《电力系统暂态分析》第一章提纲.doc

第一章 电力系统故障分析的基本知识第一节 概述一、故障1定义：指非正常的运行。2分类第一种分类法，分为 （1）简单故障：值某一时刻一处发生故障。（2）复杂故障：指某一时刻两处及以上同时发生故障。第二类分类法，分为（1）短路（又称横向故障）。又可分为三相短路：属对称性故障，用符号表示，发生概率是5%。两相短路：属不对称性故障，用符号表示，发生概率是10%。单相接地短路：属不对称性故障，用符号表示，发生概率是65%。两相接地短路：属不对称性故障，用符号表示，发生概率是20%。（2）断线（又称纵向故障，也称为非全相运行）。又可分为一相断线：属不对称性故障。两相断线：属不对称性故障。3归纳（1）形式上分：短路故障和断线故障，或简单故障和复杂故障。（2）分析方法上分：不对称故障和对称故障。（3）计算方法上分：并联型故障(复合序网并联的情况)和串联型故障（复合序网串联的情况）。二、短路是电力系统最常见、也是最严重的故障。1定义：指正常情况以外的相与相或相与地（对于中性点接地的系统）之间的连接。2原因根本原因：电气设备载流体部分相与相之间或相与地之间绝缘被损坏。具体原因：包括客观原因和主观原因。客观原因有：绝缘材料自然老化，雷击造成的闪络放电或避雷器动作；污染造成绝缘子在正常工作电压下放电；大风或覆冰引起电杆倒塌，动物跨接，树枝碰线等。主观原因有：设计、安装及维护所带来的设备缺陷，挖沟损伤电缆，人为误操作（如检修后未拆接地线加压、带负荷拉刀闸等）等。3危害（或后果）可以从短路时五个方面的现象来说明。（1）现象：短路电流急剧增大。危害：电气设备发热增加，可能过热损坏。载流体间机械力加大，变形甚至损坏。（2）现象：短路点产生电弧。危害：高温，可能烧坏电气设备。（3）现象：电力网络电压下降。危害：系统最主要负荷异步电动机转矩减小，影响用户正常工作，造成减产、停产、产品质量下降。（4）现象：电网结构改变，引起功率分布变化。危害：发电机输入输出功率失衡，转子加速，有可能引起并列运行的发电机失去同步，造成系统稳定破坏，进而系统解列，引起大面积停电。这是短路造成的最严重危害。（5）现象：接地短路产生不平衡电流。危害：不平衡电流产生不平衡磁通会在邻近的通讯线路上感应出很大的电动势，干扰通讯。甚至危及设备和人身安全。4限制短路电流的措施（1）最主要措施：迅速隔离短路部分，即继电保护断开短路点两端断路器。由于大部分属瞬时故障，因此广泛采用自动重合闸措施。所谓自动重合闸：短路后断路器迅速断开，使故障部分与系统隔离，经一定时间再合上断路器。对于瞬时性故障，重合成功，系统恢复正常运行；如果是永久性故障，合上后短路仍存在，则须通过“后加速”再次快速断开断路器。由于多数故障是瞬时性故障，所以重合闸成功率很高，达到90%以上。（2）线路上装设电抗器。5计算短路电流的目的计算短路时系统电压、电流分布。（1）选择电气设备。（2）校验电气设备。（3）为比较和选择电气主接线提供依据。（4）为继电保护设计和整定提供依据。（5）确定限制短路电流的措施。（6）事故分析。第二节 标幺值一、标幺值的概念1定义：2对标幺值的理解（1）并非新鲜事物，日常生活经常使用。【例1-1】今年产量同比增长10%，意思是把去年的产量当作1来看，今年产量增加0.1（即10%）。（2）用标幺值来表示一个量，就是把这个量和一个基准量去比较，并把基准量当作1个衡量单位来看待。（3）同一个实际值，当所选的基准值不同时，标幺值也就不同。所以当我们说一个物理量的标幺值时，必须同时说明是以什么作为基值，否则光说一个标幺值是没有意义的。3采用标幺值的优点（1）易于比较电力系统各元件的特性及参数。【例1-2】一台额定值为110kV、10MVA的变压器，短路电压为。另一台额定值为10.5kV、7.5MVA的变压器，短路电压为。 两台变压器的短路电压实际值相差很大，不好比较。如果都取它们各自的额定电压作为基准值，则其标幺值为 说明它们的短路电压都是额定电压的10%左右。（2）便于判断电气设备的特性和参数的好坏。