次课电力系统对称故障分析课件

1、次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分析课件第六章 电力系统对称故障分析（第1部分）次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分析课件1、电力系统短路的基本知识2、无限大功率电源供电系统的三相短路3、同步发电机三相短路电磁暂态过程4、电力系统三相短路的实用计算5、电力系统三相短路的计算机解法基本内容次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分析课件主要教学安排主讲内容电力系统短路的电力系统短路的基本知识基本知识无限大功率电源供电系统的无限大功率电源供电系统的三相短路三相短路3 3、同步发电机三相短路电磁暂态过程、同步发电机三相短路电磁暂态过程教学要求掌握电力系统短路的掌

2、握电力系统短路的基本知识基本知识掌握无限大功率电源供电系统的掌握无限大功率电源供电系统的三相短路三相短路重点、难点无限大功率电源供电系统的无限大功率电源供电系统的三相短路三相短路次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分析课件1、电力系统短路的基本知识短路的原因和分类短路的后果和预防措施短路计算的目的短路计算的简化假设次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分析课件短路的原因 绝缘材料老化、机械损伤、开关操作冲击、雷电或操作过电压、人为误操作等短路的分类 分为三相短路、单相短路、两相短路和两相接地短路。1、电力系统短路的基本知识次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分

3、析课件图 正常运行和短路故障时各点的电压 电力系统短路故障有时也称为横向故障，因为它是相对相或相对地的故障，还有一种称为纵向故障的情况，即断线故障。折线l表示正常运行时各点电压的大致情况。折线2表示f1点短路后的各点电压。f1点代表降压变电所的母线，其电压降至零。由于流过发电机和线路L1、L2的短路电流比正常电流大，而且几乎是纯感性电流，因此发电机内电抗压降增加，发电机端电压下降。网络电压的降低使由各母线供电的用电设备不能正常工作，严重影响人们正常的生产和生活。折线3表示f2点短路后的各点电压。1、电力系统短路的基本知识次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分析课件短路的后果和预防措

4、施短路的后果和预防措施 后果：短路电流很大，引起导体及绝缘体的严重发热而损坏，导体后果：短路电流很大，引起导体及绝缘体的严重发热而损坏，导体受到强大的电流动力，也可造成损坏。短路致使电网电压突然降低，受到强大的电流动力，也可造成损坏。短路致使电网电压突然降低，影响用电设备正常工作。最严重的后果是系统解列。另外，断路故障影响用电设备正常工作。最严重的后果是系统解列。另外，断路故障对通信也有影响。对通信也有影响。 对于超高压系统，保护装置应在对于超高压系统，保护装置应在3 3周期之内切除短路故障，低压系周期之内切除短路故障，低压系统保护动作时间一般为统保护动作时间一般为5-205-20周期。周期。

5、 预防措施：采用合理的防雷设施、降低过电压、使用结构完善的配预防措施：采用合理的防雷设施、降低过电压、使用结构完善的配电装置、加强运行维护等。电装置、加强运行维护等。1、电力系统短路的基本知识次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分析课件短路计算的目的 短路计算为发电机、变电站以及整个电力系统的设计和运行提供依据。 在电力系统和电气设备的设计和运行中，短路计算是不可缺少的基本计算，主要有：(1)选择有足够机械稳定度和热稳定度的电气设备，例如断路器、互感器、瓷瓶、母线、电缆等，必须以短路计算作为依据。这里包括计算冲击电流以校验设备的电动力稳定度；计算若干时刻的短路电流周期分量以校验设备

6、的热稳定度；计算指定时刻的短路电流有效值以校验断路器的断流能力等。1、电力系统短路的基本知识次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分析课件短路计算的目的(2)为了合理地配置各种继电保护和自动装置并正确整定其参数，必须对电力网中发生的各种短路进行计算相分析。在这些计算中不但要知道故障支路中的电流值，还必须知道电流在网络中的分布情况。有时还要知道系统中某些节点的电压值。(3)在设计和选择发电厂和电力系统电气主接线时，为了比较各种不同方案的接线图，确定是否需要采取限制短路电流的措施等，都要进行必要的短路电流计算。(4)进行电力系统暂态稳定计算，研究短路对用户工作的影响等，也包含有一部分短路

