电力系统分析().ppt

第四章电力系统故障分析 4 1基本概念 不对称短路 两相接地短路 两相短路 单相接地短路 短路故障 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接通 发生短路故障的主要原因 雷击等各种形式的过电压以及绝缘材料的自然老化 或遭受机械损伤 致使载流导体的绝缘被损坏不可预计的自然损坏 例如架空线路因大风或导线履冰引起电杆倒塌等 或因鸟兽跨接裸露导体等自然的污秽加重降低绝缘能力运行人员违反安全操作规程而误操作 例如线路或设备检修后未拆除接地线就加上电压等 短路电流的热效应 短路电流通过导体产生的热量而使其温度急剧上升 短路时间通常很短 因而可不考虑导体的散热而认为短路时导体是在绝热状态下发热升温的 实际短路电流是一个幅值变化并含有非周期分量的电流 按此电流来计算其产生的热量是困难的 因此通常采用恒定的短路稳态电流在 热效时间 产生的热量来等效计算实际短路电流在短路时间所产生的热量 短路电流的动力效应 短路故障的后果 产生从电源到短路故障点巨大的短路电流 可达正常负荷电流的几倍到几十倍 短路电流通过电气设备 将导致设备因发热而损坏 短路电流在电气设备的导体间产生很大的电动力 将导致导体变形 扭曲或损坏引起系统电压的突然大幅度下降 系统中异步电动机将因转矩下降而减速或停转引起系统中功率分布的突然变化 可能导致并列运行的发电厂失去同步 破坏系统的稳定性不对称短路电流所产生的不平衡交变磁场 对周围的通信网络 信号系统 晶闸管触发系统及自动控制系统产生干扰 短路电流计算的主要目的 无限大功率电源供电网络的三相短路 短路前 周期分量解 非周期分量解 短路全电流表达式 短路冲击电流和最大有效值电流 短路冲击电流 短路电流最大可能的瞬时值 用途 校验电气设备和载流导体在短路时的电动力稳定度 最恶劣情况出现的条件 90 短路前空载 合闸角 0 且有 1 Kch 2工程计算时 在发电机电压母线短路 取Kch 1 9 在发电厂高压侧母线或发电机出线电抗器后发生短路时 Kch 1 85 在其它地点短路时 Kch 1 8 考虑空载电网电压升高5 短路全电流的有效值 是指以t时刻为中心的一周期内短路全电流瞬时值的均方根值 即 简化近似 短路全电流的最大有效值 出现在短路后的第一周期内 又称为冲击电流的有效值 Ich用途 校验电气设备的断流能力或耐受强度 最大有效值电流 当Kch 1 9时 Ich 1 62IzKch 1 8时 Ich 1 51Iz 短路功率等于短路电流有效值乘以短路处的额定电压 一般用平均额定电压 即 标幺制 取 结论 当假设基准电压等于正常工作电压时 短路功率的标幺值与短路电流的标幺值相等 短路功率 短路功率的含义 一方面开关要能切断这样大的短路电流 另一方面 在开关断流时 其触头应能经受住工作电压的作用 对于低速开断的断路器 其开断时间约为0 2秒 需计算0 2秒的短路功率 此时短路电流中的非周期分量电流已经衰减很小 可忽略 仅为周期分量作用 即 第四章电力系统故障分析 4 2电力系统三相短路实用计算 什么电势在短路瞬间不会发生突变 建立同步发电机电磁暂态数学模型和参数需要确定一个在短路瞬间不发生突变的电势 用来求取短路瞬间的定子电流周期分量发电机稳态模型中 空载电势E和同步电抗Xt 空载电势将随着励磁电流的突变而突变 同步发电机暂态模型在无阻尼绕组的同步发电机中 转子上只有励磁绕组 与该绕组交链的总磁链在短路瞬间不能突变 因此可以给出一个与励磁绕组总磁链成正比的电势Eq 称为q轴暂态电势 对应的同步发电机暂态电抗为Xd 不计同步电机纵轴和横轴参数的不对称 无阻尼绕组的同步发电机数学模型可以用暂态电势E 和暂态电抗Xd 表示为 同步发电机次暂态模型在有阻尼绕组的同步发电机中 转子上有励磁绕组和阻尼绕组 与它们交链的总磁链在短路瞬间不能突变 因此可以给出一个与转子励磁绕组和纵轴阻尼绕组总磁链成正比的q轴次暂态电势Eq 以及一个与转子横轴阻尼绕组总磁链成正比的d轴次暂态电势Ed 对应的发电机次暂态电抗分别为Xd 和Xq 忽略纵轴和横轴参数的不对称时 有阻尼绕组的同步发电机数学模型可以用次暂态电势E 和次暂态电抗Xd 表示为 短路电流计算一般指起始次暂态电流或稳态短路电流计算 而其它任意时刻短路电流工频周期分量有效值计算工程上采用运算曲线方法 起始次暂态电流计算 发电机采用次暂态模型 根据故障前系统状态计算同步发电机的次暂态电势 短路前在额定电压下满载运行 故 短路前在额定电压下空载运行或不计负载影响 则有 冲击电流的计算 例试计算图示网络中k点发生三相短路时的冲击电流 