有效值 的计算的计算起始次暂态起始次暂态电流电流 （2 2）计算原理）计算原理Ia=？Ib=？Ic=？以如下图所示的简单系统来分析以如下图所示的简单系统来分析 的计算原理的计算原理三相三相同步同步发电发电机机三相三相线路线路三相三相负载负载 因三相对称，因三相对称，可取可
22、取A A相分析：相分析：短路前发电机的模型短路前发电机的模型发电机的发电机的稳态稳态电压源模型：电压源模型：稳态运行时的电流向量表达式：稳态运行时的电流向量表达式：稳态运行时的电流有效值计算式：稳态运行时的电流有效值计算式：B、C两相的电流有效值计算式：两相的电流有效值计算式：其中：其中：短路后初始时刻的发电机模型短路后初始时刻的发电机模型发电机的发电机的次暂态次暂态电压源模型：电压源模型：短路前瞬间发电机的端口电压向量短路前瞬间发电机的端口电流向量次暂态电势次暂态电抗，约等于已知量，已知量，可计算可计算 该模型该模型只能只能描述描述发电机发电机短路初始短路初始时刻，时刻，发电机处发电机处于次
23、暂态过程于次暂态过程时时的元件性质。的元件性质。原理可参原理可参见电机学见电机学具有短路前后不突变的性质具有短路前后不突变的性质短路初始时刻的电流基频交流分量的向量表达式：短路初始时刻的电流基频交流分量的向量表达式：根据上图，当用根据上图，当用次暂态电压源模型次暂态电压源模型表示发电机后：表示发电机后：短路初始时刻的电流基频交流分量的有效值计算式：短路初始时刻的电流基频交流分量的有效值计算式：总结：总结：要计算短路初始时刻的电流基频交流分量的有要计算短路初始时刻的电流基频交流分量的有效值效值，首先：首先：把发电机用次暂态电压源模型表示；把发电机用次暂态电压源模型表示；然后：然后：即可利用稳态计
24、算的方法计算出即可利用稳态计算的方法计算出 因三相对称，因三相对称，可取可取A A相分析：相分析：短路后达到稳态时短路后达到稳态时的发电机的模型的发电机的模型发电机的发电机的稳态稳态电压源模型：电压源模型：（3 3）短路后基频交流分量稳态值的计算）短路后基频交流分量稳态值的计算短路后达到稳态运行时的电流向量表达式：短路后达到稳态运行时的电流向量表达式：稳态运行时的电流有效值计算式：稳态运行时的电流有效值计算式：B、C两相的电流有效值计算式：两相的电流有效值计算式：由于由于故短路初始电故短路初始电流要大于稳态流要大于稳态短路电流。短路电流。第四节第四节 三相短路的实用计算三相短路的实用计算一、概
25、述一、概述实用计算实用计算：三相短路计算的内容三相短路计算的内容：短路电流交流分量的初始有效值短路电流交流分量的初始有效值 的计算的计算 也即：次暂态电流的计算。也即：次暂态电流的计算。计算的原理计算的原理：把发电机用次暂态电压源模型表示，然后采把发电机用次暂态电压源模型表示，然后采用稳态交流计算的计算方法计算电流即可。用稳态交流计算的计算方法计算电流即可。近似简化一些计算条件近似简化一些计算条件采用实用化的计算方法采用实用化的计算方法计算条件的近似简化计算条件的近似简化电源：电源：理想同步发电机理想同步发电机负荷：负荷：忽略忽略综合性负荷，但须考虑综合性负荷，但须考虑短路点附近短路点附近的大
26、型电的大型电动机动机短路点：短路点：忽略电弧电阻，假设直接接地忽略电弧电阻，假设直接接地电网：电网：可可忽略忽略线路对地电容和变压器励磁回路（即除发线路对地电容和变压器励磁回路（即除发电机和大型电动机外没有对地支路）。电机和大型电动机外没有对地支路）。计算高压网时可计算高压网时可忽略忽略电阻。电阻。参数计算可参数计算可采用平均额定电压采用平均额定电压短路计算通常短路计算通常采用标幺值计采用标幺值计算，该假设非算，该假设非常有利于网络常有利于网络参数的计算。参数的计算。二、实用化的计算方法二、实用化的计算方法(1)以如下简单电力系统分析叠加法以如下简单电力系统分析叠加法 短路前状态：稳态短路前状
