电力系统故障分析.ppt

第四章电力系统故障分析,信电学院电气系2019/11/24,第四章电力系统故障分析,本章内容概述三相对称短路的基本分析短路计算的算法介绍对称短路计算的实用算法不对称短路计算的实用计算,4.1电力系统故障概述,电力系统故障现象电力系统故障分类短路断线电力系统故障分析的研究意义,4.1短路的概念及原因,1概念电力系统故障主要包括短路故障与断路故障。所谓短路是指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。是电力系统的严重故障。2原因（1）元件损坏（2）气象系统恶化造成（3）人为的非正常操作（4）其它原因,3.短路的种类在三相供电系统中可能发生的主要短路类型有三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路等。第一种短路称为对称短路，后三种短路通称为不对称短路。,4.1短路的概念及原因,4.1短路的概念及原因,4.1短路的概念及原因,4.短路的危害,4.1短路的概念及原因,发生短路时，系统中总阻抗减小，短路电流达到很大的数值。强大的短路电流产生的热和电动力效应会使电气设备破坏；短路点的电弧可烧毁电气设备；短路点附近的电压显著降低，供电受到破坏；发电厂附近发生短路时，可使全电力系统运行解裂。不对称接地短路所造成的零序电流，会在邻近的通讯线路产生感应电势，干扰通信，及人身和设备的安全。,5.研究短路的目的为了限制短路的危害和缩小故障影响的范围，在变电所和供电系统的设计和运行中，必须进行短路电流计算，以解决下列问题：（1）选择电气设备和截流导体，必须用短路电流校验其热稳定性和机械强度。（2）选择和整定继电保护装置，使之能正确地切除短路故障。（3）确定限流措施，当短路电流过大造成设备选择困难或不够经济时，可采取限制短路电流的措施。（4）确定合理的主结线方案和主要运行方式等；,4.1短路的概念及原因,4.1短路的概念及原因,6.进行短路计算的基本假设通常采取以下基本假设：（1）忽略磁路的饱和与磁滞现象，认为系统中的各元件参数为恒定。（2）忽略各元件的电阻。（3）忽略短路点的过渡电阻。（4）除不对称故障处出现局部不对称外，实际的电力系统通常可以当做三相对称的。,4.2无限大电源三相对称短路的基本分析,了解短路电流的变化规律掌握描述短路电流的三个基本概念起始次暂态电流I”冲击电流ip(iim)短路电流最大有效值Iim短路容量St,4.2无限大电源三相对称短路的基本分析,分析简单三相R-L电路对称短路暂态过程。电路由有恒定幅值频率的三相对称电势源供电。电路如由下图所示。短路前电路处于稳态，每相的电阻和电感分别为R+R和L+L。由于电路对称，只写出一相（a相）电势和电流如下：,4.2三相对称短路的基本分析,当点发生三相短路时，这个电路即被分成两个独立的电路，其中左边的一个仍与电源相连接，而右边的一个则变为没有电源短接电路。在短接电路中，电流将从它发生电路瞬间的初始值衰减到零，在这一衰减过程中，该电路磁场中所储藏的能量将全部转化为电阻中所消耗的热能。在与电源相连的左侧电路中，每相的阻抗已变为，其电流将要由电路前的数值逐渐变化到由阻抗所决定的新稳态值，短路电流计算主要是对这一电路进行的。,4.2三相对称短路的基本分析,假定短路在t=0时刻发生，短路后左侧电路仍然是对称的，可以只研究其中的一相，例如a相。为此，我们写出a相的微分方程式如下：,上式方程式的解就是短路的全部电流，它由两部分组成：第一步是上式方程式的特解，它代表短路电流的周期分量；第二步是上式方程式对应的齐次方程,的一般解，它代表短路电流的自由分量。短路电流的强制分量与外加电源电势有相同的变化规律，也是恒幅值的正弦交流，习惯上称为周期分量，并记为，它用下式表示：,4.2三相对称短路的基本分析,4.2三相对称短路的基本分析,这样，短路的全电流可以表示为：,根据电路的开闭定律，电感中的电流不能突变，短路前瞬间（以下表0表示）的电流应等于短路发生后瞬间（以下表0表示）的电流。将t=0分别代入短路前和短路后的电流算式，应得：,4.2三相对称短路的基本分析,在电力系统发生短路时，由于电路阻抗突然减小，在电动势的作用下发电机定子电路中将产生很大的短路电流，这个电流按工频变化，因之称为周期分量电流。由于发电机定子短路回路基本上是感性的，因此在短路瞬间周期分量电流将会感生一个自由电流来保持短路回路的磁链不能突变。这种自由分量电流起着抵消周期分量电流变化的作用，并使回路中电流保持在短路前的瞬时值。