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电力系统故障分析 第一章电力系统故障分析的基本知识 第1节什么是电力系统故障 故障概述 第2节如何使故障计算更简明 标幺值 第3节最简单的故障分析是什么 无限大功率电源供电的三相短路分析 第1节什么是电力系统故障 故障概述 在电力系统的运行过程中 时常会发生故障 其中大多数是短路故障 简称短路 一 短路的概念及基本类型1 短路的概念所谓短路 是指电力系统正常运行情况以外的相与相之间或相与地 或中性线 之间的连接 2 短路的基本类型在正常运行时 除中性点外 相与相或者相与地之间是绝缘的 下l列给出了三相系统中短路的基本类型 三相短路 两相短路 单相短路接地 两相短路接地 二 短路产生的原因产生短路的主要原因是电气设备载流部分的相间绝缘或者相对地绝缘被损坏 例如架空输电线的绝缘子可能由于受到过电压 例如由雷击引起 而发生闪络或由于空气的污染使绝缘子表面在正常工作电压下放电 其他电气设备 发电机 变压器 电缆线路等的载流备份绝缘材料在运行中损坏 运行人员在线路检修后未拆除地线就加电压等误操作也会引起短路故障 三 短路对电力系统的危害1 短路对电力系统的正常运行和电气设备有很大的危害在发生短路时 由于短路对电力系统的正常运行和电气设备有很大的危害 在发生短路时 由于电源供电问路的阻抗减小以及突然短路时的暂态过程 使短路时线路中的短路电流值大大增加 可能超过该电路的额定电流许多倍 短路点距发电机的电气距离愈近 即阻抗愈小 短路电流愈大 例如么发电机端发生短路时 流过发电机定子回路的短路电流最大瞬时值可达发电机额定电流的10 15倍 在大容量的系统中短路电流可达几万甚至几十万安培 短路点的电弧有可能烧坏电气设备 短路电流通过电气设备导体时 其热效应会引起导体或其绝缘的损坏 另一方面 导体也受到很大电动力的冲击 致使导体变形甚至损坏 因此 各种电气设备应有足够的热稳定度和机械稳定度 或称动稳定度 使电气设备在通过最大可能的短路电流时不致损坏 2 短路会引起网络中电压降低短路还会引起网络中电压降低 特别是靠近短路点处电压下降很最多 结果可能使部分用户的供电受到破坏 3 可能引起并列远行的发电机失去同步系统中发生短路相当于改变了网络的结构 必然引起系统中功率分布的变化 发电机输出功率也相应地变化 因而当发电机的输入功率大于输出功率 发电机的转速将增大 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 这是短路造成的最严重的后果 4 造成对通讯系统的干扰不对称接地短路所引起的不平衡电流 产生不平衡磁通 会在邻近的平行的通讯线路内感应出相当大的电势 造成通讯系统的干扰 甚至危及设备和人身的安全 电力设计院在设计发电厂 变电所时 需要对电气接线 电气设备和载流导体进行选择 选择的依据之一就是短路计算的结果 要求设计出的系统在短路情况下有足够的热稳定度和动稳定度 配置和整定继电保护也需要进行短路计算 要想计算出系统中某一点发生短路后各处的电流电压 必须采用一些合理的假设 以简化计算 课堂花絮 电力系统故障 2003 8 14美加大停电 北美历史上最严重的停电事故 h 30h 波及美8州和加 受灾人数5000万 每天直接损失300亿美元 停电引起纽约 渥太华等多个大型城市完全瘫痪 感觉比9 11还可怕 交通瘫痪 机场关闭 恐慌抢购 露宿街头 地铁人群疏散 卫生系统停运 停电后的曼哈顿 2003年8月28号伦敦大停电 地铁停运 25万人被困地铁站 下午6点 下班高峰 持续两个多小时 近年的电力系统停电事故 2003年9 23瑞典丹麦大停电 2003年9 28意大利全国大停电 2003年中国21个省拉闸限电 2004年7月12日雅典奥运开幕前一月大停电 2005年8月18日印尼大停电 1亿多人受灾 2005年5月25日莫斯科大停电2005年9月26日中国海南电网由于台风袭击全面瓦解2006年11月4日欧洲大停电事故2008年1月25日中国雪灾导致南方数省电网崩溃 电力系统的特点 复杂性 人造的最大机器 庞大 机理复杂 每秒30万公里 发输用同时性 基础性 现代都市的基础 软肋 前沿性 大电网控制 04年被美国 技术评论 杂志评为十大开拓性新兴科技领域之一 进展 老学科 科技热点和前沿 