电力系统故障分析培训课件

第二章电力系统故障分析,第一节三相短路,一、次暂态短路电流（短路电流周期分量起始值）实用计算1次暂态短路电流我们构造发电机次暂态电势：认为发电机在短路前后瞬间保持不变，作为短路计算时发电机的等值电势。而以发电机直轴次暂态电抗xd”作为短路时发电机等值电抗。发电机机端至故障点的电抗为xe则次暂态短路电流：,对于负荷，我们根据情况有多种处理方式：电动机负荷作为短路电流提供者当系统的负荷为异步电动机时，异步电动机可能向短路点提供短路电流，其机理类似于发电机或调相机。由于正常运行时，负荷电流总是流向电动机，故：（x”为电动机次暂态电抗）则只有短路后机端电压小于E”时电动机才送出短路电流。一般工程中只考虑，当三相短路发生在大容量电动机机端时，该电动机提供短路电流。,负荷不作为短路电流提供者一般当三相短路不发生在大容量电动机机端时，均不将负荷作为短路电流提供者。对故障前的负荷：考虑：由欧姆定律计算各电源E|0|”，即是考虑了正常情况下负荷的影响。不考虑：因正常负荷电流远远小于短路电流，则认为故障前空载。空载时，全网各处电压、电势相等，则各电源的次暂态电势等于故障点未故障时的电压。即：更进一步假设：正常运行时，各点电压、电势均运行于平均额定电压附近。有：,对故障后的负荷：考虑：将其作为恒定阻抗，并计入系统总阻抗。如故障前，某负荷为P+jQ，运行电压为UD|0|。其阻抗：不考虑：认为负荷阻抗为无穷大。（负荷阻抗一般远大于线路、变压器等元件的电抗）,以下图所示系统在f点三相短路为例：当故障前后均不考虑负荷时，对电网进行化简：则：当采用假设：，有：即系统中任何一点发生三相短路，短路电流的标幺值为从该点看进去全网总阻抗的倒数。上述结论具有普遍意义。,2短路容量电力系统短路电流水平，通常用短路容量（短路功率）表示。短路容量定义为：某点发生三相短路时的次暂态电流乘以该点的额定电压。其有名值公式：用平均额定电压代替UN：即采用标幺值时：,3冲击电流和最大有效值电流：短路前后，交流电流瞬时值一般不同，而电感元件电流不能突变。则短路后电路应感应出短路电流非周期分量，该分量按指数衰减。非周期分量起始值越大，短路电流总电流瞬时值越大。非周期分量起始值最大情况下的最大瞬时值电流，我们称为短路冲击电流；其全电流在以冲击电流为中心的一个周期内的有效值，我们称之为最大有效值电流。在工程计算中：冲击电流：（KM：冲击系数，一般取KM=1.81.9）当短路发生在大容量发电机（12MW以上）供电的母线上，KM=1.9；当短路发生在其它地点，则KM=1.8最大有效值电流：,限制三相短路电流的措施,短路电流超标的原因：电源建设、电网建设限制措施：1）电网分层分区运行2）母线分裂运行3）500kV线路出串运行4）串联电抗器或短路电流限制器5）陪停机组、主变、线路,第三节不对称短路,一、对称分量法三相不对称的电流、电压，可将它们分解，有所谓正序、负序、零序电流、电压。,复数运算因子：有：,二、对称分量法在不对称短路中的应用以电网f点发生a相金属性单相接地为例：故障点有对地不对称电流、电压：,任何不对称短路在故障点均产生不对称电流、电压，将其分解为三序分量：,将电网分解为三序网（电源电抗计入电网总阻抗）：正序网：只有正序电流、电压（电源只有正序电势）负序网：只有负序电流、电压（电源无负序电势）,零序网：只有零序电流、电压（电源无零序电势）正序网中：正序电压、电流三相对称，可取其单相等值电路进行分析。另：发电机电势在近似分析中，取故障点正常运行时电压。,负序网中：负序电压、电流三相对称，可取其单相等值电路进行分析。另：发电机无负序电势，负序网无源。零序网中：零序电压、电流三相大小相等，方向相同，可取其单相等值电路进行分析。另：发电机无零序电势，零序网无源。,三、三序电网,上面的x1、x2、x0、为电网三序总电抗，通过作三序网等值电路求取。正序网：对于一个电力系统，故障发生时，正序电流流通的路径构成了正序网，正序网与三相短路时（正常运行时）的等值电路相同，且各元件参数也相同。负序网：故障发生时负序电流流通的路径构成了负序网，负序网的结构与正序网相同（负序网无源）。静止元件负序参数与正序参数完全相同旋转元件负序参数与正序参数有所不同。对于一个电力系统而言，往往我们近似认为系统正序总阻抗与负序总阻抗相等，即x1=x2。,零序网：故障发生时零序电流流通的路径构成了零序网，由于零序电流三相大小相等、方向相同，并非三相对称交流，故零序网的结构与正序网有很大的不同，只有在中性点有效接地系统，即只有在设备接成星形接地的接法时，零序电流才得以流通，而在中性点不接地系统，零序电流没有流通回路。