电力系统故障分析专题知识讲座

第二章电力系统故障分析电力系统故障分析专题知识讲座第1页第一节标幺制

一、标幺值定义：二、基准值选取选定各基准值之间应符合各种三相电路定律：如：前两式相除：类似单相电路电力系统故障分析专题知识讲座第2页只需选择两个基准值：SB(MVA)、UB(kV)则：三、基准值改变时标幺值换算电力系统各电气设备阻抗参数是以其本身额定值为基准值标幺值（或百分值）。电力系统计算时，必须取统一基准值。对电抗X：则：电力系统故障分析专题知识讲座第3页四、变压器联络不一样电压等级网络中各元件参数标幺值计算１．准确计算法选定电网功率基准值SB和基本电压级电压基准值UB。方法１：各元件参数有名值归算至基本电压级，以SB和UB求各元件标幺值。方法２：由基本电压级电压基准值UB，按连接不一样电压等级变压器实际变比，计算出其它各电压等级电压基准值，各元件参数无需归算至基本电压级，直接以SB和其所在电压等级电压基准值，换算到标幺值。推荐使用方法２２．近似计算法忽略变压器实际变比，假定变压器变比为各电压等级平均额定电压之比。各电压等级平均额定电压：（约为电网额定电压1.05倍）电力系统故障分析专题知识讲座第4页电网额定电压（kV）361035110220330500平均额定电压（kV）

3.156.310.537115230345525则：电网中各电压等级电压基准值为各自平均额定电压。对发电机分析我们得知，采取现在通用方法，发电机各种电抗只有采取标么值才符合其理论基础，所以凡包括发电机电抗时，必须采取标么值计算。在短路时，我们知道电网电压主要取决于短路种类和距离短路点电气距离，所以在短路计算中，采取标么值近似计算法。又因为短路电流远远远远大于对地支路功率造成电流，故对地支路忽略。高压电网电阻远小于电抗，高压电网电阻忽略。电力系统故障分析专题知识讲座第5页系统主要元件电抗标么值计算方法（≈后为近似计算法）１．发电机：铭牌给出额定电压UN、额定容量SN、以额定值为基准值电抗标幺值。２．变压器：铭牌给出额定电压UN、额定容量SN、短路电压百分数Us%（Uk%、Ud%）。３．电抗器：铭牌给出额定电压UN、额定电流IN、电抗电压百分数XR%。４．线路：普通已知单位长度电抗x，线路长度l。

电力系统故障分析专题知识讲座第6页例：用近似计算法求如图电力系统等值电路参数标幺值。解：取：发电机：变压器T-1：

110kV线路：

电力系统故障分析专题知识讲座第7页变压器T-2：

电抗器：

6kV电缆：电力系统故障分析专题知识讲座第8页无限大系统三相短路无限大系统特点理想电压源：短路前后电源电压不变，无内阻抗，无频率改变，无限容量。系统短路前：

系统短路后：短路后电感电流不能突变电力系统故障分析专题知识讲座第9页短路前空载，时发生短路，非周期分量起始值到达最大值短路前空载，时发生短路，非周期分量起始值到达最小值电力系统故障分析专题知识讲座第10页冲击电流和最大有效值电流：短路前后，交流电流瞬时值普通不一样，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一个周期内有效值，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，普通取KM=1.8~1.9）当短路发生在大容量发电机（12MW以上）供电母线上，KM=1.9；当短路发生在其它地点，则KM=1.8最大有效值电流：

电力系统故障分析专题知识讲座第11页第二节三相短路

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结构发电机次暂态电势：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电抗为xe则次暂态短路电流：电力系统故障分析专题知识讲座第12页对于负荷，我们依据情况有各种处理方式：①电动机负荷作为短路电流提供者当系统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。因为正常运行时，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。普通工程中只考虑，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。电力系统故障分析专题知识讲座第13页②负荷不作为短路电流提供者普通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，则各电源次暂态电势等于故障点未故障时电压。即：更深入假设：正常运行时，各点电压、电势均运行于平均额定电压附近。有：电力系统故障分析专题知识讲座第14页对故障后负荷：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。（负荷阻抗普通远大于线路、变压器等元件电抗）

电力系统故障分析专题知识讲座第15页以下列图所表示系统在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：当采取假设：，有：即系统中任何一点发生三相短路，短路电流标幺值为从该点看进去全网总阻抗倒数。上述结论含有普遍意义。

电力系统故障分析专题知识讲座第16页2．短路容量电力系统短路电流水平，通惯用短路容量（短路功率）表示。短路容量定义为：某点发生三相短路时次暂态电流乘以该点额定电压。其有名值公式：用平均额定电压代替UN：即采取标幺值时：电力系统故障分析专题知识讲座第17页3．冲击电流和最大有效值电流：短路前后，交流电流瞬时值普通不一样，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一个周期内有效值，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，普通取KM=1.8~1.9）当短路发生在大容量发电机（12MW以上）供电母线上，KM=1.9；当短路发生在其它地点，则KM=1.8最大有效值电流：

