电力系统暂态分析(第三章).ppt

3 1短路电流交流分量初始有效值的实用计算 一 实用计算法简介1 实用计算法2 实用计算内容 1 短路电流周期分量有效值短路冲击电流 最大有效值电流 2 任意时刻的短路电流周期分量有效值 第三章电力系统三相短路电流的实用计算 二 交流电流初始有效值的实用计算 1 基本假设条件 1 发电机理想电机 并忽略发电机电阻 电抗采用 或 即认为 或 发电机电压平衡方程为 或 等值电路为 系统各发电机电动势同相位 进一步的近似还可以认为各电源的电势大小相等 在采用标幺值时 还可更进一步假设其值为1 2 调相机等值电路与同步发电机相同 但在欠激运行方式下 其空载次暂态电动势小于机端电压 3 同步电动机同步电动机与调相机情况相同 4 异步电动机 对于1000KW以上电动机 冲击电流系数取1 7 1 8 5 综合负荷综合负荷一般忽略不计 如需计及负荷时 通常用阻抗表示 6 网络方面忽略各元件电阻和对地导纳支路的影响 对于电缆线路和低压网络的线路需计及电阻影响 并用代替电抗进行计算 变压器的变比取平均额定电压之比 2 计算步骤 1 画等值电路 2 计算各元件参数 短路计算一般采用标幺值 3 计算短路电流初始有效值 综合计算法 一次计算出计及负荷电流影响时的短路电流 迭加法 分别计算负荷电流和短路电流的故障分量 然后迭加得到计及负荷电流影响时的短路电流 近似计算法 忽略负荷影响 并认为电源电势等于1 3 综合计算法计及负荷影响时发电机的次暂态电动势的计算 计及负荷影响时一般负荷等效阻抗的计算 计及负荷影响时的等值电路 4 迭加法 5 近似计算法近似计算时 忽略负荷影响 并认为各发电机空载电动势相等 且等于1 即 例题3 1在下图中 已知同步发电机和同步电动机的额定功率均为30MW 额定电压均为10 5kv 次暂态电抗均为0 2 以电动机额定值为基准的线路电抗标幺值为0 1 正常运行时电动机消耗的功率为20MW 功率因数0 8 滞后 端电压为10 2kv 求在电动机机端发生三相短路时 短路点点短路电流 发电机和电动机支路电流交流分量的起始有效值及短路冲击电流 最大有效值电流 1 综合计算法 1 绘制等值电路计算元件参数 取基准值 根据短路前的等值电路计算元件参数 2 计算短路后各处电流 2 迭加法 1 正常分量 2 故障分量 3 正常分量与故障分量迭加 3 近似计算法不计负荷影响 并设 短路冲击电流和最大有效值电流的计算注意到短路点距离不在发电机机端 而在同步电动机机端 且电动机容量大于12MW 所以发电机短路电流冲击系数取1 8 电动机冲击系数取1 9 三 几点说明 1 短路计算通常不计负荷影响 但必须计及短路点附近电动机对短路电流起始有效值的影响 2 计算通常采用迭加原理 并采用发电机 包括短路点附近的大容量电动机 的假设 3 如果仅计算短路点的短路电流 可以利用下式计算 经过渡阻抗短路时 按下式计算 4 局部电力系统的短路计算进行局部电力系统的短路计算时 通常将电力系统的其他部分等效为一个或几个等值系统 每个等值系统用一个恒定阻抗和恒定电压源的串联表示 即无限大电源 其他系统参数通常以以下方式给出 1 给出其他系统的次暂态等值电抗 2 给出其他系统向局部系统接入点短路时提供的短路电流 当该电流为标幺值时 其次暂态等效阻抗即电流标幺值的倒数 3 给出短路功率 短路容量 若为标幺值 则与短路电流标幺值相等 其次暂态等效阻抗即短路容量的倒数 4 如果其他系统的情况不知道时 也可以用本局部系统接入其他系统的断路器的遮断容量进行估算 3 3任意时刻电流交流分量有效值计算 一 问题的提出在第二章中 我们分析了同步发电机三相短路时的短路电流 