第六章电力系统三相短路的分析计算1

本章主要内容有：关于短路的一些基本概念，同步发电机的基本方程，以及三相短路的实用计算方法。第六章电力系统三相短路的分析计算第一节短路的一般概念故障:一般指短路和断线,分为简单故障和复杂故障简单故障:电力系统中的单一故障复杂故障:同时发生两个或两个以上故障短路:指一切不正常的相与相之间或相与地之间（对于中性点接地的系统）发生通路的情况。表6-1各种短路的示意图和代表符号短路种类示意图代表符号三相短路f(3)两相短路接地f(1,1)两相短路f(2)单相短路f(1)一、短路的类型①绝缘材料的自然老化，设计、安装及维护不良所带来的设备缺陷发展成短路。②恶劣天气：雷击造成的闪络放电或避雷器动作，架空线路由于大风或导线覆冰引起电杆倒塌等。③人为误操作，如运行人员带负荷拉刀闸，线路或设备检修后未拆除地线就加上电压引起短路。④挖沟损伤电缆，鸟兽跨接在裸露的载流部分等。二、短路的主要原因(1)电流剧增：设备发热增加，若短路持续时间较长，可能使设备过热甚至损坏;由于短路电流的电动力效应，导体间还将产生很大的机械应力，致使导体变形甚至损坏。(2)电压大幅度下降，对用户影响很大。(3)当短路发生地点离电源不远而持续时间又较长时，并列运行的发电机可能失去同步，破坏系统运行的稳定性，造成大面积停电，这是短路最严重的后果。(4)发生不对称短路时,三相不平衡电流会在相邻的通讯线路感应出电动势,影响通讯.三、短路的危害四、计算短路电流的目的短路电流计算结果•是选择电气设备（断路器、互感器、瓷瓶、母线、电缆等）的依据；•是电力系统继电保护设计和整定的基础；•是比较和选择发电厂和电力系统电气主接线图的依据，根据它可以确定限制短路电流的措施。•恒定电势源（又称无限大功率电源），是指端电压幅值和频率都保持恒定的电源，其内阻抗为零。一、三相短路的暂态过程第二节恒定电势源电路的三相短路图6-1简单三相电路短路•短路前电路处于稳态：222)()(LLRREImmRRLLtg)(1)sin(tEdtdiLRima相的微分方程式如下：其解就是短路的全电流，它由两部分组成：第一部分是微分方程的特解代表短路电流的周期分量(强制分量)第二部分是方程式对应齐次方程的一般解，称为非周期分量（自由分量）。假定t＝0时刻发生短路0dtdiLRi22)(LREImPmRLtg1)sin(tIiPmP短路电流的强制分量与外加电动势有相同的变化规律,并记为周期分量：Pi是电源电动势的初始相角度，即t=0时的相位角，亦称合闸角。非周期分量：亦称短路电流的自由分量,记为aTtptaPCeCei0pLR—特征方程p的根。LRpaT—非周期分量电流衰减的时间常数RLpTa1（C为由初始条件决定的积分常数）aPi短路的全电流可表示为：aTtPmaPPCetIiii/)sin(CIIPmm)sin()sin()sin()sin(0PmmaPIIiCaTtPmmPmeIItIi/)]sin()sin([)sin()sin(tIim短路电流不突变短路前电流积分常数的求解]0[)sin(iIm0)sin(PPmiI]0[0iiP短路电流关系的相量图表示在时间轴上的投影代表各量的瞬时值•指短路电流最大可能的瞬时值，用表示。其主要作用是校验电气设备的电动力稳定度。(1)相量差有最大可能值；(2)相量差在t＝0时与时间轴平行。一般电力系统中，短路回路的感抗比电阻大得多，即，故可近似认为。因此，非周期电流有最大值的条件为：短路前电路空载（Im=0),并且短路发生时，电源电势过零（α＝0）。imiPmmIIPmmII90RL二、短路冲击电流非周期电流有最大初值的条件应为：图6-3短路电流非周期分量有最大可能值的条件图非周期电流有最大值的条件为（1）短路前电路空载（Im=0)；（2）短路发生时，电源电势过零（α＝0）。将，和＝0代入式短路全电流表达式：0mI90aTtPmPmeItIi/cos短路电流的最大瞬时值在短路发生后约半个周期时出现（如图6-4）。若Hz，这个时间约为0.01秒，将其代入式（6-8），可得短路冲击电流：50faTPmPmimeIIi/01.0PmimpmTIkIea)1(/01.0kim为冲击系数,实用计算时，短路发生在发电机电压母线时kim＝1.9；短路发生在发电厂高压母线时kim＝1.85；在其它地点短路kim＝1.8。