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1、电力系统电磁暂态分析重庆大学电气工程学院电力系主讲老师 赵渊教授1绪论n几个基本概念几个基本概念q电力系统：由由生生产产、变变换换、输输送送、分分配配、消消费费电电能能的的发发电电机机、变变压压器器、变变换换器器、电电力力线线路路和和各各种种用用电电设设备备（一一次次设设备备）以以及及测测量量、保保护护、控控制制、通讯等智能装置（二次设备）组成的统一整体。通讯等智能装置（二次设备）组成的统一整体。q运行参量：定定量量地地确确定定了了系系统统运运行行状状态态，包包括括功率、电压、电流、频率以及角位移等功率、电压、电流、频率以及角位移等q元件参数：由由元元件件物物理理特特性性决决定定，代代表表元元
2、件件特特性性，直直接接影影响响运运行行参参量量大大小小，包包括括阻阻抗抗、导导纳纳、变比、时间常数和放大倍数等变比、时间常数和放大倍数等2绪论n稳态稳态：电力系统正常的相对静止的运行状态，系统参数不变，：电力系统正常的相对静止的运行状态，系统参数不变，运行参量不变或在某一均值附近持续地以较小幅度变化运行参量不变或在某一均值附近持续地以较小幅度变化n暂态暂态：受扰后系统参数改变，系统从原来的稳定运行状态向：受扰后系统参数改变，系统从原来的稳定运行状态向新系统参数对应的运行状态过渡的过程，运行参量可能发生新系统参数对应的运行状态过渡的过程，运行参量可能发生较大变化，例如出现过电压、过电流、机组失步
3、较大变化，例如出现过电压、过电流、机组失步n稳态与暂态的相对性稳态与暂态的相对性：电力系统的系统参数无时无刻不在变：电力系统的系统参数无时无刻不在变化，所以电力系统时刻处于暂态过程中，但如果系统参数变化，所以电力系统时刻处于暂态过程中，但如果系统参数变化较小，过渡过程中运行参量的变化很小，就称为稳态；当化较小，过渡过程中运行参量的变化很小，就称为稳态；当系统参数变化很大时（如短路时），过渡过程中运行参量变系统参数变化很大时（如短路时），过渡过程中运行参量变化大，称为暂态。化大，称为暂态。3绪论n暂态过程分类暂态过程分类q波过程波过程n与运行操作或雷击时的过电压有关，涉及电流、电压波的传播。与运
4、行操作或雷击时的过电压有关，涉及电流、电压波的传播。n波过程的计算不能用集中参数波过程的计算不能用集中参数,而要用分布参数，过渡过程很短而要用分布参数，过渡过程很短暂，为微秒级暂，为微秒级q机电暂态机电暂态n大扰动引起发电机等转动元件的输出电功率突变造成机械和电磁大扰动引起发电机等转动元件的输出电功率突变造成机械和电磁转矩不平衡，引起转子的摇摆、振荡过程称为机电过程，重点分转矩不平衡，引起转子的摇摆、振荡过程称为机电过程，重点分析发电机转子运动规律，讨论电力系统运行的稳定性，可对一些析发电机转子运动规律，讨论电力系统运行的稳定性，可对一些电磁运行参量作近似假设。电磁运行参量作近似假设。n机电暂
5、态过程既依赖于发电机电气参数机电暂态过程既依赖于发电机电气参数,也依赖于发电机的机械也依赖于发电机的机械参数，并且电气运行状态与机械运行状态相互关联参数，并且电气运行状态与机械运行状态相互关联,是一种机电是一种机电联合的一体化的动态过程。这类过程的持续时间最长联合的一体化的动态过程。这类过程的持续时间最长，为秒级，为秒级（1-10S）4绪论n暂态过程分类暂态过程分类q电磁暂态电磁暂态n变压器、线路等静止元件短路后引起的电流、电压突变及其后在变压器、线路等静止元件短路后引起的电流、电压突变及其后在电感、电容型储能元件及电阻型耗能元件中引起的过渡过程称为电感、电容型储能元件及电阻型耗能元件中引起的
6、过渡过程称为电磁过程。重点分析短路故障后网络中电流、电压变化，可不计电磁过程。重点分析短路故障后网络中电流、电压变化，可不计机组间角位移的变化机组间角位移的变化n电磁暂态过程电磁暂态过程 主要与短路和自励磁有关，计算要应用磁链守恒主要与短路和自励磁有关，计算要应用磁链守恒原理原理,引出暂态、次暂态电势、电抗及时间常数等参数引出暂态、次暂态电势、电抗及时间常数等参数,据此算据此算出各阶段短路的起始值及衰减时间特性。持续时间较波过程长出各阶段短路的起始值及衰减时间特性。持续时间较波过程长，为毫秒级（，为毫秒级（10-21S）5绪论n本课程的任务本课程的任务电力系统稳态分析电力系统稳态分析：电力系统