其分析方法是 计算短路电流基频交流分量的初始有效值和稳态有效值 确定各种电流分量的衰减时间常数 写出短路电流的解析式 再利用短路电流的解析式根据需要计算任意时刻短路电流 这种方法对于一台发电机供电的情况都是十分复杂的 对于电源较多的情况就更无法进行了 工程上常用的方法是运算曲线法 二 运算曲线的编制 1 编制所用网络 编制条件 发电机运行在额定电压和额定负荷 50 负荷接于变压器高压侧 50 负荷接入系统 即在短路点的外侧 2 编制方法将外部阻抗 加到发电机的相应电抗上 利用第二章的短路电流表达式计算任意时刻短路电流周期分量有效值 改变x即等于改变短路点的远近 根据上面的等值电路可得以下的结果 然后 以为横坐标 为纵坐标 把对应不同的同一时刻的点连接起来即得短路电流运算曲线 3 运算曲线见P82图3 16 曲线中计算电抗和电流都是以发电机本身额定参数为基准的标幺值 曲线中的电流为各种不同类型机组短路电流的平均值 所以曲线适用于任何机组 因汽轮发电机与水轮发电机结构区别较大 电流变化规律相差较大 所以分别编制其运算曲线 运算曲线只编制到4秒 因为4秒短路已达稳定状态 4秒以后的数值取4秒时的数值 运算曲线电抗只编制到3 5 大于3 5时按无限大电源处理 运算曲线编制时已近似考虑了负荷的影响 使用时无须再考虑负荷的影响 三 应用运算曲线计算短路电流方法步骤 1 计算步骤1 画等值电路 计算各元件电抗标幺值2 网络化简 求电源点与短路点之间的转移电抗3 求各电源对短路点的计算电抗4 查运算曲线 得到以发电机额定容量为基准的周期分量标幺值5 求各电源提供的短路周期分量有名值之和 即为短路点的短路电流周期分量 2 例题 在下图所示电力系统中 已知相关参数如下 汽轮发电机 升压变压器 联络变压器 330kv线路 330kv系统 送至330kv线路始端的短路电流为20kA 计算f点短路时 0秒和0 2秒发电机和系统送出的短路电流以及短路点总短路电流 1 绘制等值电路计算元件参数忽略负荷 不计各元件电阻和对地导纳支路 网络化简过程图 取平均额定电压为基准电压 1000MVA作为基准容量 则有 汽轮发电机 升压变压器 联络变压器 330kv线路 330kv系统 常用Y 变换公式 Y变换公式 2 网络化简求各电源对短路点的转移电抗图 a 化简为图 b 图 b 化简为图 c 图 c 化简为图 d 采用进行化简 图 d 化简为图 e 3 求计算电抗 4 求发电机 系统短路电流标幺值由汽轮机运算曲线查得 系统为无限大功率电源 其周期分量不衰减 5 计算发电机 系统提供短路电流有名值 6 计算短路点电流 2 计算的简化 1 个别计算法在前面的例题中 我们把每一个发电机都作为一个电源保留下来 这种方法称为个别计算法 个别计算法计算比较准确 但查运算曲线工作量大 2 同一变化法计算中把短路电流变化规律相同或相近的发电机 对于距短路点较远的不同类型发电机可以合并 距短路点很近的情况下 不同类型的发电机不允许合并 为一个等效电机 等效电机的额定容量等于参与合并的所有电机额定容量之和 的计算方法称为同一变化法 同一变化法计算工作量小 但计算误差较大 四 转移电抗的计算 1 转移电抗对于任一复杂网络经网络化简法消去除电源节点和短路点之外的所有节点后 所得到的各电源电势节点与短路点之间的直接联系电抗即电源对短路点的转移电抗 因为 所以 2 转移阻抗的求法 1 网络化简法 2 单位电流法 一 网络的等值简化等值电势法等效变换的原则应使网络中其他部分的电压 电流在变换前后保持不变 即 星网变换法 常用Y 变换公式 Y变换公式 利用电路的对称性化简电位相等的节点 可直接相连 等电位点之间的电抗 