发电机G 取 同步调相机SC 取 负荷 取 线路电抗每km以0 4 计算 G 变压器T1 X6 0 105 100 31 5 0 33变压器T2 X7 0 105 100 20 0 53变压器T3 X8 0 105 100 7 5 1 4线路L1 X9 0 4 60 100 1152 0 18线路L2 X10 0 4 20 100 1152 0 06线路L3 X11 0 4 10 100 1152 0 03 发电机 X1 0 12 100 60 0 2调相机 X2 0 2 100 5 4负荷LD1 X3 0 35 100 30 1 17负荷LD2 X4 0 35 100 18 1 95负荷LD3 X5 0 35 100 6 5 83 1 取 各元件电抗的标幺值计算如下 2 网络化简 3 起始次暂态电流计算由变压器T3方面提供的电流为由负荷LD3提供的电流为 4 冲击电流计算a点残余电压 线路L1 L2的电流分别为b c点残余电压分别为 因Ub和Uc都高于0 8 负荷LD1和LD2不会提供短路电流 故由变压器T3方面来的短路电流都是发电机和调相机提供的 可取Ksh 1 8 而负荷LD3提供的短路电流则取Ksh 1 短路处电压级的基准电流为 短路处的冲击电流为 5 近似计算 考虑到负荷LD1和LD2离短路点较远 可将它们略去不计 把同步发电机和调相机的次暂态电势取作E 1 0 这时网络 负荷LD3除外 对短路点的总电抗为 变压器T3方面提供的短路电流为 I 1 2 05 0 49短路处的冲击电流为 此值较前面算的小6 在实际计算中 一般允许采用这种简化计算 应用计算曲线计算短路电流 计算曲线与计算曲线法计算曲线 为方便工程计算 采用概率统计方法绘制出一种短路电流周期分量随时间和短路点距离而变化的曲线 计算曲线法 应用计算曲线确定任意时刻短路电流周期分量有效值的方法 计算电抗 将归算到发电机额定容量的组合电抗的标幺值和发电机次暂态电抗的额定标幺值之和定义为计算电抗 并记为XC 即 计算曲线法的应用计算曲线分为汽轮发电机和水轮发电机两种类型计及了负荷的影响 故在使用时可舍去系统中所有负荷支路在计算出以发电机额定容量为基准的计算电抗后 按计算电抗和所要求的短路发生后某瞬刻t 从计算曲线或相应的数字表格查得该时刻短路电流周期分量的标幺值计算曲线只作到XC 3 45为止 当XC 3 45时 表明发电机离短路点电气距离很远 近似认为短路电流的周期分量已不随时间而变 即 应用计算曲线法的具体计算步骤 作等值网络 选取网络基准功率和基准电压 一般选取SB 100MVA UB Uav 计算网络各元件在统一基准下的标幺值 发电机采用次暂态电抗 负荷略去不计进行网络变换 求各等值发电机对短路点的转移电抗Xik求计算电抗 将各转移电抗按各等值发电机的额定容量归算为计算电抗 即 网络简化与转移电抗的计算 网络的等值简化 等值电势法等效变换的原则应使网络中其他部分的电压 电流在变换前后保持不变 令 则 令 则 星网变换法 Y 变换公式 Y变换公式 Y 变换 利用电路的对称性化简电位相等的节点 可直接相连 等电位点之间的电抗 可短接后除去 转移阻抗的概念 定义如果只在第i个电源节点加电势Ei 其他电势为零 则与从第k个节点流出网络的电流Ik之比值 即为i节点与k节点之间的转移阻抗Xik 应用前提线性网络的叠加原理转移阻抗的应用 转移电抗的计算网络化简法 单位电流法令 在点加上 使支路中通过单位电流 即取 则 各电源对短路点的转移电抗 例某系统等值电路如图所示 所有电抗和电势均为归算至统一基准值的标幺值 1 试求各电源对短路点的转移电抗 2 若在k点发生三相短路 试求短路点电流的标幺值 解 1 求转移电抗 网络化简法 合并电源的主要原则距短路点电气距离 即相联系的电抗值 大致相等的同类型发电机可以合并 远离短路点的不同类型发电机可以合并 直接与短路点相连的发电机应单独考虑 无限大功率系统因提供的短路电流周期分量不衰减而不必查计算曲线 应单独计算 例图示电力系统在k点发生三相短路 试求 1 t 0s和t 0 5s的短路电流 2 短路冲击电流及0 5s时的短路功率 G3 G4 S G1 G2 水电厂 火电厂 各元件的型号和参数为 无限大功率系统内电抗X 0 G1 G2每台容量为31 25MVA X d 0 13 G3 G4每台容量为62 5MVA X d 0 135 T1 T2每台容量为31 5MVA Uk 10 5 T3 T4每台容量为60MVA Uk 10 5 母线电抗器为10kV 1 5kA XR 8 线路L1长50km 0 4 km 线路L2长80km 