電力系統(tǒng)故障分析緒論1

自我介紹：姜齊榮柔性交流輸配電系統(tǒng)研究所西主樓2區(qū)106，電話：6277312513910014893Email:qrjiang@tsinghua.edu.cn教材：《電力系統(tǒng)分析下冊》電力系統(tǒng)暫態(tài)分析緒論

(IntroductionofPowerSystemFaultAnalysis)

第13講問題1、電力系統(tǒng)分析由哪些內(nèi)容組成？2、電力系統(tǒng)暫態(tài)過程與穩(wěn)態(tài)有何差別？3、電力系統(tǒng)短路的原因、后果及類型？4、如何分析電力系統(tǒng)短路？5、電源經(jīng)阻抗短路的電流由哪些部分組成?各部分有何特點？可以用相量計算嗎？1、電力系統(tǒng)分析概述電力系統(tǒng)故障（暫態(tài)）分析電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析

電力系統(tǒng)穩(wěn)定性電力系統(tǒng)保護(hù)相量，線性網(wǎng)絡(luò)，功率

故障后瞬間：微分方程故障后穩(wěn)態(tài)：相量，線性網(wǎng)絡(luò)微分方程、代數(shù)方程聯(lián)立為什么稱為穩(wěn)態(tài)分析？相量的概念（穩(wěn)態(tài)）對于電感：嚴(yán)格意義上，U，I，

，

i，

，均應(yīng)不隨時間變化！相量應(yīng)用的基礎(chǔ)常數(shù)三相電壓－大小、頻率及相位均不隨時間變化電力系統(tǒng)的兩種運行狀態(tài)1、

電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)：正常的、相對靜止的運行狀態(tài)；穩(wěn)態(tài)分析－電力系統(tǒng)正常的、三相對稱運行狀態(tài)的分析和計算（如潮流計算)－SteadyState2、電力系統(tǒng)的暫態(tài)：從一種穩(wěn)定運行狀態(tài)向另一種穩(wěn)定運行狀態(tài)的過渡過程；暫態(tài)分析－分析過渡過程中電壓、電流、功率等隨時間的變化（如故障分析）－TransientProcess電力系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，能夠用相量分析需滿足的條件：節(jié)點電壓幅值、頻率、相位不隨時間變化；線路電流幅值、頻率、相位不隨時間變化。OtU,I,

,

黑龍江東部電網(wǎng)故障后某些節(jié)點的電壓變化－PMU實測結(jié)果PMU－PhasorMeasurementUnit（基于GPS準(zhǔn)確定時）暫態(tài)過程2003.8.14.美加大停電

--離Newark（NewJersey）700哩處頻率變化暫態(tài)過程2003.8.14.美加大停電－Newark（NewJersey）電壓變化

暫態(tài)過程電力系統(tǒng)受到干擾后即進(jìn)入暫態(tài)過程；

暫態(tài)過程中各電氣參量會發(fā)生變化，嚴(yán)格意義上不能用相量分析！提問：電力系統(tǒng)一次調(diào)頻、二次調(diào)頻是否會引起電力系統(tǒng)出現(xiàn)暫態(tài)過程？2、電力系統(tǒng)暫態(tài)過程介紹暫態(tài)過程的分類暫態(tài)過程產(chǎn)生的原因影響暫態(tài)過程的元件暫態(tài)過程的分類波過程：與運行操作（如開關(guān)動作）及雷擊時的過電壓有關(guān)，涉及電流、電壓波的傳播，過程最短暫（微秒～毫秒級）－高電壓工程

電磁暫態(tài)過程：與短路（斷線）等故障有關(guān)，涉及工頻電流、電壓幅值隨時間的變化，持續(xù)時間較波過程長（毫秒～秒）－故障分析!