各元件的零序阻抗，也与正序参数不尽相同。电力系统中，变压器的接线形式对零序网的结构有很大影响，当然，只有星接地接法的变压器可能流通零序电流。,YN,yn变压器,零序总电抗为：非三相三柱式变压器：（xm0=）,YN,y变压器非三相三柱式：xT0=,YN,d变压器非三相三柱式：,三绕组变压器和自耦变压器（中性点直接接地）可以看成两个双绕组变压器的组合由于三绕组变压器，为消除三次谐波磁通的影响，一般总有一个d绕组，自耦变当连接三个电压等级时，为YN,a0,d接线，故均可以不计入xm0。YN,yn,d：,YN,a0,d：,YN,yn,d、YN,a0,d零序电路,YN,y,d：,零序电路,YN,d,d：,零序电路,变压器中性点经小阻抗zn接地双绕组及三绕组变压器,YN,a0,d自耦变中性点经小阻抗zn接地（UIN，UIIN为变压器YN侧及a侧额定电压）,变压器零序网制作总结,以双绕组为例：开关位置1：悬空，阻抗无穷大开关位置2：与外电路接通开关位置3：接地,线路的零序电抗线路的零序电抗，总是大于其正序电抗。建成线路一般通过实测取得。不对称接地短路发生在双回线线中xI-II0：双回线单位长度零序互阻抗xI0、xII0：双回线各自的单位长度零序自阻抗,举例说明电网在f点发生不对称接地短路时三序网,正序网：,负序网：,零序网：,四、不对称短路分析根据前述三序网，很方便写出序网方程,a相金属性单相接地边界条件为：三序条件下的边界条件：,复合序网图故障点三序电流：故障点三序电压：三序变换为三相求故障点故障相电流和非故障相电压,故障相电流分析：考虑电网有x1=x2，对比单相短路和三相短路故障相电流取,系统零序总阻抗大于正序总阻抗时，单相接地短路电流小于三相短路；系统零序总阻抗小于正序总阻抗时，单相接地短路电流大于三相短路；,非故障相电压分析：零序总阻抗大于正序总阻抗，非故障相电压上升零序总阻抗小于正序总阻抗，非故障相电压下降,a相金属性接地的电流、电压相量图：,限制单相短路电流的措施,单相短路电流大于三相短路电流的原因：零序电抗小于正序电抗。限制措施：1）合理安排中性点接地数目2）220kV主变采用三圈变3）中性点经小电抗接地,两相短路（bc两相金属性短路）边界条件为：三序条件下的边界条件：,复合序网图,故障点三序电流：,故障点三序电压：,故障相电流分析,考虑电网有x1=x2，并对比两相短路和三相短路故障相电流,则两相短路电流小于三相短路，为三相短路电流的倍。,电压分析（x1=x2）非故障相：非故障相电压故障前后保持不变。故障相：故障相电压较故障前后降低一半。,bc两相金属性短路的电流、电压相量图,两相短路接地（bc两相金属性短路接地）边界条件为：三序条件下的边界条件：,复合序网图,故障点三序电流：,故障点三序电压：,故障相电流分析（当各序阻抗为纯电抗，且x1=x2）取：,系统零序总阻抗大于正序总阻抗时，两相接地短路电流小于三相短路；系统零序总阻抗小于正序总阻抗时，两相接地短路电流大于三相短路；流入大地的电流：,（中性点不接地系统）,非故障相电压分析系统零序总阻抗大于正序总阻抗时，两相短路接地后非故障相电压上升；系统零序总阻抗小于正序总阻抗时，两相短路接地后非故障相电压下降；,bc金属性两相短路接地的电流、电压相量图,正序增广网列举以上四种短路时正序电流的公式：,统一以上四种短路的正序电流的公式：x：不同短路时的附加电抗。三相短路f(3)：x=0单相短路f(1)：x=x2+x0两相短路f(2)：x=x2两相短路接地f(1,1)：x=x2/x0根据上式可作正序增广网：,正序等效原则：电网中f点发生短路的正序电流，相当于正序网中在f点经附加电抗x后发生三相短路的电流。利用正序增广网可以应用运算曲线求不对称短路后任意时刻的短路电流。求出正序电流后，可根据：求故障相短路电流。,第二节中性点接地方式,一、概述中性点接地方式的选择应考虑：供电可靠性与故障范围，绝缘水平与绝缘配合，对继保的影响，对通讯与信号系统的干扰，对稳定影响等。中性点接地方式分为：有效接地系统：X0/X13，且R0/X11包括：中性点直接接地、中性点经小阻抗接地非有效接地系统：X0/X13，或R0/X11包括：中性点不接地、中性点经消弧线圈接地、中性点经高阻抗接地,220kV及以上电网，首先考虑绝缘问题，采用有效接地系统。66KV及以下的电网，由于绝缘投资不大，从供电可靠性考虑，采用非有效接地系统。