【例1-3】如果运行中的发电机端电压是10.5kV，相电流是1kA，从这些数值不能断定运行情况是否正常。但如果得到的数据是以发电机额定值作为基准值的标幺值，则立即可断定发电机运行完全正常。（3）简化计算。二、标幺值的基本公式设电阻、电抗、阻抗的基准值为。则 ； 设电流、电压、功率的基准值为、。则 ； ； 【例1-4】三、基准值的选取三相交流电路短路电流计算中使用的物理量有4个：电压、电流、功率和阻抗。所以，基准值也有4个，即电压基值、电流基值、功率基值和阻抗基值。原则上基准值可随意选取，但实际上为了计算的方便，基准值的选择必须遵守一定的约束。具体而言，对于三相交流短路， 、和之间有如下关系 （1-4）如果选定各量基准值满足以下约束关系 （1-5）则有 （1-6）即在标幺值条件下，三相电路的关系式类似于单相电路。意义：只要遵守（1-5）的约束关系，虽然计算用的是一相的等值电路，其中某点的电压和功率本来只代表该点的相电压和一相的功率标幺值，但同时又代表该点的线电压和三相总功率的标幺值，只不过要注意换算成有名值时它们的基准值是不一样的。这样给三相系统的计算带来很大的方便。由于必须满足（1-5）的约束关系，4个物理量基准值中只有2个是独立的，可以预先任意选定其中2个，另2个须由（1-5）是导出。在电力系统计算中，习惯上预先选定基准功率和基准电压，则基准电流和基准阻抗分别为 （1-7）工程惯用值：MVA或MVA；或。 四、标幺值的换算1问题的提出 电力系统各元件出厂时均会给出参数的标幺值，这些标幺值是以元件本身的额定值作为基准值来表示的，而在电力系统计算时，必须取统一的基准值。因此必须进行标幺值的换算。2换算公式设以元件本身额定值为基准值表示的标幺值电抗为；以统一选取的基准值表示的标幺值电抗为。则按定义有 （1-8）可得 （1-9）额定容量小，则电抗大：小机组、小变压器的电抗大；大机组、大变压器的电抗小。简单网络计算，若选取，则可减少参数计算量。3系统主要元件电抗标幺值换算公式各元件给出的形式不同，从而转换公式的形式也不同。发电机：已知（小数形式） 变压器：已知，为短路电压百分值 电抗器：已知，为电抗百分值 输电线：已知每公里电抗值，线路长度 五、多级电压系统中元件参数标幺值的计算1问题的提出电力系统有多个电压等级，通过变压器互联。由于各级电压不同，在统一选定某一电压等级电网基准电压后，各级的基准电压、从而各级的基准电流和基准阻抗也不同，它们与变压器的变比有关。2计算方法根据选用的变压器变比的方式不同，分为：准确计算法和近似计算法。（1） 准确计算法采用变压器的实际变比。一般用于潮流计算、稳定计算和要求准确的故障计算。计算步骤如下：选定基准功率。选定某一电压等级电网的基准电压。按变压器的实际变比计算各电压等级电网的基准电压、。计算各电压等级电网的基准电流和基准阻抗 ； ；按各电压等级的基准阻抗，计算各电压等级电网元件阻抗的标幺值。（2） 近似计算法采用变压器的平均变比。一般用于短路电流实用计算。平均变比：两电压等级的额定电压的平均值（称为平均额定电压，简称平均电压）之比。平均电压：一般取接在某级电网的升压变压器和降压变压器额定电压的平均值。通常升压变压器额定电压比电网额定电压高10%，降压变压器额定电压为电网额定电压。所以，如果设为电网的额定电压，则平均电压我国电力系统中常用的各电压等级的平均电压规定如下：3610351102203305003.156.310.537*115*230*345*525采用平均变比后，当基准段的基准电压取该段的平均电压时，任何一段的基准电压就等于该段的平均电压，从而不必再折算各段的基准电压。计算步骤如下：选定基准功率。计算各电压等级电网的基准电流和基准阻抗 ； ； ；按各电压等级的基准阻抗，计算各电压等级电网元件阻抗的标幺值。采用平均变比和平均电压概念后，相当于把各级额定电压当成平均电压来对待。这样一来，系统主要元件电抗标幺值换算公式也得到简化，即 容量大，则电抗小电抗器：电抗器作为限制短路电流用，为保证其参数的准确性，仍采用准确计算公式，这是一个特例。