电力系统暂态分析Chap1概要

1电力系统电磁暂态分析2绪论几个基本概念电力系统：由生产、变换、输送、分配、消费电能的发电机、变压器、变换器、电力线路和各种用电设备（一次设备）以及测量、保护、控制、通讯等智能装置（二次设备）组成的统一整体。运行参量：定量地确定了系统运行状态，包括功率、电压、电流、频率以及角位移等元件参数：由元件物理特性决定，代表元件特性，直接影响运行参量大小，包括阻抗、导纳、变比、时间常数和放大倍数等3绪论稳态：电力系统正常的相对静止的运行状态，系统参数不变，运行参量不变或在某一均值附近持续地以较小幅度变化暂态：受扰后系统参数改变，系统从原来的稳定运行状态向新系统参数对应的运行状态过渡的过程，运行参量可能发生较大变化，例如出现过电压、过电流、机组失步稳态与暂态的相对性：电力系统的系统参数无时无刻不在变化，所以电力系统时刻处于暂态过程中，但如果系统参数变化较小，过渡过程中运行参量的变化很小，就称为稳态；当系统参数变化很大时（如短路时），过渡过程中运行参量变化大，称为暂态。4绪论暂态过程分类波过程与运行操作或雷击时的过电压有关，涉及电流、电压波的传播。波过程的计算不能用集中参数,而要用分布参数，过渡过程很短暂，为微秒级机电暂态大扰动引起发电机等转动元件的输出电功率突变造成机械和电磁转矩不平衡，引起转子的摇摆、振荡过程称为机电过程，重点分析发电机转子运动规律，讨论电力系统运行的稳定性，可对一些电磁运行参量作近似假设。机电暂态过程既依赖于发电机电气参数,也依赖于发电机的机械参数，并且电气运行状态与机械运行状态相互关联,是一种机电联合的一体化的动态过程。这类过程的持续时间最长，为秒级（1-10S）5绪论暂态过程分类电磁暂态变压器、线路等静止元件短路后引起的电流、电压突变及其后在电感、电容型储能元件及电阻型耗能元件中引起的过渡过程称为电磁过程。重点分析短路故障后网络中电流、电压变化，可不计机组间角位移的变化电磁暂态过程主要与短路和自励磁有关，计算要应用磁链守恒原理,引出暂态、次暂态电势、电抗及时间常数等参数,据此算出各阶段短路的起始值及衰减时间特性。持续时间较波过程长，为毫秒级（10-2～1S）6绪论本课程的任务《电力系统稳态分析》：电力系统稳态运行的分析计算《电力系统暂态分析》：电力系统电磁暂态过程和机电暂态过程的分析计算电磁暂态过程分析又称为电力系统故障分析（第一篇）电力系统机电暂态过程分析主要讨论电力系统运行的稳定性，所以又称为电力系统稳定性分析（第二篇）《高电压技术》——波过程的分析计算7课程内容电磁暂态分析的主要内容：电力系统故障分析的基础知识（第一章）同步发电机突然三相短路分析（第二章）电力系统三相短路电流的实用计算（第三章）对称分量法与电力元件的各序参数和等值电路（第四章）不对称故障的分析计算（第五章）8课程考试及答疑平时成绩20平时作业及课堂表现出席情况答疑安排：时间待定地点待定考试安排：初步定在课程结束后1周内9教材及参考资料李光琦，电力系统暂态分析，中国电力出版社何仰赞等，电力系统分析（上册），华中理工大学出版社101112第一章电力系统故障分析的基础知识第一节故障概述第二节标幺制第三节无限大功率供电的三相短路电流分析学时：4本章作业：见教师个人主页13第一节故障概述一、短路故障短路概念一切不正常的相与相或相与地之间的连接称为短路，又叫横向故障短路类型（short-circuitfault）三相短路（5％）两相短路（10％）单相接地短路（65％）两相短路接地（20％）f（3）f（1）f（2）f（1,1）不对称故障14第一节故障概述一、短路故障短路原因载流部分相间绝缘或对地绝缘损坏、鸟兽跨接在裸露载流部分、气象条件恶化（大风、覆冰）引起倒塔、人为事故及其它原因短路后果1.短路点的电弧高温使设备烧坏2.短路电流的热效应引起的温度升高加快绝缘老化，甚至烧坏设备3.短路电流产生的电动力使设备导体变形或损坏4.引起电网中电压降低，使负荷运行稳定性破坏—电动机停转5.发电机输出电磁功率的改变导致转子转矩不平衡，可能失去同步6.不对称短路时出现的零序电流将对邻近通讯线路形成干扰7.不对称短路时出现的负序电流将引起旋转电机转子的附加发热15第一节故障概述一、短路故障减少短路电流危害的应对措施1.限制短路电流的数值（限流电抗器等）2.限制短路电流存在的时间（继电保护切除故障）3.采用继电保护和重合闸相配合短路电流计算的意义1.为变电站电气主接线、电气设备选择提供依据2.为限制短路电流的措施提供依据3.为继电保护配置与整定计算提供依据16第一节故障概述二、断线故障断线故障概念不正常的单相或多相断线导致的非全相运行状态，又叫纵向故障断线类型（openconductorFault）一相断线两相断线断线原因1.采用分相断路器的线路发生单相短路时单相跳闸2.线路一相或两相导线断开断线影响造成三相不对称，产生负序和零序分量，而负序和零序分量对电气设备和通讯有不良影响17第一节故障概述三、故障的其它分类分析方法上：不对称故障、对称故障（f(3)）计算方法上：并联型故障、串联性故障简单故障：在电力系统中只发生一个故障。复杂故障：在电力系统中的不同地点（两处以上）同时发生不对称故障。18第二节标幺制标么制（Per-UnitSystem）电力系统的计算有两种计算体系有名制：采用有单位（V、A、W、Ω、S等）的数值（有名值）表示物理量和进行计算的方法。绝对单位制。标么制：采用没有单位的相对值（标么值）表示物理量和进行计算的方法。相对单位制。