电力系统分析11.ppt

2019/12/19,1,第5章电力系统三相短路的暂态过程,5.1短路的一般概念5.2恒定电势源电路的三相短路5.3同步电机突然三相短路的物理过程5.4无阻尼同步电机三相短路电流计算5.5有阻尼同步电机的突然三相短路5.6强行励磁对短路暂态过程的影响,内容提要,提出短路的基本概念、短路造成的危害以及短路计算的目的；假设发电机容量为无限大、电压及频率为恒定的条件下，基于磁链守恒原则对电力系统三相短路的暂态过程、短路电流及功率进行分析；发电机突然发生三相短路的暂态过程；,5.1短路的一般概念,一、短路的原因、类型及后果故障:一般指短路和断线,分为简单故障和复杂故障简单故障:电力系统中的单一故障复杂故障:同时发生两个或两个以上故障电力系统的短路故障也称为横向故障，一相或两相断线的情况为断路故障，也称为纵向故障。短路一切不正常的相与相之间或相与地(对于中性点接地的系统)发生通路的情况。,绝缘材料的自然老化，设计、安装及维护不良所带来的设备缺陷发展成短路。恶劣天气：雷击造成的闪络放电或避雷器动作，架空线路由于大风或导线覆冰引起电杆倒塌等。人为误操作，如运行人员带负荷拉刀闸，线路或设备检修后未拆除地线就加上电压引起短路。挖沟损伤电缆，鸟兽跨接在裸露的载流部分等。,二、短路的主要原因,2005年华北联网系统进行的人工三相完全金属性接地短路试验,电杆拉线被盗倒杆线路短路,2.短路故障种类,三相短路对称短路；其他类型的短路不对称短路在各种类型的短路中，单相短路占大多数（65%），两相短路较少，三相短路的机会最少,3.短路的危险后果出现大电流。电源供电回路阻抗短路回路电流值短路点的电弧有可能烧毁电气设备；短路电流通过电气设备中的导体时，热效应引起导体或其绝缘的损坏；导体受到很大的电动力冲击，致使导体变形，甚至损坏。,图短路引发变压器着火,系统电压大幅度下降。电网电压的降低使由各母线供电的用电设备不能正常工作。异步电动机，TemU2n，甚至停转。,图正常运行和短路故障时各点的电压,靠近短路点处的电压下降最多，可能使部分用户供电受到破坏。1：正常运行。2：f1点短路。3：f2点短路。,发电厂失去同步，破坏系统稳定，造成大片地区停电最严重后果。f1或f2点短路，发电机输出的有功功率都要下降。发电机的输入功率是由原动机的进汽量或进水量决定的，不可能立即相应变化。发电机的输入和输出功率不平衡，发电机的转速将变化，这就有可能引起并列远行的发电机失去同步，破坏系统的稳定，引起大片地区停电。,发生不对称短路时，不平衡电流能产生足够的磁通在邻近的电路内感应出很大的电动势，这对于架设在高压电力线路附近的通讯线路或铁道讯号系统等会产生严重的影响。,4.预防短路措施,采取合理的防雷措施，加强运行维护管理；线路上安装电抗器。采用继电保护装置，切除故障设备，保证无故障部分安全运行；架空线路采用自动重合闸装置；,切除,二、短路计算的目的,短路计算是解决一系列技术问题所不可缺少的基本计算选择有足够机械稳定度和热稳定度的电气设备，必须以短路电流为依据；为了合理地配置各种继电保护和自动装置并正确整定其参数；在设计和选择电气主接线时，依据短路计算结果确定是否需要采取限制短路电流的措施等，造价评估，选择最佳接线方案；进行电力系统暂态稳定计算，研究短路对用户工作的影响；确定输电线路发生短路故障对临近通讯线路的干扰，必须进行短路计算。,恒定电势源（又称无限大功率电源），是指端电压幅值和频率都保持恒定的电源，其内阻抗为零。电源功率为无限大时，外电路发生短路引起的功率改变对于电源来说是微不足道的。可以看作由有限多个功率电源并联而成，因而内阻为0，电源电压保持恒定。真正的无限大功率电源是没有的，而只能是一个相对的概念，往往是以供电电源的内阻抗与短路回路总阻抗的相对大小来判断电源能否作为元限大功率电源。若供电电源的内阻抗小于短路回路总阻抗的10%时，则可认为供电电源为克限大功率电源。在这种情况下，外电路发生短路对电源影响很小，近似地认为电源电压幅值和频率保持恒定。,第二节恒定电势源电路的三相短路,一、三相短路的暂态过程,第二节恒定电势源电路的三相短路,图5-1简单三相电路短路,短路前电路处于稳态：,2019/12/19,16,a相的微分方程式如下：,其解就是短路的全电流，它由两部分组成：周期分量和非周期分量。