27、态：稳态负载负载稳态模型稳态模型戴维南等效戴维南等效+叠加法叠加法 三相短路初始时刻：次暂态过程三相短路初始时刻：次暂态过程用次暂态用次暂态模型取代模型取代稳态模型稳态模型待求短路待求短路电流电流 初始次暂态电流的求解初始次暂态电流的求解直接求解法：直接求解法：短路点电流：短路点电流：a-b短路电流：短路电流：a点短路电压：点短路电压：叠加原理求解法：叠加原理求解法：图图1短路等值网络短路等值网络图图2等价短路等值网络等价短路等值网络分分解解图图3正常情况正常情况等值网络等值网络图图4故障分量故障分量等值网络等值网络+短路点短路点电流：电流：短路点电流：短路点电流：与与“直接求解法直接求解法”
28、完全相同完全相同结论：结论：把短路点看做是电动势为该点空载电压，内阻抗把短路点看做是电动势为该点空载电压，内阻抗是该点输入阻抗的电压源的端口，短路电流即为该电是该点输入阻抗的电压源的端口，短路电流即为该电压源外部短路时的电流。（戴维南等效）压源外部短路时的电流。（戴维南等效）短路点的短路点的输入阻抗输入阻抗非短路点电流：非短路点电流：a-b短路电流：短路电流：与与“直接求解法直接求解法”完全相同完全相同非短路点电压：非短路点电压：a点短路后电压：点短路后电压：与与“直接求解法直接求解法”完全相同完全相同（2）一般化电力系统的叠加法原理）一般化电力系统的叠加法原理=+正常运行网络正常运行网络故障
29、网络故障网络短路点电流：短路点电流：即把短路点看做是即把短路点看做是“空载电压为电动势，输空载电压为电动势，输入阻抗为电源内阻抗入阻抗为电源内阻抗”的电压源端口的电压源端口（2）一般化电力系统的叠加法原理）一般化电力系统的叠加法原理=+正常运行网络正常运行网络故障网络故障网络非短路点电流、电压：非短路点电流、电压：（3）计算机计算短路的原理）计算机计算短路的原理=+正常运行网络正常运行网络故障网络故障网络计算方法：计算方法：短路点电流；短路点电流；戴维南等效方法！戴维南等效方法！潮流计算计算出短路点开路电压；节点导纳矩潮流计算计算出短路点开路电压；节点导纳矩阵求逆计算出短路点输入阻抗；阵求逆计
30、算出短路点输入阻抗；非短路点电流、电压：非短路点电流、电压：叠加法！叠加法！潮流计算计算出正常运行网络的运行参量；潮流计算计算出正常运行网络的运行参量；采用故障网络计算出故障网络的运行参量；采用故障网络计算出故障网络的运行参量；二者叠加！二者叠加！什么是短路？短路与正常接负荷运行有何什么是短路？短路与正常接负荷运行有何不同？不同？短路的类型短路的类型短路的原因短路的原因短路的危害短路的危害应对短路的措施应对短路的措施为何要进行短路计算，为何要进行短路计算，本章内容小结本章内容小结短路电流有何特征？短路电流有何特征？周期分量、非周期分量周期分量、非周期分量无限大功率电源和同步发电机短路后无限大功
31、率电源和同步发电机短路后的短路电流有何不同？的短路电流有何不同？短路计算的内容是什么？短路计算的内容是什么？：冲击电流、冲击电流有效值：冲击电流、冲击电流有效值 ：起始次暂态电流：起始次暂态电流(与冲击电流、冲击与冲击电流、冲击电流的有效值、非周期分量、周期分量有电流的有效值、非周期分量、周期分量有何关系？何关系？)如何计算起始次暂态电流，计算原理？如何计算起始次暂态电流，计算原理？计算机计算起始次暂态电流的原理计算机计算起始次暂态电流的原理冲击电流冲击电流何时，什么条件下会产生冲击电流何时，什么条件下会产生冲击电流看懂教材例看懂教材例8-18-1、例、例8-48-4（最好做一次）（最好做一次）习题习题8-18-12,8-158-18-12,8-15，8-168-16，8-208-20（掌握概念）（掌握概念）习题：习题：