0 4 km 解 1 参数计算 作等值网络取SB 100MVA UB Uav 各元件电抗的标幺值为 发电机G1 G2 X1 X2 0 13 100 31 25 0 416变压器T1 T2 X3 X4 0 105 100 31 5 0 333电抗器R 线路L1 X6 0 4 50 100 1152 0 151线路L2 X7 0 4 50 100 1152 0 242 变压器T3 T4 X8 X9 0 105 100 60 0 75发电机G3 G4 X10 X11 0 135 100 62 5 0 216 2 化简网络 求各电源对短路点的转移电抗 X12 X1 X3 2 0 375 X13 X8 X10 2 0 196 作Y 变换 并除去电源间的转移电抗支路 X14 X6 X13 X6X13 X7 0 469 X15 X6 X7 X6X7 X13 0 579 各等值发电机对短路点的转移电抗分别为 等值发电机G1 2 X12 0 375 等值发电机G3 4 X14 0 469 无限大功率系统 X15 0 579 3 求各电源的计算电抗 G1 2 Xc1 0 375 2 31 25 100 0 234 G3 4 Xc2 0 469 2 62 5 100 0 586 4 查计算曲线数字表 求短路电流周期分量的标幺值 5 计算短路电流有名值 6 计算短路冲击电流及0 5s的短路功率冲击电流 短路点在火电厂升压变压器高压侧 G1 2的冲击系数应取Kch 1 85 其余电源离短路点较远 均可取Kch 1 8 0 5s时的短路功率 第四章电力系统故障分析 4 3电力系统不对称运行分析方法 对称分量法 不对称相量 对称分量法 对称分量 负序分量 零序分量 正序分量 负序分量 零序分量 正序分量 引入旋转因子 算子 a相短路为例 特殊相 a相 对称电路 方法 思路 对称分量法 短路点阻抗 电压 电流不对称 正序网 负序网 零序网 电源 三相正序网 三相负序网三相零序网特点 单相序网 思路 各序分量三相对称 大小 相位关系固定三相电路对称 单相各序电路 序网 正序网 负序网 零序网 序网基本方程 三个方程 六个变量 需补充三个方程 边界条件 短路点处电压 电流方程 序网基本方程 a相短路 b c两相短路 b c两相接地短路 用序分量表示 应用对称分量法进行电力系统的不对称分析 首先必须确定系统中各元件的各序参数元件的序阻抗指元件中流过某序电流时元件两端所产生的序电压降与该序电流的比值静止元件无论流过正序电流还是负序电流 并不改变相与相之间的磁耦合关系 其正序阻抗与负序阻抗相等 零序电抗较为复杂 旋转元件 各序电流流过时引起不同的电磁过程 三序电抗不相同 同步发电机各序参数 同步发电机定子绕组中流过同步频率的负序电流时 产生的旋转磁场与转子转向相反 相对转子的速度是同步转速的2倍 由电磁感应定律 转子的励磁绕组和阻尼绕组中将感应出2倍额定频率的感应电流 正常运行情况下 同步发电机定子绕组的空载电势三相对称 产生的交流电流是正序电流 电枢反应产生的旋转磁场与转子主磁通同速同方向 同步发电机正序电抗 同步发电机负序电抗 同步发电机定子绕组中流过零序电流时 合成磁场为零 只存在定子绕组的漏磁通 零序漏磁比正序漏磁小 减小的程度视绕组型式而定 同步电机零序电抗的标幺值差别较大 零序电阻和正序电阻相等 同步发电机零序电抗 变压器是静止的磁耦合元件 正 负序参数和等值电路完全相同变压器通入零序电流时 不同变压器结构的零序磁通磁路不同 不同绕组接线的零序电流回路不同 所以零序参数和等值电路不同 三相变压器各序参数和等值电路 各种接线方式双绕组变压器的零序等值电路 各种接线方式三绕组变压器的零序等值电路 三个单相变压器接成的三相变压器组 各相铁芯独立 磁通分布情况与所加电压相序无关 零序励磁电流很小 可认为激磁电抗无穷大 零序漏抗与正序漏抗完全相同 三相三柱式变压器 通入正序或负序电流时 各相主磁通均在铁芯内形成回路 所以励磁电流很小 励磁电抗很大 当通入零序电流时 三相零序主磁通大小相等相位相同 不能在铁芯中形成回路 只能通过绝缘介质和外壳形成回路 所以零序励磁电流相当大 零序励磁电抗为有限值 变压器中性点经阻抗接地的零序等值电路 单回路架空线的正 负 序阻抗 流入正序电流 电力线路序参数 单回路架空线的零序阻抗 代入 Carson定理 计算 导线 地 回路自感时 可以用一根与架空导线平行的假想地中导线代替大地 地中电流集中在假想导线中流过 设架空导线半径假想导线等值半径两平行导线间的距离 回路自感 回路自感 假想导线的等值深度 电流频率Hz 大地电导率S m 时 导线