电力系统故障分析绪论1

1、电力系统暂态分析绪论电力系统暂态分析绪论（Introduction of Power System Fault Analysis）问题1、电力系统分析由哪些内容组成？、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？、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？、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？、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、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？各部分有何特点？可以用相量计算吗？1、电力系统分析概述、电力系统分析概述电力系统故障电力系统故障（暂态）

2、分析（暂态）分析电力系统稳态分析电力系统稳态分析 电力系统稳定性电力系统稳定性电力系统保护电力系统保护相量，线性网络，功率相量，线性网络，功率 故障后瞬间：微分方程故障后瞬间：微分方程故障后稳态：相量，线性网络故障后稳态：相量，线性网络微分方程、代数方程联立微分方程、代数方程联立为什么称为稳态分析？为什么称为稳态分析？相量的概念（稳态）相量的概念（稳态）jUeUUtUtu)cos(2)(对于电感：对于电感：dttdiLtu)()(ILjLIUIIii)2(严格意义上，严格意义上，U U，I I， ， i i， ，均应不随时间变化均应不随时间变化！相量应用相量应用的基础的基础)cos(2)(it

3、Iti常数常数)2cos(2)sin(2)(iitLItLItu三相电压三相电压大小、频率及相位均不随大小、频率及相位均不随时间变化时间变化电力系统的两种运行状态电力系统的两种运行状态1、 电力系统的稳态：正常的、相对静止的运电力系统的稳态：正常的、相对静止的运行状态；稳态分析行状态；稳态分析电力系统正常的、三相电力系统正常的、三相对称运行状态的分析和计算（如潮流计算对称运行状态的分析和计算（如潮流计算) )Steady State2 2、电力系统的暂态：从一种稳定运行状态向、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；暂态分析另一种稳定运行状态的过渡过程；暂态分析分析过

4、渡过程中电压、电流、功率等随时间的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）变化（如故障分析）Transient Process电力系统处于电力系统处于稳态，稳态，能够用能够用相量分析相量分析需满足的条件：需满足的条件：节点电压幅值、频率、相位节点电压幅值、频率、相位不随时间变化不随时间变化；线路电流幅值、频率、相位线路电流幅值、频率、相位不随时间变化不随时间变化。OtU,I, , 黑龙江东部电网故障后某些节黑龙江东部电网故障后某些节点的电压变化点的电压变化PMU实测结果实测结果PMUPhasor Measurement Unit（基于（基于GPS准确定时）准确定时）暂态过程暂

5、态过程2003.8.14.美加大停电美加大停电-离离Newark（New Jersey）700哩哩处处频率变化频率变化暂态过程暂态过程2003.8.14.美加大停电美加大停电Newark（New Jersey）电压变化）电压变化 暂态过程暂态过程电力系统受到干扰后即进入暂态过程；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暂态过程中各电气参量会发生变化，严格，严格意义上不能用相量分析！意义上不能用相量分析！2、电力系统暂态过程介绍、电力系统暂态过程介绍 暂态过程的分类暂态过程的分类 暂态过程产生的原因暂态过程产生的原因 影响暂态过程的元件影响暂态过程的元件暂态过程的分类暂态

6、过程的分类 波过程：波过程：与运行操作（如开关动作）及雷击时与运行操作（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，过的过电压有关，涉及电流、电压波的传播，过程最短暂（程最短暂（微秒毫秒级微秒毫秒级）高电压工程）高电压工程 电磁暂态过程电磁暂态过程：与短路（断线）等故障有关，：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（间较波过程长（毫秒秒毫秒秒）故障分析故障分析! 机电暂态过程机电暂态过程：与系统振荡、稳定性破坏、异：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、系步运行等有关，

7、涉及发电机组功率角、转速、系统频率、电压等随时间的变化，过程持续时间较统频率、电压等随时间的变化，过程持续时间较长（长（秒分钟秒分钟）稳定分析）稳定分析 电压沿线路的分布电压沿线路的分布沿线以光速传播的冲击波（微秒级）沿线以光速传播的冲击波（微秒级）分布参数分布参数模型！模型！c绝缘子设计，放电研究等等均涉及波过程绝缘子设计，放电研究等等均涉及波过程变电站接线变电站接线电磁暂态过程电磁暂态过程短路电流（毫秒级）短路电流（毫秒级） 发电机短路后的一相短路电流发电机短路后的一相短路电流暂态过程产生的原因暂态过程产生的原因 电力系统正常运行时处于稳定状态（电力系统正常运行时处于稳定状态（Steady

