第5章電力系統(tǒng)故障與實(shí)用短路電流計(jì)算-精品課件

1、第五章 電力系統(tǒng)故障與實(shí)用短路電流計(jì)算5.1 故障的一般概念 5.2 三相短路電流的物理分析5.3 簡(jiǎn)單系統(tǒng)三相短路電流的實(shí)用計(jì)算方法5.4 對(duì)稱(chēng)分量法在不對(duì)稱(chēng)短路計(jì)算中的應(yīng)用 5.5 同步發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線(xiàn)的各序電抗及其等值電路 5.6 簡(jiǎn)單電網(wǎng)的正、負(fù)、零序網(wǎng)絡(luò)的制定方法 5.7 電力系統(tǒng)不對(duì)稱(chēng)短路的分析與計(jì)算 5.8 故障時(shí)網(wǎng)絡(luò)中的電流、電壓計(jì)算5.9 非全相運(yùn)行的分析電力系統(tǒng)穩(wěn)定么？電力系統(tǒng)穩(wěn)定么？5.1 故障的一般概念短路斷線(xiàn)短路+斷線(xiàn) 電力系統(tǒng)的運(yùn)行中時(shí)常會(huì)受到各種擾動(dòng) 短路：是指一切不正常的相與相之間或者相與地發(fā)生短接（通路） 的情況。短路的類(lèi)型產(chǎn)生的原因短路的危害限制短路危

2、害的措施短路計(jì)算的目的一、短路的類(lèi)型二、產(chǎn)生的原因：（1）元件的損壞：如絕緣材料的自然、設(shè)計(jì)、安裝及維護(hù)不良帶來(lái)的設(shè)備缺陷發(fā)展成短路等。（2）氣象條件惡化：如雷擊造成的閃絡(luò)放電或者避雷器動(dòng)作，架空線(xiàn)由于大風(fēng)或者導(dǎo)線(xiàn)附冰引起的電桿倒塌等。（3）違規(guī)操作：例如運(yùn)行人員帶負(fù)荷倒刀閘，線(xiàn)路或設(shè)備檢修后未拆除接地線(xiàn)就加上電壓等。（4）其他：如挖溝損傷電纜，鳥(niǎo)獸跨接在裸露的載流部分。三、短路的后果短路電流大（1015倍）， 短路電流的電動(dòng)力效應(yīng)，導(dǎo)體間產(chǎn)生很大機(jī)械應(yīng)力，使導(dǎo)體和支架遭到破壞。短路電流使設(shè)備發(fā)熱增加，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，設(shè)備過(guò)熱會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞。短路時(shí)系統(tǒng)電壓大幅降低，對(duì)用戶(hù)影響很大，如異步電動(dòng)機(jī)。距離

3、較近功率較大持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，并列運(yùn)行的發(fā)電機(jī)可能會(huì)失去同步，造成穩(wěn)定性破壞，大面積停電。不對(duì)稱(chēng)故障引起不平衡磁通，在臨近平行通信線(xiàn)路內(nèi)產(chǎn)生大電勢(shì)，干擾通信系統(tǒng)。四、限制短路危害的措施（1）合理地配置繼電保護(hù)并整定其參數(shù)，能迅速動(dòng)作將短路部分與系統(tǒng)其它部分隔離。（2）裝設(shè)限流電抗器，在母線(xiàn)上裝設(shè)母線(xiàn)電抗器，限制短路電流。（3）選擇適當(dāng)?shù)闹鹘泳€(xiàn)形式和運(yùn)行方式。如采用變壓器低壓側(cè)分裂運(yùn)行方式，增大系統(tǒng)阻抗，減少短路電流。（4）采用防雷設(shè)施，降低過(guò)電壓水平。五、短路計(jì)算的目的（1） 選擇電氣設(shè)備的依據(jù)。例如斷路器、互感器、瓷瓶、母線(xiàn)、電纜等（機(jī)械穩(wěn)定度和熱穩(wěn)定度）。（2） 合理地配置各種繼電保護(hù)及自動(dòng)

