C5三相短路暂态过程电力系统湖南大学

1,第五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分析5-4无阻尼绕组同步电机三相短路电流计算5-5有阻尼绕组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,2,5-1短路的一般概念,一、短路原因、类型及后果1、电力系统的故障正常运行状态受到破坏故障类型,2、短路原因(1)元件损坏、绝缘老化；(2)气象条件恶化；(3)违规操作；(4)其他。,注意：短路是严重故障，可能对电力系统及设备造成严重破坏！与之比较断相故障相对轻微；短路分析是故障分析的重点！,3,5-1短路的一般概念,一、短路原因、类型及后果3、短路的类型,4,5-1短路的一般概念,一、短路原因、类型及后果3、短路的类型注意的几个基本概念(1)对称、不对称短路；(2)金属性、非金属性；(3)短路发生的几率几率大小依次为：单相接地短路、两相短路、两相接地短路；三相短路(4)危害程度：一般，与(3)相反！,5,5-1短路的一般概念,一、短路原因、类型及后果4、短路的危害短路后的基本现象电流急剧大幅增大；电压急剧大幅下降！短路电流使设备电动力稳定破坏；短路电流使设备热效应稳定破坏，严重者因其火灾；影响用户正常生产、设置损坏用户设备；引起电力系统稳定性破坏，甚至造成系统瓦解、大面积停电；负序电流引起同步发电机等设备损坏；零序电流干扰电力线路周围的通讯线路,6,5-1短路的一般概念,二、短路计算的目的短路计算是电力系统故障分析的主要内容之一！选择电气设备时的热稳定、动稳定、断路器开断能力等的校验；继电保护、安全自动装置的整定；发电厂等重要负荷母线短路残压校验，确定限制短路电流的措施；短路计算是暂态稳定计算中的基本内容之一；校验对通讯线路的干扰程度。短路计算的基本前提短路计算条件：(1)短路前的系统条件（正常运行状态）包括拓扑结构、投入设备、变压器中性点运行方式、负荷水平、潮流计算结果等；(2)短路位置、类型、继电保护与重合闸方式及其有关时限等短路计算控制信息。,7,三、故障分析中的基本假设1、假定同步发电机的转速维持不变：由于电磁暂态过程的时间很短，系统中旋转电机的机械运动变化非常微小（有惯性）；2、各发电机内电势间的相位角相对功率角变；3、异步电动机的转差率保持不变。不考虑机电的相互作用！,5-1短路的一般概念,8,5-1短路的一般概念,四、短路故障的基本分析方法,短路后的瞬间、暂态过程起始阶段：,电气量剧烈变化，采用微分方程分析，即：建立系统的微分方程模型（暂态模型），根据短路条件求解微分方程组。（以发电机机端三相短路为例进行分析）,短路后进入稳态：,各电气量幅值、相位、频率均不再变化，采用相量分析（类似于稳态计算），求解代数方程组。（对称分量法）,9,5-2无限大功率电源供电系统的三相短路分析,一、无限大功率电源的概念1、理想无限大功率电源电源功率为无限大。外电路发生任何扰动即使是短路等大扰动，电源的电压和频率（对应于同步机的转速）保持恒定。3个特点：P=f恒定；Q=V恒定，内阻抗=0；任何外部电路扰动，电源内部都不会有暂态过程！理想的无限大功率电源实质上就是“恒定电势源”用S表示2、实际应用利用S的概念简化分析计算(1)由多个有限功率电源并联组成的等值系统，扰动引起的P、Q变化，远小于等值系统功率，可以当作无限大功率电源；(2)短路时，等值系统的等值电源阻抗(“系统阻抗”)外回路阻抗的10%，外部电路短路时，等值系统母线电压近似恒定可以视为S。,10,5-2无限大功率电源供电系统的三相短路分析二、暂态过程分析,当在f点发生三相短路时，电路被分成两个独立的回路。左边回路仍与电源连接，右边回路则没有电源。,11,上图所示的三相短路，短路发生前，电路处于稳态，其a相的电流表达式为,右边回路中，电流将从短路发生瞬间的值不断衰减，一直到磁场中储存的能量全部变为电阻中所消耗的热能，电流即衰减为零。左边回路中，每相阻抗由原来的(R+R)+j(L+L)减小为R+jL，其稳态电流必将增大。,式中,12,短路后回路满足以下方程,其中,13,由于电感电流不能突变，因此有：,C值的确定,代入通解得到：,14,从而，短路全电流：,不衰减！,衰减时间常数：Ta=L/R,交流分量,衰减的直流分量,由于三相电路对称，只要用(+120)和(-120)代替式中的就可分别得到b相和c相的电流表达式,15,影响iap0的因素iap0取最大值的条件：由t=0时，a相的交流分量的相量图,a相短路电流的直流分量最大值的条件：,、=90、Im0=0、=0,即短路前为空载,最严重的短路条件！