即输电线： 电压越高，则电抗越小。电抗与电压的平方成反比。【例1-5】如图1-1所示输电系统，试画出其等值电路并计算各元件参数的标幺值。【解】（1）准确计算法。等值电路为选第段为基本段，并取、。则其他两段的基准电压为 各段的基准电流为 各元件电抗标幺值为发电机： 变压器： 线路： 变压器： 电抗器： 电缆： 电源电动势标幺值为 （2）近似计算法。等值电路为仍取。则各段的基准电压和基准电流为 ； ；各元件电抗标幺值为发电机： 变压器： 线路： 变压器： 电抗器： 电缆： 电源电动势标幺值为 六、频率、角速度和时间的基准值频率角速度弧度/秒时间秒，其物理意义是：以同步转速旋转一个弧度所需要的时间。 据此有 当时，还有以下关系 有名值 标么值 第三节 无限大功率电源供电的三相短路电流分析一、无限大功率电源的概念这是一个相对的概念，客观上不存在无限大功率电源。当一个电源容量比另一个电源容量大810倍以上时，大者可认为是无限大功率电源。无限大功率电源，当外电路发生短路（一种扰动)所引起的功率改变是微不足道的。即 从而有 ；基于此，无限大功率电源有如下性质：（1）频率不变。（2）端电压不变。（3）功率无穷大。（4）内阻抗为零。二、暂态过程分析讨论点发生三相短路的情况。电源电动势为式中：电源电势的初始相角三相短路是对称性短路，因此可仅取一相（例如相）进行分析。由短路后相电路写出方程式 应用经典法求解微分方程式。第一步：求短路前的相电流 式中： 短路前回路的电流幅值短路前回路的功率因数角第二步：求短路时的a相电流 式中： 短路后回路的电流幅值； 短路后回路的功率因数角； 短路后回路的时间常数； 非周期分量初始值，是一个待定常数。对和的理解如下：（下标pparticular，aa相） （下标aalways，aa相）微分方程的特解微分方程的通解短路电流稳态分量短路电流暂态（衰减）分量周期分量（基频交流分量）非周期分量（直流分量）强迫（制）分量自由分量一定产生，由短路后回路电动势和回路阻抗决定为了保持感性回路磁链不突变而产生第三步：求常数根据楞次定律：短路瞬间，电感回路磁链（从而回路电流）不能突变。便有所以，三相短路为三、短路电流波形解析 由图可见：（1）短路电流由两部分组成：周期分量和非周期分量。（2）周期分量是短路电流的稳态分量（基频交流分量），是强制分量，由短路后电路的电源强制产生。（3）非周期分量是短路电流的暂态分量（衰减直流分量），是自由分量，是为了保持短路瞬间感性回路磁链不变而产生。当时，非周期分量为零；当 时，非周期分量不衰减，即变成直流分量超导体就会出现这种情况。（4）由于非周期分量的存在，波形出现不对称，而非周期分量曲线本身即为波形对称轴。这样，非周期分量起始值越大，短路电流瞬时值就越大。（5）非周期分量起始值在电源电压幅值与短路回路阻抗恒定的情况下，与电源电压的初始相角（相当于在时刻发生短路）和短路前回路电流值有关。（6）非周期分量出现最大值的条件是1）短路前空载，即；2）短路时。此时，全电流表达式为 五、冲击电流1. 定义：最恶劣条件下最大短路电流瞬时值，以表示。简言之，短路电流最大可能的瞬时值。2. 表达式由上图可知：出现在（即秒）时刻，代入全电流表达式得： 式中：=冲击系数； 短路电流周期分量的幅值； 短路电流周期分量的有效值。 ，在工程实用计算中，一般取1.81.9。短路点于近电源点时取1.9；远电源点时取1.8。当时，。当时，。3使用场合：用于校验电气设备和载流体的动稳定性。六、最大有效值电流1定义：任一时刻的短路电流的有效值，是以该时刻为中心的一个周期内瞬时电流的均方根值。即 （在此，设在该周期内不变，即非周期分量不衰减） 2表达式由上图可知：最大有效值电流也出现在（即秒）为中心的一个周期内，则 当时，。当时，。3使用场合：用于校验电气设备和载流体的热稳定性。七、短路容量1定义：短路电流有效值与该点短路前电压（一般取为额定电压，在近似计算中取为平均额定电压）的乘积，又称为短路功率。用有名值表示时为 用标幺值