7、稳态运行的分析计算电力系统暂态分析电力系统暂态分析：电力系统电磁暂态过程和机电暂态过程的分析计算l电磁暂态过程电磁暂态过程分析又称为电力系统故障分析（第一篇）l电力系统机电暂态过程分析主要讨论电力系统运行的稳定性，所以又称为电力系统稳定性分析（第二篇）高电压技术高电压技术波过程的分析计算6课程内容n电磁暂态分析的主要内容电磁暂态分析的主要内容：q电力系统故障分析的基础知识（第一章）电力系统故障分析的基础知识（第一章）q同步发电机突然三相短路分析（第二章）同步发电机突然三相短路分析（第二章）q电力系统三相短路电流的实用计算（第三章）电力系统三相短路电流的实用计算（第三章）q对称分量法与电力元件的
8、各序参数和等值电路对称分量法与电力元件的各序参数和等值电路（第四章）（第四章）q不对称故障的分析计算（第五章）不对称故障的分析计算（第五章）7课程考试及答疑n平时成绩平时成绩 20 平时作业平时作业及课堂表现及课堂表现 出席情况出席情况 n答疑安排：答疑安排：q时间待定时间待定q地点待定地点待定n考试安排：考试安排：初步定在课程结束后初步定在课程结束后1周内周内8教材及参考资料n李光琦，李光琦，电力系统暂态分析电力系统暂态分析，中国电力出版社，中国电力出版社n何仰赞等，何仰赞等，电力系统分析（上册）电力系统分析（上册），华中理工大，华中理工大学出版社学出版社91011第一章电力系统故障分析的基
9、础知识n第一节 故障概述n第二节 标幺制n第三节 无限大功率供电的三相短路电流分析n学时：学时：4 4n本章作业本章作业：见教师个人主页：见教师个人主页12第一节 故障概述n一、短路故障一、短路故障q短路概念短路概念 一切不正常的相与相或相与地之间的连接称为短路，又叫横向故障q短路类型（短路类型（short-circuitfault）三相短路（5）两相短路（10）单相接地短路（65）两相短路接地（20）f（3）f（1）f（2）f（1,1）不对称故障13第一节 故障概述n一、短路故障一、短路故障q短路原因短路原因载流部分相间绝缘或对地绝缘损坏、鸟兽跨接在裸露载流部分、气象条件恶化（大风、覆冰）引
10、起倒塔、人为事故及其它原因q短路后果短路后果 1.短路点的电弧高温使设备烧坏 2.短路电流的热效应引起的温度升高加快绝缘老化，甚至烧坏设备 3.短路电流产生的电动力使设备导体变形或损坏 4.引起电网中电压降低，使负荷运行稳定性破坏电动机停转 5.发电机输出电磁功率的改变导致转子转矩不平衡，可能失去同步 6.不对称短路时出现的零序电流将对邻近通讯线路形成干扰 7.不对称短路时出现的负序电流将引起旋转电机转子的附加发热14第一节 故障概述n一、短路故障一、短路故障q减少短路电流危害的应对措施减少短路电流危害的应对措施 1.限制短路电流的数值（限流电抗器等）2.限制短路电流存在的时间（继电保护切除故
11、障）3.采用继电保护和重合闸相配合q短路电流计算的意义短路电流计算的意义 1.为变电站电气主接线、电气设备选择提供依据 2.为限制短路电流的措施提供依据 3.为继电保护配置与整定计算提供依据15第一节 故障概述n二、断线故障二、断线故障q断线故障概念断线故障概念 不正常的单相或多相断线导致的非全相运行状态，又叫纵向故障q断线类型（断线类型（openconductorFault）一相断线 两相断线q断线原因断线原因1.采用分相断路器的线路发生单相短路时单相跳闸 2.线路一相或两相导线断开q断线影响断线影响造成三相不对称，产生负序和零序分量，而负序和零序分量对电气设备和通讯有不良影响16第一节 故