7、计算的内容。此外，确定输电线路对通讯的干扰，对已发生故障进行分析，都必须进行短路计算。1、电力系统短路的基本知识次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分析课件无穷大电源概念 是一种理想电源。特点是：电源功率相对很大。内阻抗相对很小以及电源端电压保持恒定。短路电流包括的两种分量： 周期分量和非周期分量。2、无穷大供电系统的三相短路次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分析课件短路计算的基本步骤是： 制定电力系统故障时的等效电路、网络简化、对短路暂态过程进行实用计算。电力系统故障分析计算大多采用标幺制。2、无穷大供电系统的三相短路次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障

8、分析课件单相RL串联电路的暂态过程分析( )2sine tUtaSWt=0, 写出KVL方程：( )/( )sin()( )( )( )sin()sin()di tmdtacdct TmLRi tUtai tititUtaaeAZ22221()tan2ZRLRXLRLXXTRRfRiac：短路电流周期（强制分量）短路电流周期（强制分量）分量分量idc ：短路电流非周期短路电流非周期（自由）分量（自由）分量2、无穷大供电系统的三相短路Z=R+jL次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分析课件( )/( )sin()( )( )( )sin()sin()di tmdtacdct TmLR

9、i tUtai tititUtaaeAZ2/22,0,2,2, ( )2sin()acdcdcact TacUIZaIUaIIZai tIteSW单相短路的暂态过程分析222/22 /4/(/)( ) 21 2/(2),/( )( )( )1 2acdct Tacact TacacX RI tIIII eIeTXfR tfIKIKe交流分量有效值交流分量有效值直流分量为零直流分量为零直流分量最大直流分量最大Z=R+jL为周期常数为周期常数短路发生后任意周期时的电流为短路发生后任意周期时的电流为2、无穷大供电系统的三相短路次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分析课件三相短路的暂态过程

10、：由于是对称故障，以a相为例分析 00sinsin120sin120ambmcmuUtauUtauUta2、无穷大供电系统的三相短路次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分析课件短路前瞬间系统短路前瞬间系统正常运行，电流正常运行，电流幅值和相角：幅值和相角：三相短路的暂态过程：022210()()()tanmmUIRRLLLLRR()()RRjLLRj L短路后每相阻抗变化为：短路后每相阻抗变化为：000sinsinamamuUtaiIta2、无穷大供电系统的三相短路次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分析课件假设短路发生在t=0时刻，则短路后a相回路电压方程为：/sin

11、()sin()adiamdtt TamLRiUtaiItaCeT=L/R短路后电流的幅值。00sin()sin()mmCIaIa2、三相短路的暂态过程分析2221tanmmUIRLLR短路前后系统电流不能突变，可得常数C为：次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分析课件短路电流非周期（自由）分量对于三相对称系统，三相短路电流表示为：对于三相对称系统，三相短路电流表示为：短路电流周期（强制分量）分量短路电流周期（强制分量）分量/0/0/sin()sin(120)sin(120)t Tamt Tbmt TcmiItaCeiItaCeiItaCe2、三相短路的暂态过程分析00sin()si

12、n()mmCIaIa次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分析课件三相短路全电流为交流分量与直流分量的叠加：三相短路全电流为交流分量与直流分量的叠加：自由自由分量（直流）分量（直流）强制分量（交流）强制分量（交流）/0/0/sin()sin(120)sin(120)t Tamt Tbmt TcmiItaCeiItaCeiItaCea相相b相相c相相2、无穷大供电系统的三相短路次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分析课件短路电流周期（强制分量Ac fault current ）分量的幅值取决于电源电压幅值和短路回路的总阻抗，是短路后回路的稳态短路电流。短路电流非周期（自由

13、Dc offset current）分量是逐渐衰减的，以时间常数T按指数规律逐渐衰减为零，短路电流值等于短路瞬间前的电流值。由于短路电流中含有非周期分量，致使短路后第一周期内出现很大的电流瞬时值，非周期电流愈大，最大瞬时值也愈大。三相短路全电流包括两部分：三相短路全电流包括两部分：2、无穷大供电系统的三相短路次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分析课件短路冲击电流短路冲击电流 短路电流最大可能的瞬时值称为短路冲击电流，是校验电短路电流最大可能的瞬时值称为短路冲击电流，是校验电气设备承受最大电动力的依据。短路冲击电流出现在短路后半气设备承受最大电动力的依据。短路冲击电流出现在短路后半