,假定t0时刻发生短路,短路电流的强制分量,并记为,周期分量：,非周期电流：短路电流的自由分量,记为,特征方程,的根。,非周期分量电流衰减的时间常数,（C为由初始条件决定的积分常数）,短路的全电流可表示为：,t=0时,短路电流不突变,短路前电流,积分常数的求解,im0,ip0,短路电流关系的相量图表示,在时间轴上的投影代表各量的瞬时值,2019/12/19,21,指短路电流最大可能的瞬时值，用表示。其主要作用是校验电气设备的电动力稳定度。,(1)相量差有最大可能值；(2)相量差在t0时与时间轴平行。一般电力系统中，短路回路的感抗比电阻大得多，即，故可近似认为。因此，非周期电流有最大值的条件为：短路前电路空载（Im=0),并且短路发生时，电源电势过零（0）。,二、短路冲击电流,非周期电流有最大初值的条件应为：,图5-3短路电流非周期分量有最大可能值的条件图,非周期电流有最大值的条件为（1）短路前电路空载（Im=0)；（2）短路发生时，电源电势过零（0）。,图5-4非周期分量有最大可能值时的短路电流波形图,将，和0代入式短路全电流表达式：,短路电流的最大瞬时值在短路发生后约半个周期时出现（如图5-4）。若Hz，这个时间约为0.01秒，将其代入式上式，可得短路冲击电流：,kim为冲击系数,实用计算时，短路发生在发电机电压母线时kim1.9；短路发生在发电厂高压母线时kim1.85；在其它地点短路kim1.8。,P113,三、短路电流的有效值在短路过程中，任意时刻t的短路电流有效值，是指以时刻t为中心的一个周期内瞬时电流的均方根值，即,为了简化计算，通常假定：非周期电流在以时间t为中心的一个周期内恒定不变，因而它在时间t的有效值就等于它的瞬时值，即,对于周期电流，认为它在所计算的周期内是幅值恒定的，其数值即等于由周期电流包络线所确定的t时刻的幅值。因此，t时刻的周期电流有效值应为,图5-5短路电流有效值的确定,根据上述假定条件，公式(5-9)就可以简化为：,短路电流的最大有效值：,短路电流的最大有效值常用于校验某些电气设备的断流能力或耐力强度。,（5-10）,短路电流最大有效值出现在第一周期，在最不利的情况下发生短路时，其中心为：t=0.01s,非周期分量的有效值为,短路容量也称为短路功率，它等于短路电流有效值同短路处的正常工作电压（一般用平均额定电压）的乘积，即,用标幺值表示时,短路容量主要用来校验开关的切断能力。,四、短路容量,5.3同步电机突然三相短路的物理分析,一、突然短路暂态过程的特点大冲击电流电枢反应磁通变化转子绕组中感应电流影响定子电流定子和转子绕组电流的互相影响（显著特点）,二、超导体闭合回路磁链守恒原则,超导体电阻为零的导体，超导体闭合回路维持所环链的磁链不变。电压观点若跃变d/dt=无限大电源(不存在)楞茨定则任何闭合线圈在突然变化的瞬间，都能维持磁链不变。,r,r0,永远不变,超导体磁链守恒原则的数学描述,闭合回路、电阻R、磁链、无外电源回路由理想超导体构成：R0,常数,（1）超导体闭合回路,00移近一个磁铁，01回路将感应产生电流i,（2）如果原始磁链值,00外界磁场对该回路产生磁链，1回路中将产生电流i1,满足条件,Li10,实际电机R0,t=0短路如何变化？t=(0-,0+)(0-)=(0)短路瞬间,与定子绕组交链，同步电机工作磁链（空载磁链）；随转子同步旋转，被定子绕组所切割，在定子绕组中感应空载电势,三、无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析,只与ff交链，励磁绕组漏磁链,假定短路前无阻尼电机处于空载状态,1、短路前,定子绕组总磁链,定子侧的物理分析,转子侧的物理分析,电流,转子转速旋转，定子各相绕组磁链:,t0短路前瞬间，=0，定子各相绕组磁链：,0,t0时,维持磁链初值不变定子绕组中出现电流产生磁链,发生短路t=0时,2、三相短路后,发生短路后，同步电机仍以旋转，产生0,恒定分量,交变分量,3、短路后定子绕组中的电流分量,基频电流ii交变磁链为了抵消励磁磁链对各相定子绕组产生的交变磁链,大小相等、方向相反,直流分量iap：维持磁链初始值；,iap维持短路前瞬间初始磁链0不变,大小相等、方向相同,短路后瞬间磁链图,a,b,w,w,c,t,c,c,倍频分量i2,纵横轴磁阻不同，转子每转过180，磁阻经历一个周期磁链要恒定(=F/r=F)恒定，故，F要随r变化定子要产生一个倍频磁链2直流直流iap倍频交流i2磁链不变,iap静止恒定磁势F0,F,F,F,=F/r=F,定子绕组中的电流,基频交流,恒定直流,倍频交流,4、短路后转子中的电流分量,定子三相绕组基频电流i同步旋转磁势(和转子相对静止)；与0方向相反0正方向是d轴正向，同步旋转磁势产生的磁链在d轴反方向，对励磁磁势起纯去磁电枢反应。