电力系统故障分析绪论1

自我介绍：姜齐荣柔性交流输配电系统研究所西主楼2区106，电话：6277312513910014893Email:qrjiang@tsinghua.edu.cn教材：《电力系统分析下册》电力系统暂态分析绪论

(IntroductionofPowerSystemFaultAnalysis)

第13讲问题1、电力系统分析由哪些内容组成？2、电力系统暂态过程与稳态有何差别？3、电力系统短路的原因、后果及类型？4、如何分析电力系统短路？5、电源经阻抗短路的电流由哪些部分组成?各部分有何特点？可以用相量计算吗？1、电力系统分析概述电力系统故障（暂态）分析电力系统稳态分析

电力系统稳定性电力系统保护相量，线性网络，功率

故障后瞬间：微分方程故障后稳态：相量，线性网络微分方程、代数方程联立为什么称为稳态分析？相量的概念（稳态）对于电感：严格意义上，U，I，

，

i，

，均应不随时间变化！相量应用的基础常数三相电压－大小、频率及相位均不随时间变化电力系统的两种运行状态1、

电力系统的稳态：正常的、相对静止的运行状态；稳态分析－电力系统正常的、三相对称运行状态的分析和计算（如潮流计算)－SteadyState2、电力系统的暂态：从一种稳定运行状态向另一种稳定运行状态的过渡过程；暂态分析－分析过渡过程中电压、电流、功率等随时间的变化（如故障分析）－TransientProcess电力系统处于稳态，能够用相量分析需满足的条件：节点电压幅值、频率、相位不随时间变化；线路电流幅值、频率、相位不随时间变化。OtU,I,

,

黑龙江东部电网故障后某些节点的电压变化－PMU实测结果PMU－PhasorMeasurementUnit（基于GPS准确定时）暂态过程2003.8.14.美加大停电

--离Newark（NewJersey）700哩处频率变化暂态过程2003.8.14.美加大停电－Newark（NewJersey）电压变化

暂态过程电力系统受到干扰后即进入暂态过程；

暂态过程中各电气参量会发生变化，严格意义上不能用相量分析！提问：电力系统一次调频、二次调频是否会引起电力系统出现暂态过程？2、电力系统暂态过程介绍暂态过程的分类暂态过程产生的原因影响暂态过程的元件暂态过程的分类波过程：与运行操作（如开关动作）及雷击时的过电压有关，涉及电流、电压波的传播，过程最短暂（微秒～毫秒级）－高电压工程

电磁暂态过程：与短路（断线）等故障有关，涉及工频电流、电压幅值随时间的变化，持续时间较波过程长（毫秒～秒）－故障分析!

机电暂态过程：与系统振荡、稳定性破坏、异步运行等有关，涉及发电机组功率角、转速、系统频率、电压等随时间的变化，过程持续时间较长（秒～分钟）－稳定分析

电压沿线路的分布沿线以光速传播的冲击波（微秒级）分布参数模型！c绝缘子设计，放电研究等等均涉及波过程变电站接线电磁暂态过程－短路电流（毫秒级）

发电机短路后的一相短路电流机电暂态过程（摇摆相量为发电机内电势相量，时间：秒～分钟）暂态过程产生的原因

电力系统正常运行时处于稳定状态（SteadyState)。各种扰动（Disturbance)造成了电力系统进入暂态。如果扰动后电力系统出现了异常，如停电等就是电力系统事故。扰动种类很多：短路故障（ShortCircuitFault），负荷投切。系统内的元件（？）上发生的不同相之间的或相与地之间的短路故障。

影响暂态过程的元件电力系统的暂态过程取决于系统中各元件－发电机、变压器、线路、电动机等的暂态过程。发电机的电磁\机电暂态过程左右了电力系统的电磁\机电暂态过程！3、电力系统短路的原因、后果及类型短路的原因短路的后果短路电流计算的意义短路的类型及发生的概率东北电力系统短路试验－系统主接线500kV电压等级下的三相短路东北电力系统短路试验－2004年3月25日（2005年又做了一次）短路现象短路的原因绝缘受到污染或自然老化

