ch07 电力系统对称故障分析.ppt

1,第七章电力系统对称故障分析,重点：1）短路的基本概念；2）无穷大电源系统三相短路电流的计算，3）冲击电流及冲击电流出现的条件；4）同步发电机突然三相短路电流分析计算。难点：1）冲击电流出现的条件；2）同步电机常用暂态参数的意义及其应用；3）短路冲击电流、起始次暂态电流、短路电流的最大有效值的计算方法。,2,7.1短路的一般概念,短路-指一切不正常的相与相之间或者相与地（对于中性点接地的系统）发生通路的情况。1、短路的原因自然因素：雷击；落物；人为因素：绝缘损坏；误操作；检修运行维护不当。2、短路类型三相短路、两相短路、两相接地短路、单相短路,3,3、短路的危害短路电流急剧增加，产生热量使绝缘损坏烧毁设备（热稳定）；产生很大的电动力冲击，使导体变形；造成机械损坏（动稳定）；电网大面积电压下降；破坏电力系统的稳定；不对称短路造成对影响电力系统通讯的干扰。4、短路计算的目的选择限制短路电流的方式选择电器设备整定继电保护装置选择主接线方案,4,7.2恒定电势源电路的三相短路分析,一、短路的暂态过程分析,合闸角,t=0发生短路,5,一、短路的暂态过程分析,对a相电路列写微分方程：,6,7,8,恒定电势源电路的三相短路电流的特点,短路电流由两部分组成：非周期分量（自由分量）-按指数规律衰减；周期分量（强制分量）-不衰减。周期分量有效值的大小与合闸角大小无关；而非周期分量的大小与与合闸角大小有关。直流分量的起始值越大，短路电流的最大瞬时值越大，其值与短路合闸角、短路前的情况（短路瞬间的电流值iL(0+)=iL(0-)）有关。,9,a相出现短路电流最大值的条件：,10,1冲击电流短路电流在最恶劣短路情况下的最大瞬时值。冲击电流将在短路发生约半个周期时出现。,二、短路冲击电流和最大有效电流,KM称为冲击系数，即冲击电流值对于交流电流幅值的倍数。,11,2最大有效值电流,有效值：在短路暂态过程中，任一时刻t短路电流有效值I，是以时刻t为中心的一个周期内瞬时电流的均方根值。,非周期分量有效值：周期分量有效值：短路全电流有效值：,12,短路电流最大有效值：,3、短路功率短路容量等于短路电流有效值同短路处的正常工作电压的乘积。用标幺值表示为：,一个周期内平均值最大的短路电流。即t=0.01s为中心的一个周期内短路电流有效值。,13,7.3无阻尼绕组同步电机突然三相短路分析,一、突然短路暂态过程的特点冲击电流大；电枢反应磁通发生变化，引起定、转子电流变化-定、转子绕组电流相互影响。二、超导体闭合回路磁链守恒原则原始磁链：加外界磁场，磁链由,发电机各绕组均为闭合回路，短路瞬间各绕组交链的磁链保持不变，即电感中的电流不发生突变。,14,二、无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析,1、短路前：发电机处于正常稳态运行状态主磁链随转子绕组旋转切割定子绕组，在定子绕组感应出空载电势：,直流,15,三、无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析,2、短路瞬间假设t=0时发生短路，发电机供电回路的阻抗减小，定子绕组的基频电流要发生变化，最终变为稳态短路电流。定子电流的变化将引起定子绕组磁链的变化。在短路瞬间，为维持定子绕组磁链初值不变，在定子三相绕组中将出现一个直流分量和一个两倍基频的交流，直流分量在空间形成一个附加的静止磁场，抵消定子绕组中磁链的变化。,16,2、短路瞬间,转子励磁绕组以同步速旋转切割磁静止磁场，从而感应出一个基频交流分量，产生一个脉动磁场，可分解为两个大小相等方向相反的-和+旋转磁场。