12、障概述n三、故障的其它分类三、故障的其它分类q分析方法上：不对称故障、对称故障（分析方法上：不对称故障、对称故障（f f(3)(3)）q计算方法上：并联型故障、串联性故障计算方法上：并联型故障、串联性故障q简单故障：在电力系统中只发生一个故障。简单故障：在电力系统中只发生一个故障。q复杂故障：在电力系统中的不同地点（两处以上）同时复杂故障：在电力系统中的不同地点（两处以上）同时发生不对称故障。发生不对称故障。17第二节 标幺制n标么制标么制（Per-Unit System）q电力系统的计算有两种电力系统的计算有两种计算体系计算体系 q有名制：有名制：采用采用有单位（有单位（V、A、W、S等）的
13、等）的数值（有名值）数值（有名值）表示物理量和进行计算的方法。表示物理量和进行计算的方法。绝对单位制。绝对单位制。q标么制：标么制：采用采用没有单位的相对值（标么值）没有单位的相对值（标么值）表示表示物理量和进行计算的方法。相对单位制。物理量和进行计算的方法。相对单位制。18第二节 标幺制n三相星形接线系统标幺制下的基准值约束关系三相星形接线系统标幺制下的基准值约束关系ZB、YB ：单相阻抗、导纳的基准值：单相阻抗、导纳的基准值UB、IB ：线电压、线电流的基准值：线电压、线电流的基准值UB、SB ：相电压和单相功率的基准值：相电压和单相功率的基准值SB：三相功率的基准值：三相功率的基准值在标
14、幺制中三相电路的关系式类似于单相电路19第二节 标幺制n三相电气系统基准值的一般取法三相电气系统基准值的一般取法 q取取线电压线电压基准值基准值UB，一般取网络额定电压，一般取网络额定电压q取取三相功率三相功率基准值基准值SB，一般取一般取100MVA，1000MVAq根据约束关系计算其它基准值根据约束关系计算其它基准值：n注意：q全网的功率基准值唯一全网的功率基准值唯一q多电压级网络中，各级电网的电压基准值不同多电压级网络中，各级电网的电压基准值不同20第二节 标幺制n基准值改变时标幺值的换算基准值改变时标幺值的换算 如果如果 变压器变压器 发电机发电机 电抗器电抗器21第二节 标幺制n多电
15、压网络等级中元件参数标么值多电压网络等级中元件参数标么值的计算的计算 q参数归算法参数归算法：先将各电压等级的有名值参数都先将各电压等级的有名值参数都归算归算到基到基本级，再除以基本级的基准值，本级，再除以基本级的基准值，折算折算为标么值。为标么值。q基准值归算法基准值归算法：先将基本级的基准值先将基本级的基准值归算归算到各电压等级到各电压等级得到各级的基准值，再将各级未经归算的有名值除以各得到各级的基准值，再将各级未经归算的有名值除以各级的基准值，级的基准值，折算折算为标么值。为标么值。q常用的标么值归算法常用的标么值归算法：n选择全网统一功率基准，选择各级电网选择全网统一功率基准，选择各级
16、电网额定电压额定电压为各自基准电压为各自基准电压n将未经归算的各级有名值除以各级的基准值，折算为标么值将未经归算的各级有名值除以各级的基准值，折算为标么值n理想变压器的变比用标幺值变比（实际变比除以基准变比）表示理想变压器的变比用标幺值变比（实际变比除以基准变比）表示q近似计算法近似计算法n假定变压器变比为各电压等级的平均额定电压之比假定变压器变比为各电压等级的平均额定电压之比n选取各电压等级的平均额定电压为基准电压选取各电压等级的平均额定电压为基准电压22第二节 标幺制（1）准确计算法）准确计算法23第二节 标幺制（2）近似计算法）近似计算法24第二节 标幺制n频率、角频率、电感、时间和磁链
17、的基准值频率、角频率、电感、时间和磁链的基准值 q一般选额定频率一般选额定频率fN为频率基准值为频率基准值q角频率的基准值角频率的基准值q电感的基准值电感的基准值q时间的基准值取同步电机转子转过一弧度所需的时间时间的基准值取同步电机转子转过一弧度所需的时间 q磁链的基准值磁链的基准值q当当=2fN=B时时下标下标s：Synchronous 25第三节 无限大功率电源的三相短路电流分析n本节一些变量下标的说明本节一些变量下标的说明q|0|0|：故障前瞬间，相当：故障前瞬间，相当“电路电路”中的中的0-0-q0 0 ：故障后瞬间，相当：故障后瞬间，相当“电路电路”中的中的0+0+qp p或或：周期