,16,三相短路电流特点总结：(1)由于电源为“无限大”，短路后暂态过程与电源内部无关，仅决定于外部短路回路特性。(2)短路后暂态过程中，每相短路电流有2种成份：强制分量：基频、交流，三相对称，幅值由电源电压决定，恒定不衰减，其值因短路时阻抗减小而比短路前正常稳态电流大得多！自由分量：直流，三相不相等；由短路瞬间电感电流不能突变而产生！以短路回路时间常数衰减，稳态短路后衰减为0！暂态过程中，三相电流并不对称！(3)短路至稳态后，稳态短路电流即为全电流中的强制分量，三相对称！(4)由于自由直流分量的存在，暂态过程中的短路全电流波形不对称于时间轴在某一瞬间将出现最大瞬时值！,5-2无限大功率电源供电系统的三相短路分析二、暂态过程分析,17,无穷大电源供电系统短路全电流波形图,交流分量不衰减！,18,(一)短路冲击电流：iim短路全电流的最大可能瞬时值对应最严重短路条件！,5-2无限大功率电源供电系统的三相短路分析三、短路冲击电流和短路全电流最大有效值,19,RTakim,5-2无限大功率电源供电系统的三相短路分析三、短路冲击电流和短路全电流最大有效值,(一)短路冲击电流影响kim的因素：,20,(二)短路全电流最大有效值(1)短路全电流有效值：It,21,（2）短路全电流最大有效值Iim最严重短路条件下、第1个周期的It且在短路后半个周期时出现,22,短路功率=短路电流有效值短路处正常工作电压(一般用平均额定电压),5-2无限大功率电源供电系统的三相短路分析四、短路功率,St也称短路容量用于校验开关的切断能力开关不仅要开断短路电流，而且在开断短路电流后，其触头要承受正常工作电压。,23,5-3无阻尼绕组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,a、b、c、f、D、Q6个绕组有磁耦合，定子绕组同转子绕组间有相对运动突然短路的冲击电流可能达到额定电流的十几倍，对电机本身和有关电气设备都可能产生严重影响。,突然短路时：定子电流急剧变化，电枢反应磁通随着变化，并在转子绕组中感应电流反过来影响定子电流的变化。定子、转子绕组电流相互影响是同步电机突然短路暂态过程区别于稳态短路的显著特点；也正由于此，其暂态过程比无限大电源供电系统三相短路后的暂态过程复杂得多！。,稳态运行时：电枢磁势的大小不随时间而变，在空间以同步转速旋转，同转子相对静止，转子绕组中无感应电流。,24,二、分析的基本原理与方法,理论基础：回路磁链守恒原则。对于超导体闭合回路，任何扰动后都将具有“维持所环磁链永久不变”的特性；对于实际有电阻的线圈回路，在任何扰动瞬间都将维持其所环磁链不突变楞次定则！,分析方法：(1)电机存在多个互感耦合的绕组电阻相对较小首先作超导回路对待；(2)基于磁链守恒原则，确定在突然短路暂态过程中将有哪些电流分量?具有何种变化规律(自由电流、强制电流)?(3)计及电阻，确定各电流分量的衰减规律。假设：同步电机是理想同步机转速不变，参数用标幺值表示。,5-3无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析,25,分析方法与思路：先不计绕组电阻，磁链守恒各绕组电流分量及初值；后计电阻，确定各电流分量的衰减！,三、无阻尼绕组的G的f(3)物理分析,26,三、无阻尼绕组的G的f(3)物理分析,定子各绕组磁链基频周期！,27,(1).同步频率的交流（基频电流），共同产生同步旋转的磁势Fa，作用于定子绕组产生交变磁链抵消转子主磁场对定子各绕组产生的交变磁链；,(3).转子dd轴和qq轴不同，只有在恒定磁势上增加一适应磁阻变化的，有两倍频率的交变分量（倍频电流），与直流分量共同作用维持初值不变。,定子：,(2).恒定电流（直流），三相共同产生在空间静止的磁势F0。维持定子各绕组磁链初值不变；,28,(1).定子电流电枢反应位于转子d轴的负方向纯去磁性反应。维持磁链不变励磁绕组产生直流电流，与原励磁电流同，使励磁磁场加强。,(2).定子直流产生的静止磁场，对转子绕组产生同步频率的交变磁链。为抵消定子的直流和倍频电流产生的电枢反应，转子将出现同步频率的电流。,附加直流分量产生的磁通要穿入定子绕组定子基频电流的增长f(3)定子电流远大于稳态短路电流的原因。,转子：,转子基频电流脉振的磁场分解为相对于转子以旋转的正反磁场；其中：反转与定子绕组相对静止定子绕组直流分量；正转与定子两倍同步速旋转定子倍频电流为抵消之而生。