自然原因：风、雨、雪、雷、电、鸟、兽、虫害。人为原因：运行人员误操作（未拆地线合闸、带负荷拉隔离刀闸等）人为事故：放风筝，汽车撞电线杆北京1996.1.19事故，送入北京输电线因为施工吊车撞线短路（中南海停电！）故意破坏：人为破坏，如偷电线，故意短路。战争：美国轰炸南联盟使用的碳丝炸弹（科索沃战争、伊拉克战争）。雾：引起雾闪，绝缘破坏放电。沈阳大雾事故！邯郸钢铁停电损失5000万以上，股票大跌。短路事故举例地震海啸：2004年12月26日印尼地震海啸，电力系统彻底摧毁雪：2003年春运2月9日，驻马店大雪引起铁路供电网停电，导致火车晚点、停运等。壁虎：洛阳±20MvarSTATCOM直流母线短路。（获2002年国家科技进步二等奖）－其它的例子？树枝：树枝短接线路，96年美国西部大停电；2003年8月14日，美国大停电。国外短路事故举例线路发热下垂与树枝靠近而短路－2003年8月14日风速高，线路散热快，下垂小500kV线路每公里电阻损耗可达80kW短路的后果产生大电流（上万甚至十几万安培）：

发热（I2R），高温损坏设备，电弧将许多东西短时融化（电焊）电磁力（F=BLI），损坏设备

造成低电压：电器设备无法正常工作，医院、矿山引起危险奥运场馆气体放电灯问题！某卫星发射中心监测到的短路引起的电压跌落－（委托清华大学监测到的电压曲线）短路故障引起电压跌落可能影响卫星发射南京电网短路故障引起某电子网板公司电源进线三相电压跌落，持续约200ms后，造成进线开关跳闸，生产线停产－一次损失30万元以上，每年约7～8次干扰以至于破坏系统的稳定运行

如大电厂母线故障导致发电机退出运行，负荷中心故障导致严重失去负荷―总出力与总负荷不平衡导致发电机加速或减速，造成系统振荡、频率变化、发电机失步、电压崩溃而造成局部以至于电力系统大面积停电，损失将极为严重。北京电网一旦进线短路，引起双回500kV线路跳闸，将引起大面积停电事故！美国东部(EDT)时间2003年8月14日16:11开始（北京时间8月15日晨4:11），美国东北部和加拿大东部联合电网发生了大面积停电事故纽约:交通瘫痪、公路堵塞、人困在电梯和地铁隧道里、冒酷热步行回家停电影响美国：俄亥俄州、密歇根州、纽约州、马萨诸塞州、康涅狄克州、新泽西州、宾夕法尼亚州、佛蒙特州（8个州）加拿大：安大略省、魁北克省（2个省）2003年8月14日－美国大停电损失负荷：6180万千瓦5000万居民失去电力供应恢复需几天时间-8月14日19：30恢复134万千瓦-8月14日23：00恢复2130万千瓦-8月15日11：00恢复4860万千瓦美国切机20多台（含9台核电机组）美加共计切机百余台美经济学家估计：美损失：300亿美元/天安大略省损失：50亿美元停电前后卫星拍到的美国上空照片08/139:21PMEDT08/149:03PMEDT《纽约时报》把停电前和停电后的卫星照片进行了对比，结论是“美国看起来明显黯淡了许多”!短路电流计算的意义是电气设备选择的依据是网络结构规划、设计的依据（广东电网、上海电网环网运行，短路电流太大，不安全，难以选择断路器）是电力系统保护配置的依据是电力系统稳定控制措施制定的依据。电力系统短路试验是测量分析电力系统特性的重要手段！－东北短路试验测量负荷特性等（居安思危！）上海电网接线示意图2015年，部分500kV母线处短路电流超过60kA,没有500kV断路器可以切断如此大的短路电流！断路器－Breaker能够切断大电流，带有熄灭电弧机构的开关。如果短路电流太大，断路器不能切除短路，可能引起大的事故。电力系统短路的类型两相短路：line-to-linefault三相短路：symmetricalthree-phasefault单相短路接地：singlelinetogroundfault

