第五章 电力系统故障分析与计算

.,本章的主要内容是简单介绍电力系统产生故障的原因、故障的种类、故障的分类、故障的危害、短路计算的目的。,讨论无限大功率电源供电的三相短路电流分析。,第五章电力系统故障分析与计算,.,第一节故障概述,故障:一般指短路和断线,分为简单故障和复杂故障简单故障:电力系统中的单一故障复杂故障:同时发生两个或两个以上故障短路:指一切不正常的相与相之间或相与地之间（对于中性点接地的系统）发生通路的情况。,故障类型（电力系统故障分析中）名称图示符号,三相短路,二相短路,f（3）f：fault,f（2）,.,单相短路接地,二相短路接地,一相断线,二相断线,f（1）,f（1，1）,.,一、短路类型,三相短路最严重，但发生的几率小，约5%两相短路发生的几率约10%单相接地短路发生的几率最高约65%两相接地短路发生的几率约20%第一种三相短路是对称短路，后三种是不对称短路,为了使电气设备在最严重的短路状态下也能可靠地工作，因此在作为选择和校验电气设备用的短路计算中，常以三相短路计算为主。,.,绝缘材料的自然老化，设计、安装及维护不良所带来的设备缺陷发展成短路。恶劣天气：雷击造成的闪络放电或避雷器动作，架空线路由于大风或导线覆冰引起电杆倒塌等。人为误操作，如运行人员带负荷拉刀闸，线路或设备检修后未拆除地线就加上电压引起短路。挖沟损伤电缆，鸟兽跨接在裸露的载流部分等。,二、短路的主要原因,电力系统的短路故障大多数发生在架空线路部分,.,(1)电流剧增：设备发热增加，若短路持续时间较长，可能使设备过热甚至损坏;由于短路电流的电动力效应，导体间还将产生很大的机械应力，致使导体变形甚至损坏。(2)电压大幅度下降，对用户影响很大。(3)当短路发生地点离电源不远而持续时间又较长时，并列运行的发电机可能失去同步，破坏系统运行的稳定性，造成大面积停电，这是短路最严重的后果。(4)发生不对称短路时,三相不平衡电流会在相邻的通讯线路感应出电动势,影响通讯.,三、短路的危害,.,四、计算短路电流的目的,短路电流计算结果是选择电气设备（断路器、互感器、瓷瓶、母线、电缆等）的依据；是电力系统继电保护设计和整定的基础；是比较和选择发电厂和电力系统电气主接线图的依据，根据它可以确定限制短路电流的措施。,为了减少短路对电力系统的危害，可以采取限制短路电流的措施：如加电抗器。,短路问题是电力技术方面的基本问题之一。掌握短路发生以后的物理过程以及计算短路时各种运行参量(电流、电压等)的计算方法是非常必要的。,.,在电力系统运行中，发生突然三相短路时，系统运行状态要发生变化，这个变化过程（即暂态过程）不仅和网络参数有关，而且还和电源的情况有关，一般来说，电力系统的电源主要是同步发电机，而同步发电机的电动势，在短路的的暂态过程中是随时间而变化的，而且分析这些电动势的变化规律是一件相当复杂的工作。不过，在某种情况下,电源的电动势在短路后暂态过程中可以近似认为是不变的,如由无限大功率电源供电的电路就属于这种情况。这里就从这种较简单的情况入手，来讨论三相对称短路。,第二节无限大功率电源供电的三相短路分析,.,一、无穷大功率电源,电源距短路点的电气距离较远时，由短路而引起的电源送出功率的变化远小于电源的容量，这时可设，则该电源为无限大容量电源。,电源的端电压及频率在短路后的暂态过程中保持不变,概念,重要特性,特点：1SS(一般在S3%S)时，S=2由于PP，f=c3由于QQ，U=c4内电抗Xs=0(XsX/3时才需计入电阻。但是在计算低压电网短路特别是低压配电线路上的短路时，则往往需要计及电阻。,采用标幺制法进行三相短路计算标幺制法又称相对单位制法，因短路计算中的有关物理量是采用标幺值即相对单位而得名。