第一章 电力系统故障分析的基本知识1

第一章电力系统故障分析的基本知识故障概述标幺值无限大功率电源供电的三相短路电流分析10/16/2023

第一节故障概述一.短路短路的概念

短路是指电力系统正常运行情况以外的相与相之间或相与地之间的连接。短路也称横向故障。短路的原因

１．绝缘损坏

产生短路的主要原因是电气设备载流部分的相间绝缘或相对地绝缘被损坏。

２．误操作

运行人员在线路检修后未拆除地线就加电压等误操作。10/16/2023

短路的类型短路类型符号示意图特点三相短路f(3)

对称故障两相短路f(2)非对称故障单相接地短路f(1)非对称故障两相接地短路f(1,1)非对称故障(65%)(20%)(10%)(5%)10/16/2023短路的危害

１大电流产生巨大电动力，造成机械损坏（动稳定）；２烧毁设备（热稳定）；３电网大面积电压下降；４破坏电力系统的稳定；５影响电力系统通讯。

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短路的后果举例2003年8月14日－美国大停电•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）10/16/2023•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2003年8月14日－美国大停电10/16/2023停电前后卫星拍到的美国上空照片10/16/2023

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10/16/2023二.断线

断线也称纵向故障，例如一相断线使系统发生两相运行的非全相运行情况。一相断线或两相断线故障也属于不对称故障，其分析计算方法与不对称短路故障类似。在电力系统中的不同地点(两处以上)同时发生不对称故障的情况，称为复杂故障。10/16/2023三.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）；2、各发电机内电势间的相位角―相对功率角变；3、异步电动机的转差率保持不变。

不考虑机电的相互作用！10/16/2023四.短路故障的基本分析方法电气量剧烈变化，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：短路后的瞬间：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）

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短路后的不同时段

短路后的瞬间短路发生时刻短路后进入稳态10/16/2023第二节标幺值一．标幺值

标幺值的一般数学表达式为：

对于任意物理量均可用标幺值表示。

标幺值无量纲，无单位！

10/16/2023二．基准值的选取

基准值的选取有一定的随意性，在电路中，物理量Ｕ，Ｉ，Ｓ，Ｚ间有基本关系：单相三相单相三相四个量中去任意两个为基准值，一般选定电压和功率的基准值。10/16/2023

可得标幺值表示

单相三相10/16/2023三．不同电压等级电网中元件参数标幺值的计算

用标幺值计算时，把各元件参数的有名值归算到同一个电压等级后，在此基础上选定统一的基准值求各参数元件的标幺值。常用准确计算法和近似计算法。（一）准确计算法

原则用实际变比适用范围潮流计算（二）近似计算法

原则用平均额定电压比适用范围故障分析10/16/2023我国电网额定电压的平均额定电压值

平均额定电压值单位：ＫＶ电网额定电压361035110220330500平均额定电压3.156.310.53711523034552510/16/2023例题1故障计算时标么值用近似计算。设变压器容量

,

10/16/2023可得

近似计算时，

假设220=230即,UN=UB

得10/16/2023例题2计算图示输电系统的等值电路的参数标幺值

ⅡⅠⅢ10/16/2023第三节无限大功率电源供电的三相短路电流分析一,

无限大功率电源

电源功率为无限大时，外电路发生短路，电源的电压和频率（对应于同步机的转速）保持恒定，无限大电源可以看作是由多个有限功率电源并联而成，因而其内阻抗为零，电源电压保持恒定．

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二,暂态过程分析

当在f点发生三相短路时，电路被分成两个独立的回路。左边回路仍与电源连接，右边回路则没有电源。

10/16/2023上图所示的三相短路，短路发生前，电路处于稳态，其a相的电流表达式为

式中右边回路中，电流将从短路发生瞬间的值不断衰减，一直到磁场中储存的能量全部变为电阻中所消耗的热能，电流即衰减为零。左边回路中，每相阻抗由原来的

(R+R’)+jω(L+L’)减小为R+jωL，其稳态电流必将增大。10/16/2023短路后回路满足以下方程其中10/16/2023由于电感电流不能突变，因此有：

C值的确定代入通解得到：10/16/2023所以不衰减！衰减时间常数：T=L/R交流分量衰减的直流分量10/16/202310/16/2023

由于三相电路对称，只要用(α+120º)和(α-120º)代替式中的α就可分别得到b相和c相的电流表达式

可见，短路至稳态时，三相中的稳态短路电流为三个幅值相等，相角相差120º的交流电流，其幅值大小取决于电源电压幅值和短路回路的总阻抗。从短路发生到稳态的暂态过程中，每相电流中包含有逐渐衰减的直流电流，其出现的物理原因是电感电流不能突变。10/16/2023下图画出了t=0时的a相的电源电压，短路前的电流和短路电流交流分量的相量图a相短路电流的