第5章電力系統(tǒng)故障與實用短路電流計算-精品課件

1、第五章 電力系統(tǒng)故障與實用短路電流計算5.1 故障的一般概念 5.2 三相短路電流的物理分析5.3 簡單系統(tǒng)三相短路電流的實用計算方法5.4 對稱分量法在不對稱短路計算中的應(yīng)用 5.5 同步發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線的各序電抗及其等值電路 5.6 簡單電網(wǎng)的正、負(fù)、零序網(wǎng)絡(luò)的制定方法 5.7 電力系統(tǒng)不對稱短路的分析與計算 5.8 故障時網(wǎng)絡(luò)中的電流、電壓計算5.9 非全相運行的分析電力系統(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短路+斷線 電力系統(tǒng)的運行中時常會受到各種擾動 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、害的措施短路計算的目的一、短路的類型二、產(chǎn)生的原因：（1）元件的損壞：如絕緣材料的自然、設(shè)計、安裝及維護(hù)不良帶來的設(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)放電或者避雷器動作，架空線由于大風(fēng)或者導(dǎo)線附冰引起的電桿倒塌等。（3）違規(guī)操作：例如運行人員帶負(fù)荷倒刀閘，線路或設(shè)備檢修后未拆除接地線就加上電壓等。（4）其他：如挖溝損傷電纜，鳥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)時間長時，設(shè)備過熱會導(dǎo)致?lián)p壞。短路時系統(tǒng)電壓大幅降低，對用戶影響很大，如異步電動機(jī)。距離

3、較近功率較大持續(xù)時間較長時，并列運行的發(fā)電機(jī)可能會失去同步，造成穩(wěn)定性破壞，大面積停電。不對稱故障引起不平衡磁通，在臨近平行通信線路內(nèi)產(chǎn)生大電勢，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，在母線上裝設(shè)母線電抗器，限制短路電流。（3）選擇適當(dāng)?shù)闹鹘泳€形式和運行方式。如采用變壓器低壓側(cè)分裂運行方式，增大系統(tǒng)阻抗，減少短路電流。（4）采用防雷設(shè)施，降低過電壓水平。五、短路計算的目的（1） 選擇電氣設(shè)備的依據(jù)。例如斷路器、互感器、瓷瓶、母線、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

4、裝置參數(shù)的依據(jù)。（3） 設(shè)計和選擇發(fā)電廠和電力系統(tǒng)主接線依據(jù)（確定是否需要采取限制短路電流的措施等）。（4） 研究短路對用戶工作的影響（暫態(tài)穩(wěn)定計算）。（5）進(jìn)行故障時及故障后的安全分析。5.2 三相短路電流的物理分析一、恒定電勢源電路的三相短路無窮大電源如圖所示系統(tǒng)發(fā)生三相短路后，f 點左半部和右半部仍保持對稱。一相（設(shè)為a相）的電勢和電流：其中 短路發(fā)生前： 短路暫態(tài)過程中左半部：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a相電路列寫微分方程：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時與時間軸平行。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值稱為短路沖擊電流，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)過程中短路全電流的瞬時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值。 電路原來處于空載狀態(tài)，短路恰好發(fā)生在短路周期電流取幅值的時刻。即：Im（0）0（短路前空載），0o，90o時刻在電感性電路中，符合上述條件的情況是（對于a相）：周期電流:非周期電流: 短路電流的

6、最大瞬時值，即短路沖擊電流將在短路發(fā)生后經(jīng)過半個周期后出現(xiàn)，頻率50Hz時，為短路后0.01秒時。發(fā)電機(jī)電壓母線，KM1.9；發(fā)電廠高壓母線，KM=1.85；其他，KM1.8沖擊系數(shù)，短路點發(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：(與時間有關(guān)，但認(rèn)為在一個計算周期內(nèi)恒定不變)(周期的有效值，幅值恒定，與時間無關(guān))ImIpm短路沖擊電流發(fā)生時刻：Im（0）0,0o，90o, t=0.01秒時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，IM1.62IP；當(dāng)KM1.9時，IM1.62IP。3.短路容量 也稱短

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：短路容量主要用來檢驗開關(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)過程的特點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)過程，不考慮機(jī)械暫態(tài)過程。 電機(jī)的磁路不飽和，即疊加原理可以應(yīng)用。勵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 ： 勵磁電流 if0 ： 將短路電流分解為各種分量，只是為了分析和計算的方便，實際上每

9、一個繞組都只有一個總電流。但是搞清楚突然短路時定于和轉(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，對短路的分析計算有幫助。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有阻尼無阻尼最終短路不同階段所對