按标幺制法进行短路计算时，一般是先选定基准容量Sd和Ud基准电压。基准容量，工程设计中通常取Sd=100MVA。基准电压，通常取元件所在处的短路计算电压，即取Ud=Uc。选定了基准容量Sd电压和基准电压Ud以后，基准电流按下式计算：,.,基准电抗则按下式计算：,各主要元件的电抗标幺值的计算（取Sd=100MVA，Ud=Uc）：电力变压器的电抗标幺值,电力线路的电抗标幺值,.,由于标幺制法一般只用于高压系统的短路计算，而高压系统中，因此通常只计算电抗标幺值。求出短路电路中各主要元件的电抗标幺值以后，即可利用其等效电路图进行电路化简，计算其总电抗标幺值。由于各元件电抗均采用标幺值，与短路计算点的电压无关，因此无须进行电压换算，这也是标幺制法较之欧姆法优越之处。也由于标幺值具有相对值的特性，与短路计算点电压无关，因此工程上通用的短路计算图表往往都按标幺值编制。无限大容量系统三相短路电流周期分量有效值的标幺值按下式计算：,由此可求得三相短路电流周期分量有效值为,.,三相短路容量的计算公式为,式中Z、R、X分别为短路电路的总阻抗模、总电阻和总电抗值；Uc为短路点的短路计算电压（有的称为平均额定电压），取为线路首端电压，即取为比线路额定电压高5%（这是按最严重短路情况考虑的）。按我国电压标准，Uc有0.4kV、0.69kV、3.15kV、6.3kV、10.5kV、37kV、69kV、115kV、230kV等。,.,（5）计算出短路冲击电流和短路最大有效值电流,按要求计算出其他量。,用标幺值计算无穷大功率电源供电的短路电流的步骤:,（1）取功率基准值，并取各级电压基准值等于该级的平均额定电压；,（2）计算各元件的电抗标么值，并绘制出等值电路；,（3）网络化简，求出从电源至短路点之间的总电抗标么值；,（4）计算出短路电流周期分量有效值标幺值，再还原成有名值；,.,下图所示的系统中，电抗器末端k点处发生三相短路，试求此时故障点的稳态短路电流、短路冲击电流及短路容量的有名值。（，）。,解：1）求各元件的电抗标幺值，绘制等值阻抗图：,.,T1变压器：,5km线路：,电抗器：,等值阻抗图：,2）计算电源至短路点总的阻抗：,.,3）计算稳态短路电流的有名值：,4）短路冲击电流有名值：,5）短路容量有名值：,.,（1）电势都同相位：短路过程中各发电机之间不发生摇摆，并认为所有发电机的电势都同相位。（2）负荷近似估计：或当作恒定电抗，或当作某种临时附加电源，视具体情况而定。（3）不计磁路饱和：系统各元件的参数都是恒定的，可以应用叠加原理。,第三节电力系统三相短路的实用计算,一、三相短路实用计算的基本假设,.,（4）对称三相系统：除不对称故障处出现局部的不对称以外，实际的电力系统通常都当做是对称的。（5）纯电抗表示:忽略高压输电线的电阻和电容，忽略变压器的电阻和励磁电流（三相三柱式变压器的零序等值电路除外），加上所有发电机电势都同相位的条件，这就避免了复数运算。（6）金属性短路:短路处相与相（或地）的接触往往经过一定的电阻（如外物电阻、电弧电阻、接触电阻等），这种电阻通常称为“过渡电阻”。所谓金属性短路，就是不计过渡电阻的影响，即认为过渡电阻等于零的短路情况。,.,二、起始次暂态电流的计算,1.计算起始次暂态电流，用于校验断路器的断开容量和继电保护整定计算中,2.运算曲线法，用于电气设备稳定校验,三相短路,实用计算,含义：在电力系统三相短路后第一个周期内认为短路电流周期分量是不衰减的，而求得的短路电流周期分量的有效值即为起始次暂态电流。,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,例：电力系统接线如图，其中发电机G1：SN1，Xd”=0，E*”=1发电机G2：S