4、裝置參數(shù)的依據(jù)。（3） 設(shè)計(jì)和選擇發(fā)電廠和電力系統(tǒng)主接線(xiàn)依據(jù)（確定是否需要采取限制短路電流的措施等）。（4） 研究短路對(duì)用戶(hù)工作的影響（暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算）。（5）進(jìn)行故障時(shí)及故障后的安全分析。5.2 三相短路電流的物理分析一、恒定電勢(shì)源電路的三相短路無(wú)窮大電源如圖所示系統(tǒng)發(fā)生三相短路后，f 點(diǎn)左半部和右半部仍保持對(duì)稱(chēng)。一相（設(shè)為a相）的電勢(shì)和電流：其中 短路發(fā)生前： 短路暫態(tài)過(guò)程中左半部：短路前，右半部： 逐漸衰減至零；求解可得：其中：周期分量自由分量左半部：短路后，對(duì)a相電路列寫(xiě)微分方程：短路后，阻抗值從得到：短路電流各分量之間的關(guān)系也可以用相量圖表示：三相短路電流波形圖 0三相短路電流波形圖

5、01） 有最大可能值；2） 在 t0時(shí)與時(shí)間軸平行。二、 短路沖擊電流、短路電流的有效值和短路功率1.短路沖擊電流短路電流最大可能的瞬時(shí)值稱(chēng)為短路沖擊電流，以iM（iim）表示。短路沖擊電流出現(xiàn)的條件： 電路參數(shù)已知，短路電流周期分量幅值一定，而非周期分量是按指數(shù)衰減直流非周期電流的初始值越大，暫態(tài)過(guò)程中短路全電流的瞬時(shí)值越大周期分量最高幅值直流分量最大其中： 為短路前電流； 為短路后周期電流瞬時(shí)值。 電路原來(lái)處于空載狀態(tài)，短路恰好發(fā)生在短路周期電流取幅值的時(shí)刻。即：Im（0）0（短路前空載），0o，90o時(shí)刻在電感性電路中，符合上述條件的情況是（對(duì)于a相）：周期電流:非周期電流: 短路電流的

6、最大瞬時(shí)值，即短路沖擊電流將在短路發(fā)生后經(jīng)過(guò)半個(gè)周期后出現(xiàn)，頻率50Hz時(shí)，為短路后0.01秒時(shí)。發(fā)電機(jī)電壓母線(xiàn)，KM1.9；發(fā)電廠高壓母線(xiàn)，KM=1.85；其他，KM1.8沖擊系數(shù)，短路點(diǎn)發(fā)生在：1) 短路電流的有效值2.短路電流的有效值非周期分量有效值：周期分量有效值：短路電流有效值：(與時(shí)間有關(guān)，但認(rèn)為在一個(gè)計(jì)算周期內(nèi)恒定不變)(周期的有效值，幅值恒定，與時(shí)間無(wú)關(guān))ImIpm短路沖擊電流發(fā)生時(shí)刻：Im（0）0,0o，90o, t=0.01秒時(shí)非周期分量的最大有效值 短路電流最大有效值 周期分量有效值：當(dāng)KM1.9時(shí)，IM1.62IP；當(dāng)KM1.9時(shí)，IM1.62IP。3.短路容量 也稱(chēng)短

7、路功率，它等于短路電流有效值與短路處的正常工作電壓（一般用平均額定電壓）的乘積，即：用標(biāo)么值表示為：由短路電流周期分量直接求取短路功率的有名值。即：短路容量主要用來(lái)檢驗(yàn)開(kāi)關(guān)的切斷能力。 三、 同步發(fā)電機(jī)突然三相短路分析突然短路暫態(tài)過(guò)程的特點(diǎn)沖擊電流大電樞反應(yīng)磁通發(fā)生變化，引起定、轉(zhuǎn)子電流變化速度快，近似認(rèn)為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變，頻率恒定，只考慮電磁暫態(tài)過(guò)程，不考慮機(jī)械暫態(tài)過(guò)程。 電機(jī)的磁路不飽和，即疊加原理可以應(yīng)用。勵(lì)磁電壓始終保持不變（電機(jī)端電壓降低）。短路發(fā)生在發(fā)電機(jī)的出線(xiàn)端，短路阻抗可看做發(fā)電機(jī)定子繞組漏抗的一部分。發(fā)電機(jī)突然短路的特點(diǎn)1. 突然三相短路后定子的短路電流1、短路前（空載）有：定子