110kV154kV的电网，大多数国家采用有效接地系统，也有采用消弧线圈接地的方式，我国采用的中性点有效接地。近年来，一些大、中城市大力发展电缆，形成了以地下电缆为主的配电网。对于电缆配电网，由于地下电缆故障率低，开始考虑采用中性点经低阻抗接地的方式，这样可以使电缆投资降低，而供电可靠性可以通过采用环网供电方式、配网自动化等等得以提高。,二、中性点有效接地系统中性点有效接地系统的最大优点是系统的过电压水平及设备所需绝缘水平较低，但中性点系统发生单相短路时，接地电流很大，必然引起断路器跳闸，供电可靠性较低。110kV220kV系统，为减小单相接地短路电流，降低变电所接地装置投资以及满足保护等方面的要求，往往把一部分变压器中性点直接接地，其余变压器不接地的方式；也可采用中性点经小电抗接地的方式，只要满足X0/X13且R0/X11，仍为有效接地系统。另外，在高压、超高压系统，有采用中性点经小电阻接地的方式，以提高系统的暂态稳定性。,我省变压器中性点接地方式的规定,变电所的自耦变中性点因绝缘要求均直接接地。变电所只有一台普通变时，这台主变接地运行；当有两台或三台普通变时，仍保持一台主变接地运行，其它不接地运行；当有四台普通变时，则要求I、II段母线或正副母线上各保持一台主变接地运行，其它不接地。普通变一般要求主变高、中两侧同时接地运行或不接地运行。当220kV变电所的220kV母线分裂运行，要求220kV每段母线上均有一台主变接地运行。当变电所220kV母线合环运行，110kV母线分裂运行时，一段母线上的一台主变220kV和110kV侧同时接地运行，另一段110kV母线上的一台主变220kV侧不接地，110kV侧接地运行。发电厂主变的接地方式应不随机组的开停而发生变化，具体接地方式根据电厂具体情况而定。,变压器中性点接地方式变化对保护的影响,变压器中性点接地方式改变时，会影响系统零序电流的大小和分布，可能造成零序保护范围超越、保护灵敏度不足、与相邻线路零序保护失配等问题。针对这一问题，在零序保护的整定计算中适当考虑了变压器中性点接地方式改变对零序保护定值的影响，当变电所的中性点接地数目比正常方式少一个时，零序保护定值不需调整；变电所的中性点接地数目比正常方式少二个时，零序保护定值应作校核。,变压器中性点正常接地方式改变后的处理方案,当变电所（或电厂）的接地普通变检修停运时，根据接地方式规定将另一台不接地的普通变压器接地运行，保证接地点的数目保持不变。当变电所（或电厂）的一台自耦变检修停运时，由于保护整定计算时已经考虑到这种N-1的方式，因此保护定值不需调整。但此时一般不允许该变电所（或电厂）再停一回线路。如果两台及以上自耦变同时检修停运或者变电所（或电厂）无变压器接地运行，需通知继保人员对保护进行校核。,三、中性点非有效接地系统1中性点完全不接地系统中性点不接地系统，单相短路时存在电容电流IC。当系统线路较短时，IC不大，不会形成稳定接地电弧，电弧能在电流瞬时值过零时迅速自熄。但当线路很长时，IC很大，接地电弧不能自熄，可能转变为断续电弧，则需改用其他接地方式，如经消弧线圈接地。中性点不接地系统的缺点是其最大长期工作电压和过电压水平较高，特别是有断续电弧接地过电压的时危险，所以系统的绝缘水平必须较高。另实现灵敏而有选择性的接地保护也有困难。中性点不接地方式只适用于电压等级低（35KV及以下），系统线路总长度较短的电网。,2中性点经消弧线圈接地66kV及以下电网，是否采用消弧线圈补偿，应由单相接地时的电流大小决定。当单相接地故障电容电流不超过下列数值时，应采用不接地方式，而超过下列数值又需要在接地故障条件下继续运行时，应采用消弧线圈接地方式：310kV钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路构成的系统和所有35kV、66kV系统为10A。310kV非钢筋混凝土或非金属杆塔的架空线路构成的系统，对3kV和6kV系统，为30A；10kV系统，为20A。310kV电缆线路构成的系统为30A。消弧线圈其实是一种特殊的电抗器。电抗器被调整至在单相接地故障时，基频电感电流基本抵消基频电容电流，此系统又称谐振接地系统。这样，单相接地电流被补偿至最小的数值，便其难以维持，且在电流过零值，电弧熄灭后，还能显著减小故障相电压的恢复，减少电弧重燃的可能。,单相接地时，补偿的电感电流：当IC=IL时，称为全补偿。一般为避免谐振，不采用全补偿方式。脱谐度：0：欠补偿0：过补偿应足够大，以偏离