,i,产生,抵消,直流电流ifa,i,励磁绕组交链磁链保持短路前磁链值不变励磁绕组产生直流电流ifa（方向和if0相同，使励磁绕组的磁场得到加强）。ifafa,fa,平衡,直流电流ifa,ifa,fa,定子同步旋转磁场产生的去磁磁链,ifa也会影响定子绕组，使得定子电流激增。,定子直流分量空间静止磁场（ap）对励磁绕组是同步速切割励磁绕组转子绕组产生同步频率交变电流转子绕组产生同步频率交变磁链f交变磁链f抵消定子绕组产生的直流磁场在转子励磁绕组中形成的磁链ap,f平衡ap,交变电流if,ap,f,定子电流倍频分量i2两倍同步转速的旋转磁场2相对转子对转子绕组产生基频磁链转子绕组产生同步频率交变电流、磁链(抵消定子绕组产生的i2的磁场在转子励磁绕组中形成的磁链2)。,f平衡2,2,直流电源产生的强制分量,抵消i磁链自由分量,抵消iap、i2磁链自由分量,转子绕组中的这项基频电流也要施反作用于定子。基频电流在转子中产生一个以同步频率脉振的磁场，分解为两个依相反方向对于转子以同步转速旋转的磁场。反转磁场对于定子绕组相对静止影响定子直流分量正转磁场对于定子绕组2旋转影响定子倍频电流分量,短路瞬间，外接阻抗减小,产生定子基频电流增量,电枢反应增强，转子磁链减小,为保持磁链守恒，转子中产生自由直流分量,定子绕组产生自由基频电流分量,电枢反应增强，定子磁链增大,定子直流分量,恒定直流,倍频分量,转子基频分量,产生的脉动磁链分解为正反两个方向以同步速旋转的磁链,i稳态值，强制分量,iii自由分量,自由分量记及电阻，衰减到零,恒定的,自由分量记及电阻，衰减到零,一、暂态电势和暂态电抗,无阻尼绕组同步电机的磁链平衡方程,5.4无阻尼绕组同步电机三相短路电流计算,图6-18无阻尼绕组发电机的磁链平衡等值电路(a)纵轴向(b)横轴向,(a)(b),电路图,消去,暂态电势，不突变,暂态电抗,当变压器电势时，忽略电阻则有：,纵轴向,图6-19用暂态参数表示的同步发电机等值电路,横轴向,相量形式及其等值隐极机法,暂态电抗后的电势,解：例3-2中已算出和,例5-1就例3-2的同步电机及所给运行条件，再给出，计算电势和。,根据相量图5-12，可知,电势同机端电压的相位差为：,5-5有阻尼绕组同步电机的突然三相短路次暂态电势和次暂态电抗,图6-23有阻尼绕组电机的磁链平衡等值电路(a)纵轴向(b)横轴向,用戴维南等值定理进行简化,纵轴方向,横轴方向,当电机处于稳态或忽略变压器电势时(忽略电阻)：便得定子电势方程：,用交流相量的形式写成：,两式相加：,略去第三项：,图6-26同步电机相量图,例5-3同步发电机有如下的参数：试计算额定满载下的本例电机参数除次暂态电抗外，都与例5-1的电机的相同，得：,可以继续算出,d,按近似公式(5-56)计算，由相量图知,作业；1，4（不算时间常数）,5.6强行励磁对短路暂态过程的影响,在前面的讨论中，我们曾假定励磁电压不变。实际上，在现代电力系统中，同步发电机都配有自动励磁调节装置。强行励磁装置是自动励磁调节系统的一个组成部分，当发生短路或由于其他原因使机端电压显著下降时，强行励磁装置动作，使施于励磁绕组的电压vf增大，从而增大励磁电流以恢复机端电压。强行励磁装置动作时，励磁电压vf的上升规律比较复杂。,图5-31励磁电压上升曲线,为了便于进行数学分析，通常假定励磁电压vf从它的初值按指数规律上升到某一终值，其变化曲线如图531所示。,通常称:vfm为强励顶值电压；vf是励磁电压的强励增量；Te是励磁系统的时间常数，典型值为0.57s，快速晶闸管励磁系统可达0.1s左右。Vfm/Vf（0）之比称为强励倍数，其值通常为23。,在强励作用下，电动势Eq增加了，发电机的端电压将逐渐恢复。只要发电机的端电压一经恢复到额定值，自动调节励磁装置即将机端电压维持在额定值上。这时，励磁电流、空载电势和定子电流的强励增量将不