电力系统稳态分析7电力系统故障的基本知识.ppt

第七章 电力系统故障的基本知识 及三相短路分析,本章内容,第一节 电力系统故障的基本知识； 第二节 无限大容量电源供电系统的三相 短路分析； 第三节 同步发电机供电系统的三相短路分 析； 第四节 电力系统三相短路的实用计算。,第一节 电力系统故障的基本知识,一、故障的分类,电力系统正常运行情况以外的相与相之间或相与地之间的连接。横向故障,理解：正常运行之内的连接。 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、电灯等，不连接用电设备的地方应当是相互绝缘的。,二、短路故障,不对称短路,对称短路,1、短路的分类,2、短路的原因,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 绝缘老化,3、短路的危害,电流危害 机端短路电流：额定电流的1015倍： 发热：线路发热、短路点电弧发热烧毁设备 电动力：导体变形，损坏设备 电压危害 电压降低：短路相短路点附近电压降低； 电压升高：可能致其他相电压升高。,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 短路导致能量送出受限发电机的输入功 率和输出功率不平衡时间较长，会造成 发电机失步稳定破坏，引起大面积停电。 通讯危害 不对称接地短路不平衡电流不平衡 磁通通信电路感应电动势通信干扰,4、 短路的应对,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） 降低短路发生概率 （规程、制度） 及时清理污染，防止误操作等。,5、短路计算的内容及意义,内容： 短路冲击电流(短路后的最大电流瞬时值) 检验设备动稳定性 最大有效值电流（短路后电流的最大有效值） 检验断路器开断能力、热稳定性,意义 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 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,电力系统正常运行情况以外的同相之间断开连接的故障。纵向故障,正常运行,断线运行（非全相运行）,分析方法与短路分析相似！,三、断线故障,第二节 无限大容量电源供电系统的三相短路分析；,一、短路的一般化理解,电力系统抽象：,电网,发电机,负荷,一、短路的一般化理解,若系统任意某点f 发生短路：,三相短路：,f点短路可看作在f点接一特殊的用电设备：,两相（B、C相）短路：,f,f,f点短路可看作在f点接一特殊用电设备：,两相（B、C相）短路接地：,单相（A相）短路接地：,即：不同类型的短路，相当于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！,二、无限大容量电源,定义：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 变化而变化的电源。 这意味着：短路前后电源端口电压幅值、频率均为恒定，电源的内阻抗为0.,实际：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 在现实中不存在。,但是： 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）。如果系统中电源很多，且短路点距离各个电源的电气距离较远，则此时由短路所引起的送出功率的变化量S远小于总电源的容量S，则可近似认为该系统为无线大容量电源。此时，由于PP（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；由于 QQ（电源无功容量）因此，可认为短路过程中电源的电压是不变的。,判断一个电源（系统）能否作为无限大容量电源的依据： 以供电电源（系统）的内阻抗与短路回路的总阻抗的相对大小来判断。通常，当二者的比值小于10%时，可认为该供电电源（系统）为无限大容量电源。,三、无限大容量电源三相短路暂态过程分析,（1）简单无限大电源供电系统,三相电源,三相线路,三相负载,（2）短路前（稳态运行时）电流分析,电流：,其中：,（2）三相短路过程中电流分析,特征：对于无限大容量电源系统，发生短路过程中，由于电源端口的电压和频率保持不变，因此，可忽略电源内容的暂态过程。,ia=？,ib=？,ic=？,I 短路后电流的数学分析：, 因三相对称，取A相分析：, 利用微分方程定义瞬态：,ia=？,该式描述了电流随时间的变化关系。, 求解该微分方程，可得：,全电流表达式：,其中：,特解：,通解：,强制分量 (交流分量),自由分量 (直流分量),未知量,短路前后电流不突变, 根据短路前后电流不突变原则，求解C？