电力系统故障分析专题知识讲座第18页例：电力系统及参数如图所表示：当电厂110kv高压母线发生三相短路时，求故障点次暂态电流、冲击电流，以及此时发电机机端电压。解：取

电力系统故障分析专题知识讲座第19页二、应用运算曲线求任意时刻短路点短路电流（交流分量有效值）发电机短路后，因为其内部复杂电枢反应，其短路电流交流分量是衰减，再考虑短路后发电机强行励磁使得短路一定时间后，短路电流较无强行励磁时有增大，故理论计算几乎不可能。故采取运算曲线方法求任意时刻短路电流。1．运算曲线制作制作运算曲线网络图：短路前，发电机以额定电压和额定功率运行，50%负荷接在变压器高压母线，50%负荷接在短路点外。改变xL模拟不一样电气距离时三相短路，统计不一样时刻短路电流。电力系统故障分析专题知识讲座第20页

对应不一样时刻，以计算电抗（发电机额定值为基准标幺值）为横坐标，以该时刻三相短路电流标幺值If（发电机额定值为基准值）为纵坐标，得该发电机运算曲线。按我国电力系统统计汽轮发电机、水轮发电机参数，逐台计算在不一样xL条件下某时刻t短路电流，然后取平均值，得运算曲线（一套为汽轮发电机、一套为水轮发电机）。（见附表）

电力系统故障分析专题知识讲座第21页2．应用运算曲线计算短路电流方法①求各电源对短路点转移阻抗利用运算曲线计算短路电流时，将各发电机用xd”作为等值电抗，不计网络中负荷。（制作运算曲线时已近似考虑负荷影响）。对等值电路图进行化简，消去除电动势节点和短路点以外全部节点，而不经任何中间节点，直接连接发电机电势与短路点电抗，即该电源对短路点转移阻抗。②求各电源计算电抗xjs：转移阻抗是以系统SB为基准值标幺值。而运算曲线中电抗为以发电机额定值SN为基准值标幺值，故转移阻抗需按SN归算为计算电抗xjs。③查运算曲线，得以发电机额定值为基准值各电源送至短路点电流标幺值。④上步各电流有名值之和，即为短路点电流。电力系统故障分析专题知识讲座第22页注意：短路计算时，电源分为发电机（包含有限大系统）与无限大系统两类。无限大电源含义：电源电压、频率恒定；内阻为0（短路时，若电源内阻抗小于短路回路总阻抗10%，可近似认为是无限大电源）。而无限大电源提供短路电流周期分量是不衰减。其计算任意时刻短路电流即次暂态电流，（xsf：无限大电源至故障点转移阻抗）。

例：电力系统如图所表示：当取SB=100MVA、UB=Uav时，各元件电抗标幺值为：

xd”=0.048、xT=0.042，

xL1=0.06，xL2=0.03，求f点发生三相短路后t=0.4s时故障点短路电流周期分量有名值。

电力系统故障分析专题知识讲座第23页解：查表得t=0.4s时：

电力系统故障分析专题知识讲座第24页第三节不对称短路

一、对称分量法三相不对称电流、电压，可将它们分解，有所谓正序、负序、零序电流、电压。电力系统故障分析专题知识讲座第25页复数运算因子α：有：

电力系统故障分析专题知识讲座第26页二、对称分量法在不对称短路中应用以电网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：

电力系统故障分析专题知识讲座第27页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：

电力系统故障分析专题知识讲座第28页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）

电力系统故障分析专题知识讲座第29页零序网：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。

电力系统故障分析专题知识讲座第30页负序网中：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。

电力系统故障分析专题知识讲座第31页三、三序电网

上面xΣ1、xΣ2、xΣ0、为电网三序总电抗，经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，正序电流流通路径组成了正序网，正序网与三相短路时（正常运行时）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路径组成了负序网，负序网结构与正序网相同（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一样。

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xΣ1=xΣ2。

电力系统故障分析专题知识讲座第32页零序网：故障发生时零序电流流通路径组成了零序网，因为零序电流三相大小相等、方向相同，并非三相对称交流，故零序网结构与正序网有很大不一样，只有在中性点有效接地系统，即只有在设备接成星形接地接法时，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。各元件零序阻抗，也与正序参数不尽相同。电力系统中，变压器接线形式对零序网结构有很大影响，当然，只有星接地接法变压器可能流通零序电流。电力系统故障分析专题知识讲座第33页YN,yn变压器电力系统故障分析专题知识讲座第34页零序总电抗为：非三相三柱式变压器：