8、繞組的總磁鏈：定子各繞組的磁鏈分別為：a相（q軸）w假設(shè)t=0時(shí)發(fā)生短路，為維持磁鏈初值 不變，在定子三相繞組中將出現(xiàn)電流，其所產(chǎn)的磁鏈 必須滿(mǎn)足：2、短路后ImIm(0)Ipa如同短路電流里面的周期分量和非周期分量恒定分量（直流分量）交變分量（穩(wěn)態(tài)電流）兩倍變頻分量（轉(zhuǎn)子橫軸、縱軸磁阻不同）非周期分量直流分量 iap： 維持磁鏈初始值；倍頻分量 i2w：短路后定子繞組中的電流分量基頻電流 i ：以抵消轉(zhuǎn)子主磁場(chǎng)的交變磁鏈；2. 突然三相短路后轉(zhuǎn)子中的電流分量acbzabxyc自由直流ifa：基頻電流ifw ： 勵(lì)磁電流 if0 ： 將短路電流分解為各種分量，只是為了分析和計(jì)算的方便，實(shí)際上每

9、一個(gè)繞組都只有一個(gè)總電流。但是搞清楚突然短路時(shí)定于和轉(zhuǎn)子中各種電流分量出現(xiàn)的原因以及它們之間的相互關(guān)系，對(duì)短路的分析計(jì)算有幫助。目的： 維持轉(zhuǎn)子中磁鏈初始值抵消定子直流和倍頻電路的電樞反應(yīng) 勵(lì)磁電壓保持不變強(qiáng)制分量自由分量定子方面穩(wěn)態(tài)短路電流i基頻自由電流i=i- i非周期電流iap倍頻電流i2w轉(zhuǎn)子方面勵(lì)磁電流if0自由直流ifa基頻交流ifw定轉(zhuǎn)子繞組各種電流分量之間的關(guān)系補(bǔ)充歸納比較復(fù)雜，具體將在電力系統(tǒng)暫態(tài)分析中講解。3.短路時(shí)的暫態(tài)電抗和次暫態(tài)電抗短路電流 Im發(fā)電機(jī)電抗 X磁路 （磁阻Rm、磁導(dǎo)）123直軸次暫態(tài)電抗x”d直軸暫態(tài)電抗xd同步電抗xd有阻尼無(wú)阻尼最終短路不同階段所對(duì)

10、應(yīng)的不同電抗值 相對(duì)于這些電抗值，對(duì)應(yīng)三種不同的發(fā)電機(jī)的等值電勢(shì)： 次暫態(tài)交軸電勢(shì)E”q 、暫態(tài)交軸電勢(shì)Eq 和空載電勢(shì)Eq0 其中Td” 對(duì)應(yīng)于電抗x”d變?yōu)閤d時(shí)的時(shí)間常數(shù)， Td 對(duì)應(yīng)于電抗xd 變?yōu)閤d 時(shí)的時(shí)間常數(shù)衰減時(shí)間等于自身電感同電阻之比，即5.3 簡(jiǎn)單系統(tǒng)三相短路電流的實(shí)用計(jì)算方法一、實(shí)用短路電流計(jì)算的近似條件(2) 同步機(jī)在短路瞬間，次暫態(tài)電勢(shì)Eq”不突變，近似用E”代替，計(jì)算公式為： (1) 短路過(guò)程很短暫，不考慮發(fā)電機(jī)的搖擺甚至失步等現(xiàn)象。U0， I0 ，0分別為同步發(fā)電機(jī)短路前瞬間的端電壓、電流和功率因數(shù)角 其中：假定發(fā)電機(jī)在短路前額定滿(mǎn)載運(yùn)行不計(jì)負(fù)荷影響，取次暫態(tài)電