,假定t00时刻发生短路,依据：,可得：,含义：短路前电流强制分量的瞬时值和短路后电流强制分量的瞬时值之差, 写出全电流形式,全电流表达式：,强制分量 (交流分量),自由分量 (直流分量),只与A相相差240度, 三相全电流表达式,全电流表达式：,只与A相相差120度, Ta的数量级,由于：直流分量大约35个波形周期即衰减至0. 故：直流分量经过3*0.02=0.06秒左右即衰减完毕。,II 短路后电流的图形分析：,以A相为例：,ia=？,电路图：,全电流表达式：,直流分量,交流分量,短路后全电流,A相全电流波形图,短路前全电流,C,直流分量初始值C等于短路前交流分量初始值减去短路后交流分量初始值，以保证短路前后电流恒定,III 短路冲击电流分析, 定义： 在最严重短路情况下的短路电流最大瞬时值,直流分量,短路后全电流,短路前全电流,C,交流分量,判断：由上图可看出，直流分量初始值越大，短路后的电流瞬时值越大,根据,直流分量初始值公式：, 产生条件：,可知，C最大的条件：,短路前空载,由于XR，故 , 得： 意味着：此时电压过零。,也是，冲击电流产生的条件！, 产生条件：,全电流,短路后半个周期：T/2,短路前空载,电压过零点, 短路冲击电流发生的时间点：,全电流表达式：,冲击电流的条件：, 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：,冲击电流表达式：,其中：,称之为冲击系数,可看出，该系数由Ta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。,在实际系统中：,一般取1.81.9，,1）发电机低压母线短路 2）发电厂高压母线后短路 3）其他地点短路：,短路冲击电流的作用：检验设备动稳定性,IV 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 一个周期内的电流有效值最大。因此，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,将短路冲击电流公式代入，得短路电流最大有效值计算公式如下：,短路电流最大有效值作用：检验电气设备的断流能力。,V 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8-1, A 、B、C三相是否会同时发生冲击电流？ 答：不会。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？ 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0。, 三相短路后，A、B、C三相直流分量之和是否为0？ 答：在任一时刻均为0。因为系统三相对称，三相全电流之和为零，而其中周期分量之和也为零，故三相直流分量之和也为0。,第三节 同步发电机端口突然三相 短路分析,A相全电流波形图,短路前全电流波形,直流分量,交流分量,短路后全电流波形,一、短路后的电流波形图及特征,（1）定子电流波形：,波形特征分析：,可分解为交流分量（强制分量）和直流分量（自有分量） 直流分量的初值为短路前交流分量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。 衰减特征：开始衰减快，后来衰减慢，两个衰减 时间常数,（2）转子电流波形：,特征： 有交流分量也有直流分量 交流分量的幅值逐渐衰减，直至0：衰减时间常数与定子直流分量时间常数相同。 直流分量的衰减过程与定子交流分量幅值的衰减过程相同,二、同步发电机短路后内部物理过程,（1）正常运行电磁过程分析：,电枢磁动势的交轴分量决定有功；直轴分量决定无功,电枢磁动势的交轴分量变化不会对励磁线圈磁通产生影响,合成磁场决定了发电机端口电压 ？电压向量,（2）端口三相短路过程中的电磁过程分析：,I.磁路向量图：,短路后转子受到的阻力力矩很小,短路后定子电流突然增大，且其磁场主要为直轴磁场，因此导致穿过转子线圈的磁场突然增大。,II.直轴磁路图：,|0|表示短路前瞬时,与（0-）相同,无阻尼绕组,II.直轴磁路图：,|0|表示短路前瞬时,与（0-）相同,有阻尼绕组,III.短路瞬间等值电路图：,短路前瞬间：,直轴电抗,交轴电抗,短路后瞬间：,暂态电抗,短路后瞬间：,公式简化：,短路电流,暂态电势(虚拟),暂态电势计算原理,短路后瞬间的发电机等值模型：,若非端口短路：,端口短路：,发电机暂态等值模型：,端口到短路点电抗,有阻尼绕组的发电机短路瞬间等值电路：,端口短路：,发电机等值模型：,简化：,次暂态电抗,次暂态电势,（3）理解短路前后次暂态电势的恒定性：,短路前：稳态电压源模型：,短路后：次暂态电压源模型：,？ 次暂态电势是由什么决定的？同一励磁电势E下， 不同运行状态I下的次暂态电势相同么？ ? 稳态计算时，可否用次暂态模型？