機(jī)電暫態(tài)過程：與系統(tǒng)振蕩、穩(wěn)定性破壞、異步運行等有關(guān)，涉及發(fā)電機(jī)組功率角、轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)頻率、電壓等隨時間的變化，過程持續(xù)時間較長（秒～分鐘）－穩(wěn)定分析

電壓沿線路的分布沿線以光速傳播的沖擊波（微秒級）分布參數(shù)模型！c絕緣子設(shè)計，放電研究等等均涉及波過程變電站接線電磁暫態(tài)過程－短路電流（毫秒級）

發(fā)電機(jī)短路后的一相短路電流機(jī)電暫態(tài)過程（搖擺相量為發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢相量，時間：秒～分鐘）暫態(tài)過程產(chǎn)生的原因

電力系統(tǒng)正常運行時處于穩(wěn)定狀態(tài)（SteadyState)。各種擾動（Disturbance)造成了電力系統(tǒng)進(jìn)入暫態(tài)。如果擾動后電力系統(tǒng)出現(xiàn)了異常，如停電等就是電力系統(tǒng)事故。擾動種類很多：短路故障（ShortCircuitFault），負(fù)荷投切。系統(tǒng)內(nèi)的元件（？）上發(fā)生的不同相之間的或相與地之間的短路故障。

影響暫態(tài)過程的元件電力系統(tǒng)的暫態(tài)過程取決于系統(tǒng)中各元件－發(fā)電機(jī)、變壓器、線路、電動機(jī)等的暫態(tài)過程。發(fā)電機(jī)的電磁\機(jī)電暫態(tài)過程左右了電力系統(tǒng)的電磁\機(jī)電暫態(tài)過程！3、電力系統(tǒng)短路的原因、后果及類型短路的原因短路的后果短路電流計算的意義短路的類型及發(fā)生的概率東北電力系統(tǒng)短路試驗－系統(tǒng)主接線500kV電壓等級下的三相短路東北電力系統(tǒng)短路試驗－2004年3月25日（2005年又做了一次）短路現(xiàn)象短路的原因絕緣受到污染或自然老化

自然原因：風(fēng)、雨、雪、雷、電、鳥、獸、蟲害。人為原因：運行人員誤操作（未拆地線合閘、帶負(fù)荷拉隔離刀閘等）人為事故：放風(fēng)箏，汽車撞電線桿北京1996.1.19事故，送入北京輸電線因為施工吊車撞線短路（中南海停電?。┕室馄茐模喝藶槠茐?，如偷電線，故意短路。戰(zhàn)爭：美國轟炸南聯(lián)盟使用的碳絲炸彈（科索沃戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭）。霧：引起霧閃，絕緣破壞放電。沈陽大霧事故！邯鄲鋼鐵停電損失5000萬以上，股票大跌。短路事故舉例地震海嘯：2004年12月26日印尼地震海嘯，電力系統(tǒng)徹底摧毀雪：2003年春運2月9日，駐馬店大雪引起鐵路供電網(wǎng)停電，導(dǎo)致火車晚點、停運等。壁虎：洛陽±20MvarSTATCOM直流母線短路。（獲2002年國家科技進(jìn)步二等獎）－其它的例子？樹枝：樹枝短接線路，96年美國西部大停電；2003年8月14日，美國大停電。國外短路事故舉例線路發(fā)熱下垂與樹枝靠近而短路－2003年8月14日風(fēng)速高，線路散熱快，下垂小500kV線路每公里電阻損耗可達(dá)80kW短路的后果產(chǎn)生大電流（上萬甚至十幾萬安培）：

發(fā)熱（I2R），高溫?fù)p壞設(shè)備，電弧將許多東西短時融化（電焊）電磁力（F=BLI），損壞設(shè)備

造成低電壓：電器設(shè)備無法正常工作，醫(yī)院、礦山引起危險奧運場館氣體放電燈問題！某衛(wèi)星發(fā)射中心監(jiān)測到的短路引起的電壓跌落－（委托清華大學(xué)監(jiān)測到的電壓曲線）短路故障引起電壓跌落可能影響衛(wèi)星發(fā)射南京電網(wǎng)短路故障引起某電子網(wǎng)板公司電源進(jìn)線三相電壓跌落，持續(xù)約200ms后，造成進(jìn)線開關(guān)跳閘，生產(chǎn)線停產(chǎn)－一次損失30萬元以上，每年約7～8次干擾以至于破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定運行