8、 State)。各种各种扰动扰动（Disturbance)造成了电力系统进入暂态。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，如停电等就是如果扰动后电力系统出现了异常，如停电等就是电电力系统事故力系统事故。扰动种类很多：扰动种类很多：短路故障短路故障（Short Circuit Fault），），负荷投切。负荷投切。系统内的元件（？）上发生的系统内的元件（？）上发生的不同相不同相之间之间的或的或相与地之间相与地之间的短路故障的短路故障。 影响暂态过程的元件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电力系统的暂态过程取决于系统中各元件件发电机发电机、变压器、线路、电动机等、

9、变压器、线路、电动机等的暂态过程。的暂态过程。发电机的电磁发电机的电磁机电暂态过程左右了电机电暂态过程左右了电力系统的电磁力系统的电磁机电暂态过程！机电暂态过程！3、电力系统短路的原因、后果及类型电力系统短路的原因、后果及类型 短路的原因短路的原因 短路的后果短路的后果 短路电流计算的意义短路电流计算的意义 短路的类型及发生的概率短路的类型及发生的概率东北电力系统短路试验东北电力系统短路试验系统主接线系统主接线500kV电压等级下电压等级下的三相短路的三相短路东北电力系统短路试验东北电力系统短路试验2004年年3月月25日日（2005年又做年又做了一次）了一次）短路现象短路现象短路的原因短路的

10、原因 绝缘受到污染或自然老化绝缘受到污染或自然老化 自然原因：风、雨、雪、雷、电、鸟、自然原因：风、雨、雪、雷、电、鸟、兽、虫害。兽、虫害。 人为原因：运行人员误操作（未拆地线人为原因：运行人员误操作（未拆地线合闸、带负荷拉隔离刀闸等）合闸、带负荷拉隔离刀闸等） 人为事故：放风筝，汽车撞电线杆人为事故：放风筝，汽车撞电线杆 北京北京1996.1.19事故，送入北京输电线因为事故，送入北京输电线因为施工吊车撞线短路（施工吊车撞线短路（中南海停电！中南海停电！） 故意破坏：人为破坏，如偷电线，故意短故意破坏：人为破坏，如偷电线，故意短路。战争：美国轰炸南联盟使用的路。战争：美国轰炸南联盟使用的碳丝

11、炸碳丝炸弹弹（科索沃战争、伊拉克战争）（科索沃战争、伊拉克战争）。雾：雾：引起雾闪，绝缘破坏放电。沈阳大雾事故！引起雾闪，绝缘破坏放电。沈阳大雾事故！邯郸钢铁停电损失邯郸钢铁停电损失5000万以上，股票大跌。万以上，股票大跌。短路事故举例短路事故举例地震海啸地震海啸：2004年年12月月26日印尼地震海啸，电日印尼地震海啸，电力系统彻底摧毁力系统彻底摧毁雪：雪：2003年春运年春运2月月9日，驻马店大雪引起铁路日，驻马店大雪引起铁路供电网停电，导致火车晚点、停运等。供电网停电，导致火车晚点、停运等。壁虎：壁虎：洛阳洛阳20Mvar STATCOM直流母线短直流母线短路。（获路。（获2002年国

12、家科技进步二等奖）年国家科技进步二等奖）其它的例子？其它的例子？树枝：树枝：树枝短接线路，树枝短接线路，96年美国西部大停电；年美国西部大停电； 2003年年8月月14日，美国大停电。日，美国大停电。国外短路事故举例国外短路事故举例线路发热下垂与树枝靠近而短路线路发热下垂与树枝靠近而短路2003年年8月月14日日风速高，线路散热快，下垂小风速高，线路散热快，下垂小500kV 线路每公里线路每公里电阻损耗可达电阻损耗可达80kW短路的后果短路的后果 产生大电流（上万甚至十几万安培）：产生大电流（上万甚至十几万安培）： 发热（发热（I2R），高温损坏设备，电弧将许多东西），高温损坏设备，电弧将许多

13、东西短时融化（电焊）短时融化（电焊） 电磁力（电磁力（F=BLI），损坏设备），损坏设备 造成低电压：电器设备无法正常工作，医造成低电压：电器设备无法正常工作，医院、矿山引起危险院、矿山引起危险奥运场馆气体放电灯问题！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）（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，持续约三相电压跌落，持续约200ms后，造成

14、进线开关跳闸，后，造成进线开关跳闸，生产线停产一次损失生产线停产一次损失30万元万元以上，每年约以上，每年约78次次 干扰以至于破坏系统的稳定运行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总出力与总负荷不平衡导致发电机加速或减速，造成或减速，造成系统振荡、频率变化、发电系统振荡、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。系统大面积停电，损失将极为严重。北京电网一旦进线短路