可短接后除去 二 转移阻抗的概念定义 如果只在第i个电源节点加电势Ei 其他电势为零 则与从第k个节点流出网络的电流Ik之比值 即为i节点与k节点之间的转移阻抗Xik 应用前提线性网络的叠加原理转移阻抗的应用 三 利用转移电抗计算三相短路电流网络化简法 图7 13用网络化简法求转移电抗 单位电流法令E1 E2 E3 0 在k点加上Ek 使支路X1中通过单位电流 即取I1 1 则 图7 14单位电流法求转移电抗 例7 3某系统等值电路如图7 13所示 所有电抗和电势均为归算至统一基准值的标幺值 1 试分别用网络化简法及单位电流法求各电源对短路点的转移电抗 2 若在k点发生三相短路 试求短路点电流的标幺值 3 2交流电流初始有效值的计算机算法 一 计算及其分布的等值网络1 计及负荷影响时 2 不计负荷影响时实用计算时不计负荷影响 所以只要利用计算故障分量的网络计算短路电流的故障分量即可 如果需要计算短路时各节点的电压 只要将求得的故障分量电压与正常运行电压 1 迭加即可 二 用节点阻抗矩阵的计算方法1 节点阻抗法的数学模型 2 节点阻抗矩阵各元素的物理意义 1 自阻抗 2 互阻抗 说明显然节点阻抗矩阵为满阵 节点阻抗方程计算短路故障分量时 只有短路点有的注入电流 其它节点的注入电流为零 即节点阻抗方程具有以下形式 3 节点阻抗矩阵的求法 1 2 支路追加法 见参考文献13 4 节点阻抗法计算的方法步骤 1 计算节点阻抗矩阵各元素 2 求短路点注入电流 3 计算各节点的电压故障分量 4 计算短路情况下各节点电压 5 计算各支路短路电流5 节点阻抗矩阵法的缺点 1 节点阻抗矩阵形成比较麻烦 2 节点阻抗矩阵为满阵 需要的计算机存储量大 三 用节点导纳矩阵的计算方法 1 节点导纳法数学模型 2 节点导纳矩阵各元素的物理意义及求法 1 节点自导纳 2 节点互导纳 显然节点的自导纳就是与节点直接相连的所有支路导纳之和 两个节点之间的互导纳就是直接连接这两个节点的支路导纳的负值 如果两个节点之间无直接连接 则它们之间的互导纳为零 并有 即节点导纳矩阵为稀疏阵 对称阵 3 节点导纳矩阵的求法利用节点自导纳和互导纳的定义形成 采用支路追加法形成 4 节点导纳法计算步骤及原理 1 计算短路点自阻抗和互阻抗 以下计算步骤同节点阻抗法节点导纳方程为稀疏阵 所需计算机内存小 并且容易形成与修改 所以在短路电流的计算机计算中获得了广泛应用 四 短路点 在线路上任意处的计算公式 1 示意图2 网络阻抗矩阵的变化节点阻抗矩阵增加一阶 节点编号为f 3 新增阻抗矩阵元素的计算 1 互阻抗计算 2 自阻抗计算注意到 从而 说明 4 1对称分量法 一 复习对称分量法1 对称分量法任何三相不对称正弦量都可以分解为三组对称分量 如下式所示 2 电力系统发生不对称短路时的电压 电流及其对称分量 不对称短路时 电源电压仍保持对称 除短路点外电路其他部分的参数三相相同 但由于短路点三相参数不对称 所以短路后 三相电流 电压的基频交流分量不再保持对称 根据对称分量法 我们可以把它们分解为正序 负序 零序三组分量 只有三相电流之和不等于零时 才存在零序电流 在三角形接线 三相三线制星形接线系统中 即使三相电流不对称 也总有三相电流之和为零 所以不存在零序分量电流 只有在有中线或中性点接地的三相系统中才可能出现零序电流 且中线或接地线中的电流为每相零序电流的三倍 相电压中可以存在零序分量 线电压中不存在零序电压分量 对称分量法只能用于线性电力系统的分析计算 二 对称分量法在不对称故障分析中的应用 1 电力系统中各序分量的独立性 1 独立性的概念电力系统中三序分量是相互独立互无影响的 即正序电压只产生正序电流 