如大電廠母線故障導(dǎo)致發(fā)電機(jī)退出運行，負(fù)荷中心故障導(dǎo)致嚴(yán)重失去負(fù)荷―總出力與總負(fù)荷不平衡導(dǎo)致發(fā)電機(jī)加速或減速，造成系統(tǒng)振蕩、頻率變化、發(fā)電機(jī)失步、電壓崩潰而造成局部以至于電力系統(tǒng)大面積停電，損失將極為嚴(yán)重。北京電網(wǎng)一旦進(jìn)線短路，引起雙回500kV線路跳閘，將引起大面積停電事故！美國東部(EDT)時間2003年8月14日16:11開始（北京時間8月15日晨4:11），美國東北部和加拿大東部聯(lián)合電網(wǎng)發(fā)生了大面積停電事故紐約:交通癱瘓、公路堵塞、人困在電梯和地鐵隧道里、冒酷熱步行回家停電影響美國：俄亥俄州、密歇根州、紐約州、馬薩諸塞州、康涅狄克州、新澤西州、賓夕法尼亞州、佛蒙特州（8個州）加拿大：安大略省、魁北克?。?個省）2003年8月14日－美國大停電損失負(fù)荷：6180萬千瓦5000萬居民失去電力供應(yīng)恢復(fù)需幾天時間-8月14日19：30恢復(fù)134萬千瓦-8月14日23：00恢復(fù)2130萬千瓦-8月15日11：00恢復(fù)4860萬千瓦美國切機(jī)20多臺（含9臺核電機(jī)組）美加共計切機(jī)百余臺美經(jīng)濟(jì)學(xué)家估計：美損失：300億美元/天安大略省損失：50億美元停電前后衛(wèi)星拍到的美國上空照片08/139:21PMEDT08/149:03PMEDT《紐約時報》把停電前和停電后的衛(wèi)星照片進(jìn)行了對比，結(jié)論是“美國看起來明顯黯淡了許多”!短路電流計算的意義是電氣設(shè)備選擇的依據(jù)是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)規(guī)劃、設(shè)計的依據(jù)（廣東電網(wǎng)、上海電網(wǎng)環(huán)網(wǎng)運行，短路電流太大，不安全，難以選擇斷路器）是電力系統(tǒng)保護(hù)配置的依據(jù)是電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制措施制定的依據(jù)。電力系統(tǒng)短路試驗是測量分析電力系統(tǒng)特性的重要手段?。瓥|北短路試驗測量負(fù)荷特性等（居安思危?。┥虾ｋ娋W(wǎng)接線示意圖2015年，部分500kV母線處短路電流超過60kA,沒有500kV斷路器可以切斷如此大的短路電流！斷路器－Breaker能夠切斷大電流，帶有熄滅電弧機(jī)構(gòu)的開關(guān)。如果短路電流太大，斷路器不能切除短路，可能引起大的事故。電力系統(tǒng)短路的類型兩相短路：line-to-linefault三相短路：symmetricalthree-phasefault單相短路接地：singlelinetogroundfault

兩相短路接地：doubleline-to-groundfault各種元件發(fā)生短路的概率統(tǒng)計結(jié)果：110kV線路78.0％600kW以上發(fā)電機(jī)7.5％110kV變壓器6.5％110kV母線8.0％運行經(jīng)驗表明，架空輸電線是電力系統(tǒng)中比較薄弱環(huán)節(jié)，發(fā)生短路的幾率最高。

各種短路故障發(fā)生的概率

三相短路5％兩相短路4％兩相短路接地8％單相接地83％三相故障發(fā)生的概率小，但是最為嚴(yán)重，對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行影響最大。

4、電力系統(tǒng)短路的分析方法短路故障的基本分析方法故障分析中的基本假設(shè)短路故障的基本分析方法短路后的瞬間：

各電氣量劇烈變化，采用微分方程分析，即：建立系統(tǒng)的微分方程模型（暫態(tài)模型），根據(jù)短路條件求解微分方程組。（以發(fā)電機(jī)機(jī)端三相短路為例進(jìn)行分析）短路后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)：