解释了定子的直流和倍频分量的机理。,29,30,短路电流构成小结：,5-3无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析,31,5-4无阻尼绕组同步发电机三相短路电流计算一、暂态等值电路暂态电势、暂态电抗,32,5-4无阻尼绕组同步发电机三相短路电流计算一、暂态等值电路等值隐极机,33,5-4无阻尼绕组同步发电机三相短路电流计算一、暂态等值电路相量图,应用：例5-1,34,5-4无阻尼绕组同步发电机三相短路电流计算二、不计衰减时的短路电流,1、定子基频交流和f-f直流电流设：空载短路i、if0、ifa共同作用，保持各相定子绕组磁链为0、f-f初值f0,定子稳态短路电流：,定子基频d-d直流,定子基频自由电流：,注意：q0=0定子基频电流q轴分量=0,35,5-4二、不计衰减时的短路电流,2、定子iap、i2、转子if,令：f=0、a=a0(b、c类似),36,5-4二、不计衰减时的短路电流,3、短路全电流,37,5-4三、自由电流的衰减,38,基本原则：负荷状态下突然短路，仍然必须满足绕组磁链守恒原则：(1)定子绕组基频交流(i)、转子绕组直流(if0、ifa)共同作用保持各相定子绕组磁链为0、f-f初值f0(2)定子绕组直流(iap)和倍频分量(i2)、转子绕组基频交流分量(if)共同作用保持各相定子绕组磁链为初值、f-f绕组f0分析方法：与空载短路相同关键要点：(1)定子各相基频交流d-d直流转子直流(2)定子各相直流、倍频交流d-d、q-q基频交流转子基频交流(3)Eq0、Eq0由短路前稳态确定必须计及负荷电流影响！(4)f0由短路前稳态确定,5-4四、负荷状态下的突然短路,39,5-4四、负荷状态下的突然短路,(1)定子各绕组基频交流(i)、转子绕组直流(if0、ifa),40,5-4四、(2)定子各绕组直流、倍频交流、转子绕组基频交流,由稳态相量图，0=V0abc0：,式(532)(534),41,5-4四、(3)各绕组总电流：(1)+(2)Park逆变换,注意：本节分析均对应于机端短路。当短路不在机端，应作如下修正：(1)V0应为短路点的短路前稳态运行电压；(2)电抗xd、xd、xq中，都要加上发电机的外回路电抗！(4)各时间常数也要考虑外回路电抗！,42,5-5有阻尼绕组同步电机的突然三相短路,一、突然短路的物理过程,与无阻尼绕组比较相同点：各绕组电流成分相同（相似）：不同点：d轴方向d-d、f-f、D-D共同维持各绕组磁链不突变q轴方向有q-q、Q-Q共同维持各绕组磁链不突变各绕组电流成分及其对应关系与变化规律如下：,Ta,Td、TdTq,43,5-5有阻尼绕组同步电机的突然三相短路,二、次暂态电势、次暂态电抗,1、d轴磁链平衡等值电路、等值参数,q轴次暂态电势：,d轴次暂态电抗：,44,5-5有阻尼绕组同步电机的突然三相短路,二、次暂态电势、次暂态电抗,2、q轴磁链平衡等值电路、等值参数,d轴次暂态电势：,q轴次暂态电抗：,45,5-5有阻尼绕组同步电机的突然三相短路,二、次暂态电势、次暂态电抗,3、稳态相量图和等值隐极机,46,5-5有阻尼绕组同步电机的突然三相短路,二、次暂态电势、次暂态电抗,4、等值电势之间的关系,47,基本分析方法：与无阻尼绕组相同磁链守恒原则(1)定子绕组基频交流(i)、转子绕组直流(if0、ifa)共同作用，保持各相定子绕组磁链为0、f-f初值不变为f0(2)定子绕组直流(iap)和倍频分量(i2)、转子绕组基频交流分量(if)共同作用保持各相定子绕组磁链为初值、f-f绕组f0,5-5有阻尼绕组同步电机的突然三相短路三、短路电流分析,48,(1)定子基频、转子直流分量,5-5有阻尼绕组同步电机的突然三相短路三、短路电流分析负载短路,49,5-5有阻尼绕组同步电机的突然三相短路三、短路电流分析负载短路,(1)定子基频、转子直流分量,定子基频稳态分量：,定子基频自由分量：,50,5-5有阻尼绕组同步电机的突然三相短路三、短路电流分析负载短路,(1)定子基频、转子直流分量,f-f直流自由分量：,D-D直流自由分量：,Q-Q直流自由分量：,51,5-5有阻尼绕组同步电机的突然三相短路三、短路电流分析负载短路,(2)定子直流（倍频）、转子基频分量,定子：,转子：,52,5-5有阻尼绕组同步电机的突然三相短路三、短路电流分析负载短路,(3)绕组全电流定子电流,(Park)-1变换,53,5-5有阻尼绕组同步电机的突然三相短路三、短路电流分析负