第17次课-第6章 电力系统对称故障分析

第六章电力系统对称故障分析（第1部分）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主要教学安排主讲内容电力系统短路的基本知识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教学要求掌握电力系统短路的基本知识掌握无限大功率电源供电系统的三相短路重点、难点无限大功率电源供电系统的三相短路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L—1、L—2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，断路故障对通信也有影响。对于超高压系统，保护装置应在3周期之内切除短路故障，低压系统保护动作时间一般为5-20周期。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。1、电力系统短路的基本知识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单相RL串联电路的暂态过程分析()2sinetUtaSWt=0,写出KVL方程：()/()sin()()()()[sin()sin()]ditmdtacdctTmLRitUtaitititUtaaeAZ22221()tan2ZRLRXLRLXXTRRfRiac：短路电流周期（强制分量）分量idc：短路电流非周期（自由）分量2、无穷大供电系统的三相短路Z=R+jωL()/()sin()()()()[sin()sin()]ditmdtacdctTmLRitUtaitititUtaaeAZ2/22,0,2,2,,()2[sin()]acdcdcactTacUIZaIUaIIZaitIteSW单相短路的暂态过程分析222/22/4/(/)()[][][][2]12/(2),/()()()12acdctTacactTacacXRItIIIIeIeTXfRtfIKIKe交流分量有效值直流分量为零直流分量最大Z=R+jωLτ为周期常数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三相短路的暂态过程：由于是对称故障，以a相为例分析00sinsin120sin120ambmcmuUtauUtauUta2、无穷大供电系统的三相短路短路前瞬间系统正常运行，电流幅值和相角：•三相短路的暂态过程：[0]'22'2'1[0]'()()()tanmmUIRRLLLLRR''()()RRjLLRjL短路后每相阻抗变化为：[0][0][0]sinsinamamuUtaiIta2、无穷大供电系统的三相短路假设短路发生在t=0时刻，则短路后a相回路电压方程为：/sin()sin()adiamdttTamLRiUtaiItaCeT=L/R短路后电流的幅值。[0][0]sin()sin()mmCIaIa2、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：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：短路电流周期（强制分量）分量/0/0/sin()sin(120)sin(120)tTamtTbmtTcmiItaCeiItaCeiItaCe2、三相短路的暂态过程分析[0][0]sin()sin()mmCIaIa三相短路全电流为交流分量与直流分量的叠加：自由分量（直流）强制分量（交流）/0/0/sin()sin(120)sin(120)tTamtTbmtTcmiItaCeiItaCeiItaCea相b相c相2、无穷大供电系统的三相短路短路电流周期（强制分量Acfaultcurrent）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Dcoffsetcurrent）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：2、无穷大供电系统的三相短路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个周期时刻，当f=50Hz时，冲击电流在短路后0.01s(T/2)时出现。0.01/(0.01)TimmimmiIIeKI1.81.9imK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，0.01/(0.01),1TmimIIKea相T/22、无穷大供电系统的三相短路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()[()()]TTTTtptatIitdtititdtTTi(t),ipt(t),iat(t)分别为t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。短路电流最大有效值发生在短路后半个周期，其值为：222(0.01)2(/2)12(1)2mimmimIIIIK2、无穷大供电系统的三相短路短路容量（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。3tavtSUI短路电流有效值It2、无穷大供电系统的三相短路平均额定电压****313avttttBBBttBUIISIIXUISIS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=0.402Ω/km,r=0.11Ω/km,2222222213538.50.50031000100020%10.538.57.781810010020/2/20.1110/20.55/2/20.40210/22.01NNsTNkTNLLPURSUUXSRrLXxL22220.01/2(/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(1.714gTLTLTimimimmimimUIRRXXkALTsRKeiKIkAIIK21)3.207633372.2571144.648tNkASUIMVA将变压器参数归算到低压35kV侧：短路冲击电流最大有效值短路功率短路电流周期分量有效值2、无穷大供电系统的三相短路三相短路电流三相短路电压三相短路两相接地短路三相短路电流三相短路电压同步发电机三相短路的假设：1)电机铁心部分的导磁系数为常数2)电机定子三相绕组完全对称，在空间上互差120度，转子在结构上对本身的直轴和交轴完全对称。3)电子电流在空气隙中产生正弦分布的磁势，转子绕组和定子绕组间的互感磁通也在空气隙中按正弦规率分布。4)定子及转子的槽和通风沟不影响定子及转子的电感，即认为电机的定子及转子具有光滑的表面。5)暂态过程中发电机转速保持不变。6)发电机短路后，不考虑强行励磁，即磁电压保持不变。7)短路发生在发电机机端，其他线路短路，也可看作为在发电机机端短路一样。3、同步发电机三相短路电磁暂态过程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：暂态短路电流短路达到稳态时的稳态电流'[0][0][0][0]//000''()()cos()cos()cosdaqqqqtTtTAddddEEEEitteteXXXX',daTT时间常数0''qdEIX[0]()qacdEIIX短路瞬时的空载电动势空载电动势无阻尼绕组发电机机端短路时暂态电抗稳态电抗3、同步发电机三相短路电磁暂态过程'0''[0][0]0//000''()()cos()cos()cosqdaqqqtTtTAddddEEEEitteteXXXX发电机负载短路时，短路电流表达式：短路瞬时暂态电动势暂态电动势..''dEUjIX''0[0]qqEE暂态等效电路'''dEIX发电机端短路暂态电流无阻尼绕组发电机机端短路时暂态电抗负载时，发电机端电压平衡方程为：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[0]''''qdEIX空载时，发电机端短路次暂态电流负载时，发电机端电压平衡方程为：..''''dEUjIX虚构的次暂态电动势，计算用的电动势''''''dEIX次暂态等效电路''2I2Iiac(t)t'''dddXXX，，次暂态电抗暂态电抗稳态电抗（次暂态电抗）（暂态电抗）稳态电抗3、同步发电机三相短路电磁暂态过程''''''(0)acdEIIX次暂态电流'''dEI