突然短路后，定子电流对转子产生强烈的去磁性电枢反应，为了抵消电枢反应的影响，维持励磁绕组磁链不突变，励磁绕组也要产生一个直流性质的自由分量，相当于增加一部分励磁电流，因而在定子绕组中感应出一个基频电流分量。实际上每个绕组只有一个电流，且符合环路定律不突变。,17,三、无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析,定子和转子绕组中的各种电流分量及它们之间存在两组对应关系，相互依存。,18,三、无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析,3、短路瞬间定子绕组中的电流分量基频电流：以抵消转子主磁场的交变磁链；直流和倍频分量：维持定子绕组磁链初始值；4、短路瞬间转子中的电流分量自由直流：维持转子中磁链初始值；基频电流：抵消定子直流和倍频电流的电枢反应自由分量逐渐衰减到零。,19,四、无阻尼绕组同步电机三相短路电流计算,1、暂态电抗和暂态电势（若考虑阻尼绕组则称为次暂态）根据磁链平衡关系制订适用于暂态分析等值电路无阻尼绕组电机的磁链平衡方程如下：,20,无阻尼绕组Park方程的等值电路,21,漏磁系数,1、暂态电抗和暂态电势,从方程中消去，得定义：暂态电势定义：暂态电抗,22,1、暂态电抗和暂态电势,同步发电机的暂态电势正比于磁链，而磁链在短路瞬间不能突变，故在Eq短路瞬间也不突变。,稳态运行时，用暂态电抗和暂态电势表示同步发电机的电压方程和等值电路。,23,1、暂态电抗和暂态电势,用暂态参数表示的电势方程写成交流向量的形式：,暂态电抗后电势E,24,1、暂态电抗和暂态电势,与暂态电势和暂态电抗相应的等值电路和相量图,25,稳态电势和电抗=暂态电抗和暂态电势,无论是凸极机还是隐极机，一般xdxq，为便于工程运算，常用等值隐极机法进行处理，分以下两种方案处理：（1）用电势和电抗作等值电路。（2）用电势和作等值电路。,暂态电抗后电势,假想电势,26,应用叠加原理分析同步发电机三相短路,t=0短路,以故障分量为分析重点,27,2、三相短路电流算式,电压方程,磁链方程,28,不计阻尼绕组的park方程的等值电路,29,2、三相短路电流算式,磁链平衡等值电路,戴维南定理,30,磁链方程,对应短路瞬间磁链的增量方程,31,略去定子绕组的电阻，求短路电流的初始值：,拉氏变换,对应短路瞬间的电压增量方程,32,求短路电流的初始值：,拉氏变换法,33,将正常分量与故障分量相加，得短路电流起始值：,周期分量的起始值,暂态电流,34,Review,35,合闸角,d轴与a相绕组轴线的夹角,36,自由电流的衰减时间常数的计算原则,原则1）为了维持绕组磁链不变而产生自由电流，如果该自由电流产生的磁势相对于绕组静止，那么这个电流将按照该绕组的时间常数衰减，同时，与该自由电流相依存的电流也按时间常数衰减。原则2）计算绕组的时间常数，只考虑本绕组的电阻，而忽略其它绕组的电阻。定子绕组的时间常数Ta；转子绕组的时间常数Td。,37,定子绕组的时间常数Ta,对于自由分量ia、if、i2，其中定子中的电流ia起主导作用，三者按此时定子绕组的时间常数衰减，采用标么值时，L=x。取限制直流分量的电抗,38,转子绕组的时间常数Td,对于自由分量ifa、i，转子励磁电流起主导作用，二者按此时励磁绕组的时间常数衰减。,短接（即定子绕组闭合）,励磁绕组自身的时间常数,39,计及电阻分析短路电流的衰减过程，以定子a相电流为例：,（1）当t=0时短路，电流不突变，满足换路定律；（2）短路前空载，,40,短路前空载情况下，可知：,由向量图,41,7.4有阻尼绕组同步电机三相短路分析,一、突然短路的物理过程与有阻尼绕组电机相比相同之处：定子电流分量：基频分量，直流分量，倍频分量转子电流分量：基频分量，值流分量不同之处：因为存在阻尼绕组，突然短路时，为保持磁链不变，阻尼绕组中会感应直流电流。