自由分量电流产生后由于没有电动势维持，将按短路回路的时间常数Ta衰减，Ta决定于短路回路的电阻R与电感L.,4.2三相对称短路的基本分析,由以上分析可以写出周期性分量电流的表达式为,式中Iact在时间t的周期性分量有效值；0短路瞬间电动势e的相位初始角。短路电流的总值为周期性分量与非周期性分量电流之和,结论（1）当短路发生在电动势初始角0为零时，这时若短路回路认为是纯电感的，则短路电流周期性分量电流将为最大值。（2）若短路之前电路是空载（i0=0），则非周期分量的起始值也为最大。图42表示,自由分量电流也称非周期分量电流，一般经过0.150.2s就衰减完毕。非周期分量电流变化，如图4-2所示，其表达式为,4.2三相对称短路的基本分析,这种情况非周期分量为最大。由于周期性分量在短路初始瞬间为，故非周期性分量的最大值也为。isct的值在短路后半周期时间（0.01s)达到最大瞬时值。通常称之为冲击电流，冲击电流iP可以近似地用下式来计算。,4.2三相对称短路的基本分析,式中Kp冲击系数；次暂态电流有效值。由于Ta的变化范围在0之间，所以，通常Ta0.150.2s，所以Kp=1.81.9。一般发电机端母线上短路时Kp1.9，其它地方短路时可取Kp1.8。于是,当冲击电流流过电气设备或载流导体时会产生很大的电动力，所以它是用来检验电气设备的一个重要参数。,4.2三相对称短路的基本分析（几个重要概念）,起始次暂态电流I”冲击电流ip(iimich)短路电流最大有效值Iim短路容量St工程应用中，对短路电流的计算实际上就是对起始次暂态电流的计算。,短路发生后各绕组中的电流分量,突然短路暂态过程的特点伴随着电磁运动和机械运动的过渡过程定子和转子绕组相互影响分析方法磁链守恒原则（楞次定则）：任何闭合线圈在突然变化瞬间，都能维持磁链不变。从绕组关系去分析无阻尼绕组发电机突然短路的暂态过程分析有阻尼绕组发电机突然短路的暂态过程分析,无阻尼绕组发电机突然短路的暂态过程,无阻尼绕组电机的绕组结构定子绕组：a,b,c(dq0系统等效绕组：d,q)转子绕组：f无阻尼绕组电机的参数理解直轴暂态电抗xd、交轴暂态电抗xq由磁链守恒原则和发电机基本方程推求；从等效变压器原理理解,无阻尼绕组发电机突然短路的暂态过程,dd绕组与ff绕组正常稳态运行：,dd绕组与ffdd绕组与ff在短路瞬间：,无阻尼绕组发电机突然短路的暂态过程,无阻尼绕组发电机突然短路时各绕组的电流分量,无阻尼绕组发电机突然短路的暂态过程,各自由电流分量的衰减时间常数从孤立电感的时间常数理解：多个互有耦合关系的绕组，自由电流的衰减由高阶电路的微分方程决定实用分析中，互有耦合关系的绕组的时间常数：在短路瞬间，为保持本绕组磁链不变而出现的自由电流，按照该绕组的时间常数衰减；某绕组时间常数取该绕组电感与自己电阻的比值，忽略其他绕组电阻的影响。,无阻尼绕组发电机突然短路的暂态过程,定子绕组时间常数Ta定子自由电流的非周期分量产生的磁通对定子绕组相对静止，故它将按定子绕组的时间常数Ta衰减，同它有依存关系的定子电流倍频分量及转子电流的基频分量都按同一时间常数衰减；,无阻尼绕组发电机突然短路的暂态过程,转子绕组时间常数Td励磁绕组的自由直流产生的磁通对励磁绕组相对静止，它将按励磁绕组的时间常数Td衰减，同它有依存关系的定子基频电流的自由分量也按这个时间常数衰减。,无阻尼绕组发电机突然短路的暂态过程,无阻尼绕组发电机突然短路时定子电流的全电流算式,有阻尼绕组发电机突然短路的暂态过程,有阻尼绕组电机的绕组结构定子绕组：a,b,c(dq0系统等效绕组：d,q)转子绕组：f,D,Q有阻尼绕组电机的参数理解直轴暂态电抗xd”、交轴暂态电抗xq由磁链守恒原则和发电机基本方程推求；从等效变压器原理理解,有阻尼绕组发电机突然短路的暂态过程,有阻尼绕组发电机突然短路时各绕组的电流分量f,a,b,c（f,d,q）绕组电流成分同无阻尼绕组D绕组自由分量同f绕组,Q绕组自由分量同q绕组.定子中有自由基频分量+直流+倍频+基频强制分量;转子中有自由直流+基频自由电流+磁势直流分量;不同的是：短路瞬间其磁链守恒要考虑阻尼绕组,阻尼绕组中只含有自由分量.,有阻尼绕组发电机突然短路的暂态过程,各自由电流分量的衰减时间常数定子直流及倍频，转子基频的时间常数Ta”定子横轴基频自由电流，转子Q绕组自由直流的时间常数Tq”定子纵轴基频自由电流，可认为分两部分衰减，先Td”后Td.,有阻尼绕组发电机突然短路的暂态过程,定子绕组全电流算式,发电机突然短路的暂态过程,强行励磁与自动励磁装置，影响全电流算式,4.6短路计算的实用算法介绍,目的：求取短路故障状态下电力网络的电流、电压分布。