有名值（、S、kV、kA、MVA等）标么值=基准值（与相应有名值单位相同）19第二节标幺制三相星形接线系统标幺制下的基准值约束关系ZB、YB：单相阻抗、导纳的基准值UB、IB：线电压、线电流的基准值UΦB、SΦB：相电压和单相功率的基准值SB：三相功率的基准值133BBBBBBBBBBBBSUIUZIYZSSUU********UZIUSUIS在标幺制中三相电路的关系式类似于单相电路20第二节标幺制三相电气系统基准值的一般取法取线电压基准值UB，一般取网络额定电压取三相功率基准值SB，一般取100MVA，1000MVA根据约束关系计算其它基准值：注意：全网的功率基准值唯一多电压级网络中，各级电网的电压基准值不同BBBUSI3BBBSUZ22BBBUSY21第二节标幺制基准值改变时标幺值的换算如果变压器发电机电抗器*()2BBBSXXU*()2NNNSXXU2*()*()*()NNBBBNNNNBBUUSIXXXSIUUT*()%S100SkBBNUXBNUUR*()%S100SRBBNUXG*()*(N)S/cosBBGNNXXP22第二节标幺制多电压网络等级中元件参数标么值的计算参数归算法：先将各电压等级的有名值参数都归算到基本级，再除以基本级的基准值，折算为标么值。基准值归算法：先将基本级的基准值归算到各电压等级得到各级的基准值，再将各级未经归算的有名值除以各级的基准值，折算为标么值。常用的标么值归算法：选择全网统一功率基准，选择各级电网额定电压为各自基准电压将未经归算的各级有名值除以各级的基准值，折算为标么值理想变压器的变比用标幺值变比（实际变比除以基准变比）表示近似计算法假定变压器变比为各电压等级的平均额定电压之比选取各电压等级的平均额定电压为基准电压23第二节标幺制（1）准确计算法2121kVBU100MVABS12110.5/12110.5kV121BBUUk111005.5kA3310.5BBBSIU3226.6/1217.26kV110BBUUk221000.48kA33121BBBSIU331007.95kA337.26BBBSIU*1000.260.8730GX*21000.4800.22121IIX1*1000.1050.3331.5TX22*21101000.1050.5815121TX*67.950.051.097.260.3RX24第二节标幺制（2）近似计算法100MVABS110.5kVBU111005.5kA3310.5BBBSIU36.3kVBU221000.5kA33115BBBSIU331009.5kA336.3BBBSIU*1000.260.8730GX*21000.4800.24115IIX1*1000.1050.3331.5TX2*1000.1050.715TX*69.20.051.466.30.3RX2115kVBU25第二节标幺制频率、角频率、电感、时间和磁链的基准值一般选额定频率fN为频率基准值角频率的基准值电感的基准值时间的基准值取同步电机转子转过一弧度所需的时间磁链的基准值当ω=2πfN=ωB时NBff2BsNf/BBBLZ1/BBt**sinsinsinBBttttBBBLIBXLLIBBELI**XL***LI**E下标s：Synchronous26第三节无限大功率电源的三相短路电流分析本节一些变量下标的说明|0|：故障前瞬间，相当“电路”中的0-0：故障后瞬间，相当“电路”中的0+p或ω：周期分量（period）、ω：频率为ω的分量α：非周期分量m：向量的模值（mode）M：最大值（maximum）∞：稳态值（t→∞）27第三节无限大功率电源的三相短路电流分析无限大电源的概念电压和频率保持恒定的电源称为无限大功率电源电源容量无限大时，外电路发生短路或其他扰动引起的功率改变相对于电源容量微不足道，故电源频率（同步发电机转速）保持恒定无限大功率电源可看作无限个有限功率电源并联而成，根据戴维南定理其等效内阻抗为无限个有限内阻抗的并联值，故为零。内阻抗为零使得负荷变化时其端电压总保持不变无限大电源：UG=常数、xG=0、ω=常数当电源的内阻抗远远小于短路回路总阻抗时(10%)，负荷变化对电源端电压和频率的影响很小，可视为不变，此时实际有限容量电源可以视为无限大功率电源28暂态过程分析短路前电路处于稳定状态，ia的表达式为：其中：|0||0|sin()amiIt22|0|)()(LLRRUImm|0|LLarctgRR第三节无限大功率电源的三相短路电流分析29第三节无限大功率电源三相短路电流分析暂态过程分析f点发生三相短路时右侧回路为无源网络，L´中的电流不能突变，ia´、ib´、ic´将从短路前的数值逐渐衰减到零左侧每相阻抗减小，稳态电流必将增大特解为t→∞时方程组的解，即短路达到稳定状态时的电流，又称为短路电流的稳态分量或周期分量。)sin(tURidtdiLmaa其解=特解+齐次方程的通解aaaiiisin()apamiiIt22()mmUIRLLarctgR30暂态过程分析iαa—短路电流的自由分量，又称为非周期分量，对应于上述微分方程的齐次微分方程的解。C为积分常数，其值为非周期分量的起始值。短路后的过渡过程中A相电流可以表示为：短路前后L中的电流不能突变，所以短路前后瞬间电流应相等0aaRidtdiLatRtTLaiCeCeaTtmaCetIi)sin(0|0|aaii|0||0||0|sin()amiI0sin()amiIC|0||0|0sin()sin()mmaCIIi第三节无限大功率电源三相短路电流分析31暂态过程分析较大