,（4）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,（1）励磁电流直流分量：,按一个时间常数衰减,三、同步发电机三相短路的动态分析,（2）阻尼绕组电流直流分量：,按一个时间常数衰减,（3）定子电流波形：,定子电流包括： 1） 周期分量 2） 直流分量,幅值衰减，why？两个时间常数？,转子励磁电流为何有交流分量？,（4）励磁电流的交流分量：,定子直流电流合成磁动势,空间方向不变，逐渐衰减,（1）计算内容,短路冲击电流：,短路冲击电流有效值：,结论1：只要已知基频交流分量幅值或有效值即可！,结论2：对同步发电机，只需计算基频交流分量第 一个周波（初始值）的有效值 。,对应最严重情况,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，就是指短路电流交流分量的初始有效值 的计算,起始次暂态电流,（2）计算原理,Ia=？,Ib=？,Ic=？,以如下图所示的简单系统来分析 的计算原理,三相同步发电机,三相线路,三相负载, 因三相对称， 可取A相分析：, 短路前发电机的模型,发电机的稳态电压源模型：,稳态运行时的电流向量表达式：,稳态运行时的电流有效值计算式：,B、C两相的电流有效值计算式：,其中：, 短路后初始时刻的发电机模型,发电机的次暂态电压源模型：,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，可计算,该模型只能描述发电机短路初始时刻，发电机处于次暂态过程时的元件性质。,原理可参见电机学,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：,根据上图，当用次暂态电压源模型表示发电机后：,短路初始时刻的电流基频交流分量的有效值计算式：,总结：,要计算短路初始时刻的电流基频交流分量的有效值 ， 首先：把发电机用次暂态电压源模型表示； 然后：即可利用稳态计算的方法计算出, 因三相对称， 可取A相分析：, 短路后达到稳态时的发电机的模型,发电机的稳态电压源模型：,（3）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：,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：,由于 故短路初始电流要大于稳态短路电流。,第四节 三相短路的实用计算,一、概述,实用计算：,三相短路计算的内容： 短路电流交流分量的初始有效值 的计算 也即：次暂态电流的计算。,计算的原理： 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。,近似简化一些计算条件,采用实用化的计算方法,计算条件的近似简化,电源：,理想同步发电机,负荷：,忽略综合性负荷，但须考虑短路点附近的大型电动机,短路点：,忽略电弧电阻，假设直接接地,电网：,可忽略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）。 计算高压网时可忽略电阻。 参数计算可采用平均额定电压,短路计算通常采用标幺值计算，该假设非常有利于网络参数的计算。,二、实用化的计算方法,(1) 以如下简单电力系统分析叠加法, 短路前状态：稳态,负载,稳态模型,戴维南等效+叠加法, 三相短路初始时刻：次暂态过程,用次暂态模型取代稳态模型,待求短路电流, 初始次暂态电流的求解,直接求解法：,短路点电流：,a-b短路电流：,a点短路电压：,叠加原理求解法：,图1 短路等值网络,图2 等价短路等值网络,分解,图3 正常情况等值网络,图4 故障分量等值网络,+,短路点电流：,短路点电流：,与“直接求解法”完全相同,结论： 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，短路电流即为该电压源外部短路时的电流。（戴维南等效）,短路点的输入阻抗,非短路点电流：,a-b短路电流：,与“直接求解法”完全相同,非短路点电压：,a点短路后电压：,与“直接求解法”完全相同,（2）一般化电力系统的叠加法原理,=,+,正常运行网络,故障网络,短路点电流：,即把短路点看做是“空载电压为电动势，输入阻抗为电源内阻抗”的电压源端口,（2）一般化电力系统的叠加法原理,=,+,正常运行网络,故障网络,非短路点电流、电压：,（3）计算机计算短路的原理,=,+,正常运行网络,故障网络,计算方法：短路点电流； 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 阵求逆计算出短路点输入阻抗； 非短路点电流、电压：叠加法！ 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； 二者叠加！