算法分析首先求取短路电流。获得描述短路电流的几个关键参数(?)，即可满足工程应用，如设备选型、保护整定等。思路：（全电流算式的求解难点？）（稳态电路如何求取？求解电力网稳态电流的难点是什么？）将系统中所有元件的参数用其次暂态参数代表，然后同求解稳态电路一样计算起始次暂态电流(?)。（为什么不直接计算稳态短路电流？）,思路分析,思路分析,对称短路计算的实用算法,类似稳态电流求解的计算步骤：用元件的次暂态模型联结成网络；网络化简；求解故障点起始次暂态电流（化简的向量运算）；计算冲击电流、短路电流最大有效值、短路容量等描述短路故障的参数。,对称短路计算的实用算法,电力元件的次暂态模型静止元件：电力线路、变压器、电抗器等次暂态参数与稳态参数相同，一般使用简化模型。负荷：综合负荷：恒阻抗模型或戴维南等效模型。大型异步电动机：次暂态电势串联次暂态电抗的戴维南等效模型。发电机：次暂态电势串联次暂态电抗的戴维南等效模型。,发电机的各种类稳态模型,对称短路计算的实用算法,电力网络的等值与化简化简目标：只含有故障点和少数电源点的星型网络。化简方法：戴维南原理（有源网络，合并电源）星网变换（无源网络，减少网络节点）拆分电源点，分裂短路点利用网络的对称性化简,对称短路计算的实用算法,求解起始次暂态电流求取冲击电流、短路电流最大有效值、短路容量,对称短路计算的实用算法,例4-1,对称短路计算的实用算法,例4-2,对称短路计算的实用算法,例4-3,对称短路计算的实用算法,短路后不同时段短路电流周期分量的计算理解全电流算式工程中使用计算曲线什么是计算曲线？怎么用？,4.8不对称短路计算的实用计算,不对称短路现象分析故障点（电压、电流、阻抗参数）？网络其他部分？三相状态变量？阻抗参数？如何计算不对称短路时的故障电流？能否用单相电路等值计算三相？能否类同于对称短路计算的算法？,4.8不对称短路计算的实用计算,教学内容对称分量法序阻抗序网络的制定不对称短路的等值序网正序等效定则计算不对称短路不对称短路时网络的电压电流分布计算不对称断线故障分析计算,什么是对称分量法？,什么是对称分量法？,什么是对称分量法？,什么是对称分量法？,什么是对称分量法？,什么是对称分量法？,4.8不对称短路计算的实用计算,理解序阻抗？各种元件的序参数回顾。发电机变压器输电线路负荷序阻抗能否解耦？条件？以静止三相电路元件为例说明。只有三相参数完全对称才能实现解耦。,4.8不对称短路计算的实用计算,4.8不对称短路计算的实用计算,4.8不对称短路计算的实用计算,4.8不对称短路计算的实用计算,序网络的制定由互不耦合的序参数组成各自的序网络：正序网有源网络，空载元件不计入负序网无源网络，网络结构与正序网相同零序网无源网络，只计入能流通零序电流的元件,4.8不对称短路计算的实用计算,序网络制定示例：,4.8不对称短路计算的实用计算,分析：序网方程中共3个方程，6个未知量，必须寻求新的定解条件。描述故障的边界条件是否可用？不对称故障的等值复合序网单相对地短路两相短路接地两相相间短路,1.单相（a相）接地短路,电力系统简单不对称故障分析和计算,a,b,c,图1-1单相接地短路,单相接地短路时，故障的三个边界条件为：,经整理得用序量表示的边界条件为：,电力系统简单不对称故障分析和计算,用对称分量表示为：,联立，可得：,电力系统简单不对称故障分析和计算,根据上式，可确定短路点电流和电压的各序分量：,，,电力系统简单不对称故障分析和计算,电压和电流的各序分量，可直接应用复合序网计算。,利用对称分量的合成算式，可得短路点故障相电流为：,短路点非故障相的对地电压,电力系统简单不对称故障分析和计算,电力系统简单不对称故障分析和计算,2.两相（b相和c相）短路,故障处的边界条件为：,用对称分量表示为：,整理可得,电力系统简单不对称故障分析和计算,两相短路复合序网,根据以上条件，得到两相复合序网如右图所示。,利用复合序网可以求出：,电力系统简单不对称故障分析和计算,以及,短路点的故障相电流为：,电力系统简单不对称故障分析和计算,b、c两相电流大小相等，方向相反。它们的绝对值为：,短路点各相对地电压为：,电力系统简单不对称故障分析和计算,电力系统简单不对称故障分析和计算,3.两相（b相和c相）短路接地,故障的三个边界条件为：,用序量表示为：,根据边界条件组成的两相短路接地的复合序网如图：,电力系统简单不对称故障分析和计算,由图可知：,同时，由图可知：,电力系统简单不对称