11、抗(3) 不計(jì)磁路飽和，可用疊加原理進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化和電流電壓的計(jì)算。(4) 負(fù)荷用一個(gè)含次暫態(tài)電勢(shì)和次暫態(tài)電抗的等值支路來(lái)表示。 （E”=0.8和X”=0.35） (5) 忽略高壓輸電線(xiàn)的電阻和電容，忽略變壓器的電阻和勵(lì)磁電流。(6) 所有短路為金屬性短路。二、簡(jiǎn)單系統(tǒng)三相短路電流的實(shí)用計(jì)算方法1.進(jìn)一步假設(shè)各變壓器的變比為變壓器各邊平均額定電壓之比，基準(zhǔn)電壓就取為各級(jí)平均額定電壓，在等值電路中去掉變比。各發(fā)電機(jī)電勢(shì)同相位且幅值為平均額定電壓，其標(biāo)幺值為1。2. 短路電流周期分量起始值的計(jì)算步驟：（1）系統(tǒng)元件參數(shù)標(biāo)幺值的計(jì)算選取功率基值SB，電壓基值UB=Uav發(fā)電機(jī)、調(diào)相機(jī)：變壓器：電抗器：

12、負(fù)荷：線(xiàn)路：（2）根據(jù)短路地點(diǎn)，作出等值電路，求出電源至短路點(diǎn)的總電抗X ；（3） 計(jì)算三相短路電流周期分量起始值的標(biāo)幺值和有名值：【例5-1】如圖所示為一簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)，其參數(shù)如下：發(fā)電機(jī)G ：X”d =0.01，SGN =200MVA;變壓器T1 : STN1 =200MVA，UK% =10.5，變比18/220kV; 變壓器 T2: STN1 =200MVA，UK% =10.5，變比220/38.5kV;線(xiàn)路L : x0=0.4/km，L=80km；試計(jì)算在下列不同地點(diǎn)發(fā)生三相短路時(shí)，短路點(diǎn)的起始次暫態(tài)周期電流。（1）短路點(diǎn)在降壓變電所低壓母線(xiàn)上；（2）短路點(diǎn)在升壓變電所高壓母線(xiàn)上；（3）

13、短路點(diǎn)在發(fā)電機(jī)出口處。解： 1.計(jì)算參數(shù)，選基準(zhǔn)功率 SB=200MVA，基準(zhǔn)電壓UB=Uav，即UB1=18 kV、UB2=230 kV和UB3=37kV。發(fā)電機(jī)G: 變壓器T1線(xiàn)路L: 變壓器T22. 作等值電路3.計(jì)算等值電抗4.計(jì)算起始次暫態(tài)短路電流周期分量（標(biāo)幺值 和 有名值）(1)(2)(3)3.簡(jiǎn)單系統(tǒng)三相短路電流計(jì)算中常用的幾種方法1）疊加原理 網(wǎng)絡(luò)中每一處的電流應(yīng)等于各個(gè)電勢(shì)源分別單獨(dú)作用時(shí)所產(chǎn)生的電流的代數(shù)和。假定短路電流以流出為正，對(duì)于故障點(diǎn)有： 2) 網(wǎng)絡(luò)的等值變換 阻抗支路串聯(lián)和并聯(lián)變換 無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的星網(wǎng)變換 基于戴維南定理的有源網(wǎng)等值變換網(wǎng)絡(luò)的等值變換原則：變換前后，