负序电压只产生负序电流 零序电压只产生零序电流 反之也是一样 由于电力系统中三序分量的独立性 使我们可以在分析电力系统不对称故障时 分别计算其各序分量 因为每序分量是对称的 我们可以利用对称电路的分析方法进行计算 然后将三序分量迭加得到不对称故障时电力系统的三相不对称电压和电流 2 独立性的证明三相线路的电压降 由于三相电流不对称 所以三相压降也是不对称 用序分量表示有 2 序阻抗的概念电力系统元件的序阻抗等于其端口所加的序电压和流过元件的该序电流的比值 即正序阻抗负序阻抗零序阻抗 3 三序网络及三序电压平衡方程 1 原始网络及其等值网络 2 正序等值网络及其电压平衡方程其电压平衡方程如下 3 负序等值网络及其电压平衡方程负序电压平衡方程为 4 零序等值网络及其电压平衡方程零序电压平衡方程 4 利用对称分量法分析计算不对称故障的基本思想 1 将电流 电压分解为三序对称分量 2 根据三序等值电路写出基本相三序电压平衡方程 3 根据故障处边界条件补充三个基本相序分量电流 电压表示的边界条件方程 4 对 2 3 所列出的方程组求解 求出基本相的各序电流 电压分量 解析法 或根据边界条件将三序网络进行连接 得到复合序网 利用复合序网求基本相的各序电流 电压 复合序网法 5 利用对称分量法公式 求故障处的各相电流 电压 5 例题求电力系统中f点发生A相单相金属性接地短路时故障处电流 电压 1 取A相作为分析计算的基本相 2 绘制三序等值电路 化简得到三序等值网络 写出基本相三序电压平衡方程 3 列边界条件方程原始边界条件方程 用基本相序分量表示的边界条件方程 利用对称分量法的变换公式 由故障处的的三相不对称电流 电压求出用基本相序分量表示的边界条件方程 4 求故障处基本相各序分量电流 电压解析法 对上述联立方程求解即可 复合序网法根据边界条件将三序网络进行连接 5 计算故障处电流 电压求出短路点电压 电流的各序分量后 就可利用下式求得短路点的电流和电压 电力元件的序阻抗 一 研究电力元件各序阻抗的意义求取从短路点看进去电力网络的各序等值阻抗是应用对称分量法分析不对称短路的关键 而要求取这些等效阻抗就必须绘制各序网络 要绘制各序网络就必须知道各元件的各序等值电路和参数 二 同步发电机的序阻抗及等值电路1 不对称短路时发电机定子绕组中的电流分量 正序基频交流分量除在每相绕组产生漏磁通外 在气隙中产生与转子同步旋转的合成磁场 其产生的影响与三相短路相同 零序基频交流分量不在气隙中产生合成磁场 只在各绕组中产生漏磁通 这一结论适用于各种频率的零序电流分量 负序基频交流电流除在绕组中产生漏磁通外 在气隙中产生与转子旋转方向相反的以同步频率旋转的合成磁场 该磁场在转子绕组中感应产生两倍同步频率的交流电流分量 该分量所产生的相对于转子绕组的脉动磁场 分解为相对于转子以两倍频率正转与反转的两个相等的旋转磁场 相对于转子反方向两倍同步频率旋转的磁场与定子绕组负序基频交流分量所产生 的合成磁场相对静止 相互平衡 相对于转子正方向两倍同步频率旋转的磁场在定子绕组中产生三倍同步频率的感应电动势 称为三次谐波电动势 并在定子绕组产生正序 负序 零序三次谐波电流 进而在转子绕组产生四次谐波电流 在定子绕组产生五次谐波电动势和正序 负序 零序五次谐波电流 这些高次谐波分量同基频分量一样衰减 短路达到稳定状态时仍然存在 而定子绕组中的非周期分量在转子绕组产生各种奇次谐波电流并在定子绕组产生正序 负序 零序偶次谐波电流 这些谐波电流都随定子绕组非周期分量逐渐衰减到零 隐极机和有阻尼绕组凸极机情况下定子绕组非周 期分量不会在转子绕组和定子绕组产生高次谐波电流 2 同步发电机的正序参数及正序等值