各電氣量幅值、相位、頻率均不再變化，采用相量分析（類似于穩(wěn)態(tài)計算），求解代數(shù)方程組。（對稱分量法）t短路發(fā)生時刻短路后的瞬間短路后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)短路后的不同時段故障分析中的基本假設(shè)1、假定同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速維持不變：由于電磁暫態(tài)過程的時間很短，系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)電機(jī)的機(jī)械運動變化非常微?。ㄓ袘T性）；不考慮機(jī)電的相互作用！2、各發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢間的相位角―相對功率角不變；3、

異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率保持不變。5、無窮大電源經(jīng)阻抗短路的分析無窮大交流電源的概念發(fā)電機(jī)的簡單等值電路（穩(wěn)態(tài)分析）短路過程分析計算無窮大交流電源指電壓大小、頻率在任何擾動下均不變的內(nèi)阻為零的交流電源E、、均為常數(shù)發(fā)電機(jī)的簡單等值電路穩(wěn)態(tài)分析中曾假定：

發(fā)電機(jī)

無窮大電源＋阻抗RL發(fā)電機(jī)節(jié)點是什么節(jié)點？無窮大電源經(jīng)阻抗短路的計算電壓源（無窮大電源），在時刻t0經(jīng)電阻R及電感L突然短路

已知電源電壓：在開關(guān)S合上之前，

求開關(guān)S合上后電流隨時間的變化。開關(guān)S閉合后，電路的方程為：初始條件：一階常系數(shù)線性非齊次微分方程＋初始條件，可以求解！其中方程的解：在開關(guān)S合上瞬間，電感電流不能突變，因此有：

代入通解得到：因此，如何確定常數(shù)C？短路電流為：衰減的直流分量衰減時間常數(shù)：電路阻抗電路的阻抗角

交流分量不衰減在一定時間之后，如

直流分量衰減完畢，即短路電流瞬時值與短路時刻電源電壓相位與電路阻抗角的差有關(guān)與電源電壓大小U，阻抗Z有關(guān)為不同值時，短路電流的波形

/2

-

/2

直流分量為零

直流分量最大

穩(wěn)態(tài)短路電流相量的形式

穩(wěn)態(tài)短路電流相量＝電源電壓相量/電路的阻抗

短路發(fā)生時刻t0附近短路電流周期分量t0時刻短路電流周期分量＝電源電壓相量/電路的阻抗

同步發(fā)電機(jī)機(jī)端三相短路的短路電流波形注意與無窮大電源經(jīng)阻抗短路電流波形的差別其中一相的電流波形00交流分量不衰減！交流分量衰減！無窮大電源短路電流發(fā)電機(jī)短路電流短路電流計算，簡單等值不好！作業(yè)1、如圖所示的電壓源u(t)=311*sin(314.16t+),

在0時刻突然加到RL電路上，其中

(a)、

取什么值時，電流不存在直流分量？求出此時i(t)的表達(dá)式，并用Matlab繪制0～80ms時段的電流曲線，步長為0.01ms；(b)、

取什么值時，電流直流分量最大？求出此時i(t)的表達(dá)式，并用Matlab繪制0～80ms時段的電流曲線，步長為0.01ms；求總電流的最大值及對應(yīng)的時間。(c)、對于（b），估計短路后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的時間。(d)、調(diào)節(jié)R值，用MatLab畫出曲線，比較電流直流分量衰減的速度R＝2-3-4歐2、如果將電力系統(tǒng)中所有發(fā)電機(jī)都用戴維南等值等效為無窮大電源接內(nèi)阻抗的形式，如何求解電力系統(tǒng)中任一點的三相接地短路的穩(wěn)態(tài)短路電流？請簡單敘述之。3、舉出3個電力系統(tǒng)事故（8.14除外），簡單描述事故起因及后果（可在中國期刊網(wǎng)上查）。答疑：第10周后每周一晚上7：00－9：00地點：西主樓2區(qū)112?？深A(yù)約！教學(xué)參考書1、倪以信、陳壽孫、張寶霖著，《動態(tài)電力系