15、，引起双回北京电网一旦进线短路，引起双回500kV线线路跳闸，将引起大面积停电事故！路跳闸，将引起大面积停电事故！ 美国东部美国东部(EDT)时间时间2003年年8月月14日日16:11开始开始（北京时间（北京时间8月月15日晨日晨4:11），美国东北部和加），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拿大东部联合电网发生了大面积停电事故 纽约纽约: 交通瘫痪、公路堵塞、人困在电梯和地交通瘫痪、公路堵塞、人困在电梯和地铁隧道里、冒酷热步行回家铁隧道里、冒酷热步行回家 停电影响停电影响 美国：俄亥俄州、密歇根州、纽约州、马萨诸美国：俄亥俄州、密歇根州、纽约州、马萨诸 塞州、康涅狄克州、新

16、泽西州、宾夕法尼亚州、塞州、康涅狄克州、新泽西州、宾夕法尼亚州、佛蒙特州（佛蒙特州（8个州）个州） 加拿大：安大略省、魁北克省（加拿大：安大略省、魁北克省（2个省）个省）2003年年8月月14日美国大停电日美国大停电 损失负荷损失负荷 ：6180万千瓦万千瓦 5000万居民失去电力供应万居民失去电力供应 恢复需几天时间恢复需几天时间 -8月月14日日 19：30 恢复恢复134万千瓦万千瓦 - 8月月14日日 23：00 恢复恢复2130万千瓦万千瓦 - 8月月15日日 11：00 恢复恢复4860万千瓦万千瓦 美国切机美国切机 20多台（含多台（含9台核电机组）台核电机组） 美加共计切机百余

17、台美加共计切机百余台 美经济学家估计：美损失：美经济学家估计：美损失：300亿美元亿美元/天天 安大略省损失：安大略省损失：50亿美元亿美元停电前后卫星拍到的美国上空照片停电前后卫星拍到的美国上空照片08/13 9:21 PM EDT08/13 9:21 PM EDT08/14 9:03 PM EDT08/14 9:03 PM EDT纽约时报纽约时报把停电前和停电后的卫星照片进行把停电前和停电后的卫星照片进行了对比，结论是了对比，结论是“美国看起来明显黯淡了许多美国看起来明显黯淡了许多”!短路电流计算的意义短路电流计算的意义 是电气设备选择的依据是电气设备选择的依据 是网络结构规划、设计的依据

18、是网络结构规划、设计的依据（广东电网、上海（广东电网、上海电网环网运行，短路电流太大，不安全，难以选择断电网环网运行，短路电流太大，不安全，难以选择断路器）路器） 是电力系统保护配置的依据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。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电力系统短路试验是测量分析电力系统特性的重要手段！重要手段！东北短路试验测量负荷特性等东北短路试验测量负荷特性等（居安思危！）（居安思危！）上海电网接线示意图上海电网接线示意图2015年，部分年，部分500kV母线处短路电流超过母线处短路电流超过60kA,没没有有500kV断

19、路器可以切断如此大的短路电流！断路器可以切断如此大的短路电流！断路器断路器Breaker能够切断大电流，带能够切断大电流，带有熄灭电弧机构的开有熄灭电弧机构的开关。关。如果短路电流太大，如果短路电流太大，断路器不能切除短断路器不能切除短路，可能引起大的路，可能引起大的事故。事故。电力系统短路的类型电力系统短路的类型两相短路两相短路：line-to-line fault三相短路三相短路：symmetrical three-phase fault 单相短路接地：单相短路接地：single line to ground fault 两相短路接地：两相短路接地：double line-to-groun

20、d fault各种元件发生短路的概率各种元件发生短路的概率统计结果：统计结果： 110kV 线路线路 78.0 600kW 以上发电机以上发电机 7.5 110kV 变压器变压器 6.5 110kV 母线母线 8.0 运行经验表明，运行经验表明，架空输电线是电力系统中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。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各种短路故障发生的概率 三相短路三相短路 5 两相短路两相短路 4 两相短路接地两相短路接地 8 单相接地单相接地83三相故障发生的概率小，但是最为严重，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

21、。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、电力系统短路的分析方法 短路故障的基本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故障分析中的基本假设短路故障的基本分析方法短路故障的基本分析方法 短路后的瞬间：短路后的瞬间： 各电气量剧烈变化，采用微分方程分析，即：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。（短路条件求解微分方程组。（以发电机机端三以发电机机端三相短路为例进行分析相短路为例进行分析） 短路后进入稳态：短路后进入稳态： 各电气量幅值、相位、频率均不再变化，各