两相短路接地：doubleline-to-groundfault各种元件发生短路的概率统计结果：110kV线路78.0％600kW以上发电机7.5％110kV变压器6.5％110kV母线8.0％运行经验表明，架空输电线是电力系统中比较薄弱环节，发生短路的几率最高。

各种短路故障发生的概率

三相短路5％两相短路4％两相短路接地8％单相接地83％三相故障发生的概率小，但是最为严重，对系统的安全稳定运行影响最大。

4、电力系统短路的分析方法短路故障的基本分析方法故障分析中的基本假设短路故障的基本分析方法短路后的瞬间：

各电气量剧烈变化，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）t短路发生时刻短路后的瞬间短路后进入稳态短路后的不同时段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）；不考虑机电的相互作用！2、各发电机内电势间的相位角―相对功率角不变；3、

异步电动机的转差率保持不变。5、无穷大电源经阻抗短路的分析无穷大交流电源的概念发电机的简单等值电路（稳态分析）短路过程分析计算无穷大交流电源指电压大小、频率在任何扰动下均不变的内阻为零的交流电源E、、均为常数发电机的简单等值电路稳态分析中曾假定：

发电机

无穷大电源＋阻抗RL发电机节点是什么节点？无穷大电源经阻抗短路的计算电压源（无穷大电源），在时刻t0经电阻R及电感L突然短路

已知电源电压：在开关S合上之前，

求开关S合上后电流随时间的变化。开关S闭合后，电路的方程为：初始条件：一阶常系数线性非齐次微分方程＋初始条件，可以求解！其中方程的解：在开关S合上瞬间，电感电流不能突变，因此有：

代入通解得到：因此，如何确定常数C？短路电流为：衰减的直流分量衰减时间常数：电路阻抗电路的阻抗角

交流分量不衰减在一定时间之后，如

直流分量衰减完毕，即短路电流瞬时值与短路时刻电源电压相位与电路阻抗角的差有关与电源电压大小U，阻抗Z有关为不同值时，短路电流的波形

/2

-

/2

直流分量为零

直流分量最大

稳态短路电流相量的形式

稳态短路电流相量＝电源电压相量/电路的阻抗

短路发生时刻t0附近短路电流周期分量t0时刻短路电流周期分量＝电源电压相量/电路的阻抗

同步发电机机端三相短路的短路电流波形注意与无穷大电源经阻抗短路电流波形的差别其中一相的电流波形00交流分量不衰减！交流分量衰减！无穷大电源短路电流发电机短路电流短路电流计算，简单等值不好！作业1、如图所示的电压源u(t)=311*sin(314.16t+),

在0时刻突然加到RL电路上，其中

(a)、

取什么值时，电流不存在直流分量？求出此时i(t)的表达式，并用Matlab绘制0～80ms时段的电流曲线，步长为0.01ms；(b)、

取什么值时，电流直流分量最大？求出此时i(t)的表达式，并用Matlab绘制0～80ms时段的电流曲线，步长为0.01ms；求总电流的最大值及对应的时间。(c)、对于（b），估计短路后进入稳态的时间。(d)、调节R值，用MatLab画出曲线，比较电流直流分量衰减的速度R＝2-3-4欧2、如果将电力系统中所有发电机都用戴维南等值等效为无穷大电源接内阻抗的形式，如何求解电力系统中任一点的三相接地短路的稳态短路电流？请简单叙述之。3、举出3个电力系统事故（8.14除外），简单描述事故起因及后果（可在中国期刊网上查）。答疑：第10周后每周一晚上7：00－9：00地点：西主楼2区112。可预约！教学参考书1、倪以信、陈寿孙、张宝霖著，《动态电力系