18、分量（：周期分量（periodperiod）、）、：频率为：频率为的分量的分量 q ：非周期分量：非周期分量 qm m ：向量的模值（：向量的模值（modemode）qM M ：最大值：最大值 （maximummaximum）q ：稳态值：稳态值 （tt）26第三节 无限大功率电源的三相短路电流分析n无限大电源的概念无限大电源的概念 电压和频率保持恒定的电源称为无限大功率电源电压和频率保持恒定的电源称为无限大功率电源q电源容量无限大时，外电路发生短路或其他扰动引起的功率改变相对于电源容量微不足道，故电源频率（同步发电机转速）保持恒定q无限大功率电源可看作无限个有限功率电源并联而成，根据戴维南定
19、理其等效内阻抗为无限个有限内阻抗的并联值，故为零。内阻抗为零使得负荷变化时其端电压总保持不变q无限大电源：无限大电源：UG=常数、常数、xG=0=0、=常数常数q当电源的内阻抗远远小于短路回路总阻抗 时(10%)，负荷变化对电源端电压和频率的影响很小，可视为不变，此时实际有限容量电源可以视为无限大功率电源27n暂态过程分析暂态过程分析短路前电路处于稳定状态，ia的表达式为：其中：第三节 无限大功率电源的三相短路电流分析28第三节 无限大功率电源三相短路电流分析n暂态过程分析暂态过程分析f点发生三相短路时q右侧回路为无源网络，L中的电流不能突变，ia、ib、ic 将从短路前的数值逐渐衰减到零q左
20、侧每相阻抗减小，稳态电流必将增大特解为t时方程组的解，即短路达到稳定状态时的电流，又称为短路电流的稳态分量或周期分量。其解=特解+齐次方程的通解29n暂态过程分析暂态过程分析ia短路电流的自由分量，又称为非周期分量，对应于上述微分方程的齐次微分方程的解。C为积分常数，其值为非周期分量的起始值。短路后的过渡过程中A相电流可以表示为：短路前后L中的电流不能突变，所以短路前后瞬间电流应相等第三节 无限大功率电源三相短路电流分析30n暂态过程分析暂态过程分析q较大的周期分量是因电源电势作用于较小的回路阻抗而产生，非周较大的周期分量是因电源电势作用于较小的回路阻抗而产生，非周期分量是回路电感中原储存的磁
21、场能量释放而产生，并按回路的时期分量是回路电感中原储存的磁场能量释放而产生，并按回路的时间常数衰减间常数衰减q状态突然变化瞬间，电感中合成磁链不突变状态突然变化瞬间，电感中合成磁链不突变第三节 无限大功率电源三相短路电流分析周期分量：ipa非周期分量：ia 31n暂态过程分析暂态过程分析q三相短路电流的非周期分量是不相等的q非周期分量的起始值越大，短路电流的最大瞬时值越大q短路电流的两根包络线的垂直等分线即为直流分量第三节 无限大功率电源三相短路电流分析32第三节 无限大功率电源三相短路电流分析n暂态过程分析暂态过程分析q非周期分量电流取得最大值的条件：1.相量与纵轴平行2.相量有尽可能大的幅
22、值，此条件等效于短路前空载q结论：1.短路前空载2.短路发生时，电压初相角恰好可以使与纵轴平行，即有：33第三节 无限大功率电源三相短路电流分析n暂态过程分析暂态过程分析q非周期分量电流取得最小值的条件：相量与纵轴垂直，此时直流分量为零，A相电流由短路前的稳态电流直接变为短路后的稳态电流而不经过暂态过程q短路时三相电流的非周期分量大小不一样。至于那一相较大，那一相较小，取决于短路时电压相角34第三节 无限大功率电源三相短路电流分析n短路冲击电流和短路电流有效值短路冲击电流和短路电流有效值q短路冲击电流：短路冲击电流：最恶劣短路条件下短路电流的最大瞬时值短路电流峰值在短路发生约半个周期后出现冲击系数，取值1.8-1.9检验电气设备和载流导体动稳定度35第三节 无限大功率电源三相短路电流分析n短路冲击电流和短路电流有效值短路冲击电流和短路电流有效值q短路电流有效值：短路电流有效值：任一时刻t的短路电流有效值It等于一时刻t为中心的一个周期内瞬时电流的均方根值检验断路器开断能力短路功率36