22、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），求解代采用相量分析（类似于稳态计算），求解代数方程组。数方程组。（对称分量法对称分量法）t短短路路发发生生时时刻刻短路后的瞬间短路后的瞬间短路后进入稳态短路后进入稳态短路后的不同时段短路后的不同时段故障分析中的基本假设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假定同步发电机的转速维持不变：由于电由于电磁暂态过程的时间很短，系统中旋转电机的磁暂态过程的时间很短，系统中旋转电机的机机械运动变化非常微小械运动变化非常微小（有惯性）；（有惯性）；不考虑机电的相互作用！不考虑机电的相互作用！2、各发电机内电势间的相位角各发电机内

23、电势间的相位角相对功率相对功率角不变；角不变；3、 异步电动机的异步电动机的转差率保持不变转差率保持不变。5、无穷大电源经阻抗短路的分析、无穷大电源经阻抗短路的分析 无穷大交流电源的概念无穷大交流电源的概念 发电机的简单等值电路（稳态分析）发电机的简单等值电路（稳态分析） 短路过程分析计算短路过程分析计算无穷大交流电源无穷大交流电源 指电压大小、频率在任何扰动下均指电压大小、频率在任何扰动下均不变不变的的内阻为零内阻为零的交流电源的交流电源)0()sin(2)(ttEteE、 、 均为常数均为常数E发电机的简单等值电路发电机的简单等值电路 稳态分析中曾假定稳态分析中曾假定： 发电机发电机 无穷

24、大电源无穷大电源阻抗阻抗RLE发电机节点是什么节点？发电机节点是什么节点？无穷大电源经阻抗短路的计算无穷大电源经阻抗短路的计算电压源（无穷大电源），电压源（无穷大电源），在时刻在时刻t t0 0经电阻经电阻R及电感及电感L突然短路突然短路 )sin(2)(tUtu已知电源电压：已知电源电压：在开关在开关S合上之前，合上之前， 0)(0ti求开关求开关S合上后电流随时间的变化。合上后电流随时间的变化。开关开关S闭合后，电路的方程为：闭合后，电路的方程为：)()sin(2)()()(0tttUtudttdiLtRi初始条件：初始条件：0)(0ti一阶一阶常系数常系数线性线性非齐次非齐次微分方程微分

25、方程初始条件初始条件，可可以求解！以求解！其中其中方程的解：方程的解：在开关在开关S合上瞬间，电感合上瞬间，电感电流电流不能突变不能突变，因此有：，因此有： 0)()(00titi)sin(2000tZUCetLR代入通解得到：代入通解得到：因此，因此，)sin(200tZUeCtLR如何确定常数如何确定常数C？短路电流为：短路电流为：)()sin()sin(2)(00)(0tttetZUtittLR衰减的直流分量衰减的直流分量衰减时间常数：衰减时间常数：RLT 22)( LRZ电路阻抗电路阻抗)(1RLtg电路的阻抗角电路的阻抗角 交流分量交流分量不衰减不衰减在一定时间之后，如在一定时间之后

26、，如 04tTt直流分量衰减完毕，即直流分量衰减完毕，即)4()sin(2)(0tTttZUti)()sin()sin(2)(00)(0tttetZUtittLR短路电流瞬时值短路电流瞬时值与短路时刻电源与短路时刻电源电压相位电压相位与电路与电路阻抗角的差阻抗角的差有关有关与电源电压大小与电源电压大小U， 阻抗阻抗Z有关有关)(0t为不同值时，短路电流的波形为不同值时，短路电流的波形 /2 - /2 0)(0t)(0t直流分量为零直流分量为零 2)(0t直流分量最大直流分量最大 稳态短路电流相量的形式稳态短路电流相量的形式 )4()sin(2)(0tTttZUti)sin(2/()sin(2(

27、)(tZUZjUeIZUeZUtUjUeUeZUIjjjj稳态短路电流相量电源电压相量稳态短路电流相量电源电压相量/ /电路的阻抗电路的阻抗 短路发生时刻短路发生时刻t0附近短路电流周期分量附近短路电流周期分量)sin(2)(tZUtiZUIt0时刻短路电流周期分量电源电压相量时刻短路电流周期分量电源电压相量/ /电路电路的阻抗的阻抗 同步发电机机端三相短路的短路电流波形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注意与无穷大电源经阻抗短路电流波形的差别波形的差别其中一相的其中一相的电流波形电流波形00交流分量交流分量不衰减！不衰减！交流分量交流分量衰减！衰减！无穷大电源无穷大电源短路电流短路电流发电机短发电机短路电流路电流短路电流计短路电流计算，简单等算，简单等值不好！值不好！作业作业1、如图所示的电压源如图所示的电压源u(t)=311*sin(314.16t+ ), 在在0时刻突然加到时刻突然加到RL电路上，电路上，其中其中 HLR05. 0,2(a)、 取什么值时，电流不存在直流分量？求出此时取什么值时，电流不存在直流分量？求出此时i(t)的表达式，并用的表达式，并用Mat