14、節(jié)點(diǎn)電壓分布不變。自由網(wǎng)絡(luò)外部流向該節(jié)點(diǎn)電流不變。包括：(1)無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的星網(wǎng)變換 Y 逆變換不成立n(1) 無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的星網(wǎng)變換 多支路星形網(wǎng)形(2) 有源支路的并聯(lián)變換m條有源支路并聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)戴維南定律簡(jiǎn)化為一條有源支路。 等值電抗：所有電勢(shì)為零時(shí)，從端口ab看的進(jìn)去的總阻抗。 等值電源電勢(shì)：外部電路斷開(kāi)時(shí)，端口ab間的開(kāi)路電壓。例例例（a）（b）（c）分裂電勢(shì)源：將連接在一個(gè)電源上的各支路拆開(kāi)，拆開(kāi)后各支路分別連接在原電源電勢(shì)相等的電源上。分裂短路點(diǎn)：將連接在短路點(diǎn)上的各支路從短路點(diǎn)拆開(kāi)，拆開(kāi)后各支路分別連接在原來(lái)的短路點(diǎn)。分裂電勢(shì)源和分裂短路點(diǎn)f1(3)f2(3)f1(3)f2(3)f

15、1(3)f2(3)利用網(wǎng)絡(luò)對(duì)稱(chēng)性對(duì)稱(chēng)性：結(jié)構(gòu)相同、電源一樣、阻抗參數(shù)相等，以及短路電流走向一致。對(duì)稱(chēng)網(wǎng)絡(luò)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，電位必然相同。網(wǎng)絡(luò)中不直接連接的同電位的點(diǎn)，依據(jù)簡(jiǎn)化的需要，可以認(rèn)為是直接連接的網(wǎng)絡(luò)中同電位的點(diǎn)之間如有電抗存在，則可根據(jù)需要將它短接或拆除。3) 電流分布系數(shù)法計(jì)算轉(zhuǎn)移阻抗定義：在發(fā)生短路的網(wǎng)絡(luò)中，第i個(gè)電源送到短路點(diǎn)的電流 與短路電流 之比稱(chēng)為第i個(gè)電源的電流分布系數(shù)，記為ci。電流分布系數(shù)c的特點(diǎn)說(shuō)明c和電源電勢(shì)大小無(wú)關(guān)，只與短路點(diǎn)的位置、網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)相關(guān)電流分布系數(shù)有方向，實(shí)際上代表電流方向符合節(jié)點(diǎn)電流定律各電源分布系數(shù)之和等于1轉(zhuǎn)移阻抗Zif分布系數(shù)和轉(zhuǎn)移阻抗之間的關(guān)

16、系輸入阻抗、轉(zhuǎn)移阻抗概念：令電流分布系數(shù)的確定方法a、單位電流法已知并聯(lián)總支路的電流分布系數(shù)c，求各并聯(lián)支路的電流分布ci。Zeq為并聯(lián)總阻抗。兩端同時(shí)除以Ifb、網(wǎng)絡(luò)還原法例：兩條并聯(lián)支路發(fā)電機(jī)G：60MVA，Xd=0.12。調(diào)相機(jī)SC：5MVA，Xd=0.2。變壓器T1：31.5MVA，UK%=10.5；T2：20MVA，UK%=10.5；T3：7.5MVA，UK%=10.5。線(xiàn)路L1：60km；L2：20km；L3：10km。各線(xiàn)路電抗均為0.4/km。負(fù)荷LD1：30MVA；LD2：18MVA；LD3：6MVA?！纠?-4】計(jì)算圖5-22（a）所示電力系統(tǒng)在f點(diǎn)發(fā)生三相短路時(shí)的起始次暫態(tài)電流。系統(tǒng)各元件參數(shù)如下：1. 選取SB=100MVA,UB=Uav,計(jì)算各電抗標(biāo)么值：解：（一）將全部負(fù)荷計(jì)入，以額定標(biāo)么電抗為0.35，電勢(shì)為0.8的電源表示，發(fā)電機(jī)的次暫態(tài)電勢(shì)和調(diào)相機(jī)內(nèi)電勢(shì)取為1.0 。發(fā)電機(jī) 調(diào)相機(jī)負(fù)荷LD-1 負(fù)荷LD-2 負(fù)荷LD-3 變壓器T-1 變壓器T-2 變壓器T-3 線(xiàn)路