人才需求 新能源利用 智能电网 重大需求 电力企业人才需求量上升 第2节如何使故障计算更简明 标幺值 标幺值 相对值 有名值 有单位的物理量 基准值 与有名值同单位的物理量 电力系统计算时 注意基准值要求统一 电气设备如发电机 变压器 电抗器的阻抗参数均是以其本身额定值为基准值的标幺值或百分值给出的 而在进行电力系统计算时 必须统一基准值 即要求将原来的以本身额定值为基准值的阻抗标幺值换算到统一的基准值 1 标幺制优点 基准值改变时需要换算标幺值 电抗 下标B表示统一基准值及其对应的标幺值 下标N表示设备额定值及其对应的标幺值 发电机 一般给出其额定电压 额定功率以及以额定值为基准值的电抗标幺值 1 发电机 2 变压器 变压器 一般给出其额定电压 额定功率以及短路电压百分数等 短路电压百分数和电抗标幺值的关系为 转换为统一基准值的电抗标幺值为 3 电抗器 电抗器 一般给出其额定电压 额定电流和电抗百分数等 变压器联系的不同电压等级电网中各元件参数标幺值的计算 1 用有名值计算时 把不同电压等级中各个元件的参数 如电抗 归算到一个电压等级 然后按一般电路计算 最后将计算结果再折算回到各段 即得各段的有名值 2 用标幺值计算时 先把各元件参数的有名值归算到同一个电压等级后 选定统一的基准值求各元件参数的标幺值 第三节无限大功率电源供电的三相短路电流分析 无限大功率电源 电源电压幅值和频率均为恒定 1 电源功率无限大时 外电路发生短路引起的功率改变对电源可认为无影响 因此电源的电压和频率 同步电机的转速 保持恒定 2 无限大功率电源可看作是由多个有限功率电源并联而成 因而其内阻抗为零 电源电压保持恒定 实际应用中 如果供电电源的内阻抗小于短路回路总阻抗的10 则可认为供电电源为无限大功率电源 因为此时外电路发生短路对电源影响很小 可近似认为电源电压幅值和频率保持恒定 一 暂态过程分析 一 暂态过程分析 右边的电路变成没有电源的回路 电流将从短路瞬间的值不断衰减 直至所有磁场能量变为电阻中消耗的热能 即电流变为零 一 暂态过程分析 左边电路中 每相阻抗减小 其稳态电流值必将增大 短路暂态过程的分析和计算就是针对这一回路的 短路前后的a相电流分析 短路前电路处于稳态时 a相电流为 短路前后的a相电流分析 短路前电路处于稳态时 a相电流为 发生短路时 左边回路的阻抗由减小为 因此 其稳态电流值必将增大 发生三相短路后 a相电流的瞬时值 一阶常系数 线性非齐次的常微分方程 根据该微分方程如何求取短路的全电流 发生三相短路后 a相电流的瞬时值 一阶常系数 线性非齐次的常微分方程 常微分方程的特解 稳态短路电流 又称交流分量或周期分量 发生三相短路后 a相电流的瞬时值 一阶常系数 线性非齐次的常微分方程 短路电流的自由分量电流 又称直流分量或非周期分量 积分常数C由初始条件决定 根据楞次定律 通过电感的电流是不能突变的 即短路前后瞬间的电流值必须相等 即 对于短路电流的自由分量 未知量C和Ta 积分常数C由初始条件决定 根据楞次定律 通过电感的电流是不能突变的 即短路前后瞬间的电流值必须相等 即 对于短路电流的自由分量 未知量C和Ta 如何根据a相电流获知b相和c相电流 因为三相电路对称 因此b相和c相电流分别比a相电流滞后120度和240度 即 理论总结 图形总结 理论总结短路至稳态时 三相中的稳态短路电流为三个幅值相等 相角相差120度的交流电流 其幅值大小取决于电源电压幅值和短路回路的总阻抗 在短路到稳态之间的暂态过程中 每相电流还包含有逐渐衰减的直流电流 它们出现的物理原因是电感中电流在突然短路瞬时的前后不能突变 显然 三相的直流电流是不相等的 图形总结 由图1 5可见 短路前和短路后的三相电流的交流分量均为幅值相等 相角差120度的三个正弦电流 直流分量曲线就是短路电流曲线的对称轴 即短路电流曲线的两根包络线间的垂直线的等分线 直流分量起始值越大 短路电流瞬时值越大 t 0时a相的电源电压 短路前的电流和短路电流交流分量的相量图 短路前为空载时a相的电流相量图 结论 当短路发生在电感电路中 短路前为空载的情况下直流分量电流最大 若初始相角满足 则一相短路电流的直流分量起始值的绝对值达到最大值 即等于稳态短路电流的幅值 短路冲击电流 短路冲击电流和最大有效值电流 短路冲击电流 短路电流在最恶劣短路情况下的最大瞬时值 该电流波形图 1