10、應(yīng)的不同電抗值 相對于這些電抗值，對應(yīng)三種不同的發(fā)電機(jī)的等值電勢： 次暫態(tài)交軸電勢E”q 、暫態(tài)交軸電勢Eq 和空載電勢Eq0 其中Td” 對應(yīng)于電抗x”d變?yōu)閤d時的時間常數(shù)， Td 對應(yīng)于電抗xd 變?yōu)閤d 時的時間常數(shù)衰減時間等于自身電感同電阻之比，即5.3 簡單系統(tǒng)三相短路電流的實用計算方法一、實用短路電流計算的近似條件(2) 同步機(jī)在短路瞬間，次暫態(tài)電勢Eq”不突變，近似用E”代替，計算公式為： (1) 短路過程很短暫，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)在短路前額定滿載運行不計負(fù)荷影響，取次暫態(tài)電

11、抗(3) 不計磁路飽和，可用疊加原理進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)簡化和電流電壓的計算。(4) 負(fù)荷用一個含次暫態(tài)電勢和次暫態(tài)電抗的等值支路來表示。 （E”=0.8和X”=0.35） (5) 忽略高壓輸電線的電阻和電容，忽略變壓器的電阻和勵磁電流。(6) 所有短路為金屬性短路。二、簡單系統(tǒng)三相短路電流的實用計算方法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)電壓就取為各級平均額定電壓，在等值電路中去掉變比。各發(fā)電機(jī)電勢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算步驟：（1）系統(tǒng)元件參數(shù)標(biāo)幺值的計算選取功率基值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：線路：（2）根據(jù)短路地點，作出等值電路，求出電源至短路點的總電抗X ；（3） 計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;線路L : x0=0.4/km，L=80km；試計算在下列不同地點發(fā)生三相短路時，短路點的起始次暫態(tài)周期電流。（1）短路點在降壓變電所低壓母線上；（2）短路點在升壓變電所高壓母線上；（3）

13、短路點在發(fā)電機(jī)出口處。解： 1.計算參數(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線路L: 變壓器T22. 作等值電路3.計算等值電抗4.計算起始次暫態(tài)短路電流周期分量（標(biāo)幺值 和 有名值）(1)(2)(3)3.簡單系統(tǒng)三相短路電流計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)等于各個電勢源分別單獨作用時所產(chǎn)生的電流的代數(shù)和。假定短路電流以流出為正，對于故障點有： 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)點電壓分布不變。自由網(wǎng)絡(luò)外部流向該節(jié)點電流不變。包括：(1)無源網(wǎng)絡(luò)的星網(wǎng)變換 Y 逆變換不成立n(1) 無源網(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)戴維南定律簡化為一條有源支路。 等值電抗：所有電勢為零時，從端口ab看的進(jìn)去的總阻抗。 等值電源電勢：外部電路斷開時，端口ab間的開路電壓。例例例（a）（b）（c）分裂電勢源：將連接在一個電源上的各支路拆開，拆開后各支路分別連接在原電源電勢相等的電源上。分裂短路點：將連接在短路點上的各支路從短路點拆開，拆開后各支路分別連接在原來的短路點。分裂電勢源和分裂短路點f1(3)f2(3)f1(3)f2(3)f

15、1(3)f2(3)利用網(wǎng)絡(luò)對稱性對稱性：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。對稱網(wǎng)絡(luò)的對應(yīng)點，電位必然相同。網(wǎng)絡(luò)中不直接連接的同電位的點，依據(jù)簡化的需要，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)法計算轉(zhuǎn)移阻抗定義：在發(fā)生短路的網(wǎng)絡(luò)中，第i個電源送到短路點的電流 與短路電流 之比稱為第i個電源的電流分布系數(shù)，記為ci。電流分布系數(shù)c的特點說明c和電源電勢大小無關(guān)，只與短路點的位置、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，實際上代表電流方向符合節(jié)點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。線路L1：60km；L2：20km；L3：10km。各線路電抗均為0.4/km。負(fù)荷LD1：30MVA；LD2：18MVA；LD3：6MVA。【例5-4】計算圖5-22（a）所示電力系統(tǒng)在f點發(fā)生三相短路時的起始次暫態(tài)電流。系統(tǒng)各元件參數(shù)如下：1. 選取SB=100MVA,UB=Uav,計算各電抗標(biāo)么值：解：（一）將全部負(fù)荷計入，以額定標(biāo)么電抗為0.35，電勢為0.8的電源表示，發(fā)電機(jī)的次暫態(tài)電勢和調(diào)相機(jī)內(nèi)電勢取為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 線路