14、个周期时刻，当个周期时刻，当f=50Hz时，冲击电流在短路后时，冲击电流在短路后0.01s(T/2)时出时出现。现。 0.01/(0.01)TimmimmiII eK I1.8 1.9imK冲击系数分别对应发电机端和电网短路时的数值。冲击系数分别对应发电机端和电网短路时的数值。近似计算时，近似计算时，0.01/(0.01),1TmimII Ke a相相T/22、无穷大供电系统的三相短路次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分析课件短路电流的有效值 任一时刻t的短路电流有效值It是以时刻t为中心的一个周期内瞬时电流的均方根值，即：22222211( )( )( )TTTTtptatIi

15、t dtititdtTTi(t),ipt(t),iat(t)分别为分别为t时刻的短路电流、短路电流的交流（周期）时刻的短路电流、短路电流的交流（周期）分量和短路电流的直流（非周期）分量。分量和短路电流的直流（非周期）分量。短路电流短路电流最大有效值最大有效值发生在短路后半个周期，其值为：发生在短路后半个周期，其值为：222(0.01)2(/2)12(1)2mimmimIIIIK2、无穷大供电系统的三相短路次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分析课件短路容量（短路功率）意味着该电器设备既要承受正常工况下的额定电压，又要能够开断短路电流。3tav tSU I短路电流有效值短路电流有效值

16、I It t2、无穷大供电系统的三相短路平均额定电压*313av ttttBBBttBU IISIIXU ISI S次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分析课件例例 无穷大电源供电系统如图所示，在输电线中点发生三相短路，求短路冲击电流无穷大电源供电系统如图所示，在输电线中点发生三相短路，求短路冲击电流最大有效值和短路功率，最大有效值和短路功率，Ug=110kV,降压变压器容量为20MVA、变比为110/38.5kV，Uk%=10.5，Ps=135kW，L=10km,x=0.402/km, r=0.11/km, 22222222135 38.50.500310001000 20%10

17、.5 38.57.7818100100 20/2/20.11 10/20.55/2/20.402 10/22.01NNsTNkTNLLPURSUUXSRrLXxL22220.01/2(/2)(/2)38.5/3(0.50030.55)(7.78182.01)2.2571(7.78182.01)/314.160.02970.50030.5511.7141.71422.25715.470312(1)2.257112(1.714gTLTLTimimimmimimUIRRXXkALTsRKeiK IkAIIK 21)3.207633 37 2.2571144.648tNkASU IMVA将变压器参数归

18、算到低压35kV侧：短路冲击电流最大有效值短路冲击电流最大有效值短路功率短路功率短路电流周期分量有效值短路电流周期分量有效值2、无穷大供电系统的三相短路次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分析课件三相短路电流三相短路电流三相短路电压三相短路电压三相短路三相短路次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分析课件两相接地短路两相接地短路三相短路电流三相短路电流三相短路电压三相短路电压次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分析课件同步发电机三相短路同步发电机三相短路的假设：的假设：1)1)电机铁心部分的导磁系数为常数电机铁心部分的导磁系数为常数2)2)电机定子三相绕组完全

19、对称，在空间上互差电机定子三相绕组完全对称，在空间上互差120120度，转子在结度，转子在结构上对本身的直轴和交轴完全对称。构上对本身的直轴和交轴完全对称。3)3)电子电流在空气隙中产生正弦分布的磁势，转子绕组和定子电子电流在空气隙中产生正弦分布的磁势，转子绕组和定子绕组间的互感磁通也在空气隙中按正弦规率分布。绕组间的互感磁通也在空气隙中按正弦规率分布。4)4)定子及转子的槽和通风沟不影响定子及转子的电感，即认为定子及转子的槽和通风沟不影响定子及转子的电感，即认为电机的定子及转子具有光滑的表面。电机的定子及转子具有光滑的表面。5)5)暂态过程中发电机转速保持不变。暂态过程中发电机转速保持不变。

20、6)6)发电机短路后，不考虑强行励磁，即磁电压保持不变。发电机短路后，不考虑强行励磁，即磁电压保持不变。7)7)短路发生在发电机机端，其他线路短路，也可看作为在发电短路发生在发电机机端，其他线路短路，也可看作为在发电机机端短路一样。机机端短路一样。3、同步发电机三相短路电磁暂态过程次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分析课件3、同步发电机三相短路电磁暂态过程发电机空载短路时，短路电流表达式：发电机空载短路时，短路电流表达式：暂态暂态短路短路电流电流短路达到稳态短路达到稳态时的时的稳态电流稳态电流0000/000( )()cos()cos()cosdaqqqqt Tt TAddddE