（xm0=∞）

电力系统故障分析专题知识讲座第35页YN,y变压器

非三相三柱式：

xT0=∞

电力系统故障分析专题知识讲座第36页YN,d变压器

非三相三柱式：

电力系统故障分析专题知识讲座第37页三绕组变压器和自耦变压器（中性点直接接地）能够看成两个双绕组变压器组合因为三绕组变压器，为消除三次谐波磁通影响，普通总有一个d绕组，自耦变当连接三个电压等级时，为YN,a0,d接线，故均能够不计入xm0。

YN,yn,d：电力系统故障分析专题知识讲座第38页YN,a0,d：

YN,yn,d、YN,a0,d零序电路电力系统故障分析专题知识讲座第39页YN,y,d：零序电路电力系统故障分析专题知识讲座第40页YN,d,d：零序电路电力系统故障分析专题知识讲座第41页变压器中性点经小阻抗zn接地

双绕组及三绕组变压器

电力系统故障分析专题知识讲座第42页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）电力系统故障分析专题知识讲座第43页线路零序电抗线路零序电抗，总是大于其正序电抗。建成线路普通经过实测取得。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

xIσ0、xIIσ0：双回线各自单位长度零序自阻抗电力系统故障分析专题知识讲座第44页举例说明电网在f点发生不对称接地短路时三序网电力系统故障分析专题知识讲座第45页正序网：负序网：电力系统故障分析专题知识讲座第46页零序网：电力系统故障分析专题知识讲座第47页四、不对称短路分析

依据前述三序网，很方便写出序网方程三序序网方程

电力系统故障分析专题知识讲座第48页a相金属性单相接地

边界条件为：三序条件下边界条件：电力系统故障分析专题知识讲座第49页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电力系统故障分析专题知识讲座第50页故障相电流分析：考虑电网有xΣ1=xΣ2，对比单相短路和三相短路故障相电流取

（中性点不接地系统）电力系统故障分析专题知识讲座第51页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；电力系统故障分析专题知识讲座第52页非故障相电压分析：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，非故障相电压下降电力系统故障分析专题知识讲座第53页a相金属性接地电流、电压相量图：电力系统故障分析专题知识讲座第54页两相短路（bc两相金属性短路）

边界条件为：三序条件下边界条件：电力系统故障分析专题知识讲座第55页复合序网图

故障点三序电流：故障点三序电压：电力系统故障分析专题知识讲座第56页故障相电流分析

考虑电网有xΣ1=xΣ2，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，为三相短路电流倍。

电力系统故障分析专题知识讲座第57页电压分析（xΣ1=xΣ2）

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二分之一。

电力系统故障分析专题知识讲座第58页bc两相金属性短路电流、电压相量图

电力系统故障分析专题知识讲座第59页两相短路接地

（bc两相金属性短路接地

）

边界条件为：三序条件下边界条件：电力系统故障分析专题知识讲座第60页复合序网图

故障点三序电流：故障点三序电压：电力系统故障分析专题知识讲座第61页故障相电流分析（当各序阻抗为纯电抗，且xΣ1=xΣ2）取：电力系统故障分析专题知识讲座第62页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；流入大地电流：

（中性点不接地系统）电力系统故障分析专题知识讲座第63页非故障相电压分析

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；电力系统故障分析专题知识讲座第64页bc金属性两相短路接地电流、电压相量图

电力系统故障分析专题知识讲座第65页正序增广网列举以上四种短路时正序电流公式：

电力系统故障分析专题知识讲座第66页统一以上四种短路正序电流公式：

xΔ：不一样短路时附加电抗。三相短路f(3)

：xΔ=0单相短路f(1)

：xΔ=xΣ2+xΣ0两相短路f(2)

：xΔ=xΣ2两相短路接地f(1,1)：xΔ=xΣ2//xΣ0依据上式可作正序增广网：

电力系统故障分析专题知识讲座第67页

正序等效标准：电网中f点发生短路正序电流，相当于正序网中在f点经附加电抗xΔ后发生三相短路电流。利用正序增广网能够应用运算曲线求不对称短路后任意时刻短路电流。求出正序电流后，可依据：求故障相短路电流。

短路类型

xΔM

三相短路0

1

两相短路接地xΣ2//xΣ0两相相间短路xΣ2单相短路xΣ2+xΣ03

电力系统故障分析专题知识讲座第68页非故障处电流、电压经过求得故障点三序电流，经过三序网等值电路，能够计算各序网中任意处各序电流、电压。正序网：故障点正序电压为全网最低（其中三相短路时为0），而各电源处正序电压最高。负序网，故障点负序电压为全网最高点，而在电源处，负序电压为0。零序网，故障点零序电压为全网最高点，而在YN,d变压器d侧，零序电压为0。电力系统故障分析专题知识讲座第69页

若故障点和计算处之间有星形/三角形连接变压