,42,一、有阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析,定子和转子绕组中的各种电流分量及它们之间存在两组对应关系，相互依存。,43,；,d轴方向的磁链平衡等值电路,二、次暂态电势和次暂态电抗,交轴次暂态电势-不突变,44,q轴方向的磁链平衡等值电路,二、次暂态电势和次暂态电抗,直轴次暂态电势-不突变,45,7.4有阻尼绕组同步电机三相短路分析,引入次暂态电势和次暂态电抗以后，同步电机的磁链平衡方程可以改写为当电机处于稳态或忽略变压器电势时，得定子电势方程：,46,定子电势方程相量形式与等值电路,（a）纵轴向,（a）横轴向,47,7.4有阻尼绕组同步电机三相短路分析,避免按两个轴向制作等值电路和列写方程，采用等值隐极机处理。,次暂态电抗后电势,48,7.4有阻尼绕组同步电机三相短路分析,49,三、自由电流的衰减时间常数,励磁绕组自身的时间常数,定子绕组开路，励磁绕组磁链保持为零（短路），D绕组的时间常数,横向阻尼绕组组自身的时间常数,阻尼绕组的电阻较大,50,三、自由电流的衰减时间常数,定子绕组的时间常数：,d轴励磁绕组和阻尼绕组的时间常数：,q轴阻尼绕组的时间常数：,51,四、三相短路全电流的计算应用短路瞬间的电压增量方程和叠加原理得,短路电流周期分量起始有效值,52,四、三相短路全电流的计算,从Park方程出发，应用拉氏变换和物理概念相结合的方法求解。,53,几点说明：,（1）短路电流由周期分量和非周期分量两部分组成。对同步发电机周期分量的有效值衰减：起始值为，称为起始次暂态电流；阻尼绕组中的电流衰减完毕，进入暂态阶段，称为暂态电流；进入稳态后，周期分量的有效值为，成为稳态短路电流。（2）电抗、电势和时间常数,54,对于凸极发电机,55,几点说明：,56,几点说明：,（3）距离发电机端口一段距离发生三相短路，只要在表达式中将发电机的电抗加上外部等值电抗进行计算即可。,57,7.5电力系统三相短路的实用计算,实用计算的任务：起始次暂态电流的计算（t=0是短路电流周期分量的有效值）冲击电流的计算短路电流最大有效值的计算实用计算的目的：校验断路器的开断能力、继电保护整定计算，电气设备动稳定和热稳定校验。,58,7.5电力系统三相短路的实用计算,一、三相短路实用计算的假设1、对发电机（定子）不同周期分量进行计算时，采用不同的模型。,59,2、对电网，由于线路和变压器为静止元件，一般不考虑他们的电次暂态过程，其等值电路与稳态相同，且忽略对地并联支路。3、负荷对短路电流的影响很难准确计及。不计负荷影响：即忽略负荷电流-电网空载，可将所有电源的次暂态电势取为额定电压，即标么值为1，且各电势相位相同。短路前计及计及负荷影响：求取发电机的次暂态电势：短路后电网中的负荷可近似用恒定阻抗表示：,60,4、短路瞬间电动机倒送短路电流现象：同步电机和调相机一样可能送出短路电流;在短路点附近且显著供给短路电流的大容量异步电动机的暂态模型：,61,二、三相短路周期分量起始值或次暂态电流的计算,、,1、等值法计算正常运行时的次暂态电势；化简网络的各电源对短路点的转移电抗，计算故障点次暂态电流。2、戴文宁定理法故障点的短路电流等于故障点故障前电压除以故障点向网络看进去的戴维南等值阻抗。-近似计算Uf0=1，忽略负荷。,62,叠加原理法计算故障后各节点电压和支路电流：正常运行网络与故障分量网络的叠加。,63,例1,在简单电力系统中，一台发电机向一台同步电动机供电。发电机和电动机的额定功率均为30MW,额定电压均为10.5kV,次暂态电抗均为0.2。以电机的额定值为基准值的线路电抗标么值为0.1。设正常情况下电动机消耗的功率为20MW，功率因数为滞后0.8，端电压为