21、EEEitteteXXXX,daTT时间常数时间常数0qdEIX0( )qacdEIIX 短路瞬时的短路瞬时的空载电空载电动动势势空载电空载电动动势势无阻尼绕组发电机机端短路时无阻尼绕组发电机机端短路时暂态暂态电电抗抗稳态稳态电电抗抗次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分析课件3、同步发电机三相短路电磁暂态过程0000/000( )()cos()cos()cosqdaqqqt Tt TAddddEEEEitteteXXXX发电机负载短路时，短路电流表达式：发电机负载短路时，短路电流表达式：短路瞬时暂短路瞬时暂态态电电动动势势暂态暂态电电动动势势.dEUj I X00qqEE暂态等效

22、暂态等效电路电路dEIX发电机端短发电机端短路暂态路暂态电电流流无阻尼绕组发电机机端短路时无阻尼绕组发电机机端短路时暂态暂态电电抗抗负载时，发电机端负载时，发电机端电压平衡方程为：电压平衡方程为：次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分析课件3、同步发电机三相短路电磁暂态过程有阻尼绕组发电机机端短路时有阻尼绕组发电机机端短路时0qdEIX空载时，发电机端空载时，发电机端短路次暂态短路次暂态电电流流负载时，发电机端负载时，发电机端电压平衡方程为：电压平衡方程为：.dEUj I X虚构的次暂态虚构的次暂态电电动动势势，计算用的电动势计算用的电动势dEIX次暂态等次暂态等效电路效电路次课电

23、力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分析课件2I2Iiac(t)tdddXXX， ， 次暂态电抗次暂态电抗暂态电暂态电抗抗稳态电抗稳态电抗（次暂态电（次暂态电抗抗）（暂态电（暂态电抗抗）稳态电稳态电抗抗3、同步发电机三相短路电磁暂态过程(0)acdEIIX次暂态电流次暂态电流dEIX暂态电流暂态电流0( )qacdEIIX 稳态电流稳态电流次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分析课件 短路计算的简化假设：短路计算的简化假设：发电机表示为一恒压源与内阻抗的串联，短路过程中各发电机转子之间不发生摇摆，并认为发电机的电势同相位且数值恒定。负荷当作恒定阻抗或临时附加电源。不计磁路饱和

24、。系统为对称三相系统。高压输电线、发电机和变压器阻抗参数均用纯电抗表示。4、电力系统三相短路的实用计算次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分析课件起始次暂态电流的计算起始次暂态电流的计算即为短路电流周期分量的起始值，即为短路电流周期分量的起始值，在作等效电路时，每个元件都用此暂态参数表示，构成此在作等效电路时，每个元件都用此暂态参数表示，构成此暂态网络，计算此暂态电流，用暂态网络，计算此暂态电流，用 表示。表示。发电机次暂态电动势发电机次暂态电动势保持短路前的数值，用保持短路前的数值，用 表示。表示。4、电力系统三相短路的实用计算IE异步电动机作为负荷考虑，次暂态电抗一般取近似值：

25、异步电动机作为负荷考虑，次暂态电抗一般取近似值：0.2X次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分析课件4、电力系统三相短路的实用计算绘制短路后的等效电路，取：绘制短路后的等效电路，取：(0)1E网络变换及化简，网络变换及化简，阻抗串并联或星角变换等；阻抗串并联或星角变换等；电源点的合并；电源点的合并；nnnXXXXjXEjXEjXEjXE1111212211次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分析课件4、电力系统三相短路电流的实用计算分裂电源电动势，分裂电源电动势，分裂短路点；分裂短路点；(a) 原等值电路原等值电路 (b) 分裂电动势源分裂电动势源 (c) 分裂短路点分裂短路点图图 分裂电动势源和分裂短路点分裂电动势源和分裂短路点次课电力系统对称故障分析课件次课电力系统对称故障分析课件4、电力系统三相短路电流的实用计算计算转移电抗，转移电抗指网络中某一电源和短计算转移电抗，转移电抗指网络中某一电源和短路点之间直接相连的电抗，路点之间直接相连的电抗，(a) 原等值电路原等值电路 (b) 星