P113aTimek/01.01图6-4非周期分量有最大可能值时的短路电流波形图三、短路电流的有效值•在短路过程中，任意时刻t的短路电流有效值，是指以时刻t为中心的一个周期内瞬时电流的均方根值，即dtiiTdtiTITtTtaptptTtTttt22/2/2/2/2)(11为了简化计算，通常假定：非周期电流在以时间t为中心的一个周期内恒定不变，因而它在时间t的有效值就等于它的瞬时值，即aptaptiI对于周期电流，认为它在所计算的周期内是幅值恒定的，其数值即等于由周期电流包络线所确定的t时刻的幅值。因此，t时刻的周期电流有效值应为图6-5短路电流有效值的确定2PmtPtII根据上述假定条件，公式(6-10)就可以简化为：22aptpttIII短路电流的最大有效值：222)1(21]2)1[(imppimpimkIIkII短路电流的最大有效值常用于校验某些电气设备的断流能力或耐力强度。（6-11）短路电流最大有效值出现在第一周期，其中心为：t=0.01sPmimTPmapIkeIIa)1(/01.0aTimek/01.01短路容量也称为短路功率，它等于短路电流有效值同短路处的正常工作电压（一般用平均额定电压）的乘积，即tavtIVS3用标幺值表示时tBtBBtavtIIIIVIVS33短路容量主要用来校验开关的切断能力。四、短路容量（1）电势都同相位：短路过程中各发电机之间不发生摇摆，并认为所有发电机的电势都同相位。（2）负荷近似估计：或当作恒定电抗，或当作某种临时附加电源，视具体情况而定。（3）不计磁路饱和：系统各元件的参数都是恒定的，可以应用叠加原理。第五节电力系统三相短路的实用计算一、三相短路实用计算的基本假设（4）对称三相系统：除不对称故障处出现局部的不对称以外，实际的电力系统通常都当做是对称的。（5）纯电抗表示:忽略高压输电线的电阻和电容，忽略变压器的电阻和励磁电流（三相三柱式变压器的零序等值电路除外），加上所有发电机电势都同相位的条件，这就避免了复数运算。（6）金属性短路:短路处相与相（或地）的接触往往经过一定的电阻（如外物电阻、电弧电阻、接触电阻等），这种电阻通常称为“过渡电阻”。所谓金属性短路，就是不计过渡电阻的影响，即认为过渡电阻等于零的短路情况。二、网络变换与化简ffmfmfffZEIZEZEZEI2211等值化简目标1.网络的等值变换（1）星网变换图6-30星形(a)和三角形(b)接线(a)(b)213133113232233212112ZZZZZZZZZZZZZZZZZZ312312312333123122312231231231121ZZZZZZZZZZZZZZZZZZ多支路星形变为网形图6-31多支路星形变为网形4321414141322341211211111111ZZZZZZZZZZZZZZZZZiiiijiijiiii:式中可以把该变化推广到i=n的情况（2）有源支路的并联图6-32并联有源支路的化简IZVEmiii1(a)(b)miiieqeqZEZVE1)0(2121ZZZZZeq211221ZZZEZEEeq令0I对于两条有源支路并联miieqZIVZ111iE令＝0IZVEmiii1由上图可得由戴维南定理定义计算Z6Z5fZ7Z4Z2Z3Z1Z10Z5fZ7Z8Z2Z9Z1fZ13Z11Z12Z2Z1fZ2fZ1ffZfΣEfΣ输入阻抗转移阻抗例:求输入阻抗和转移阻抗的过程2.分裂电势源和分裂短路点图6-33分裂电势源和分裂短路点(a)(b)(c)3.利用网络的对称性化简对称性：指网络的结构相同，电源一样，阻抗参数相等（或其比值相等）以及短路电流的走向一致等。在对应的点上，电位必然相同。同电位点之间的电抗可根据需要短接或断开。以图6-34为例进行说明。(a)网络接线图(b)等值电路(c)简化后的等值电路图6-34利用电路的对称性进行网络简化取网络中各发电机的电势为零，并仅在网络中某一支路（如短路支路）施加电势，在这种情况下，各支路电流与电势所在支路电流的比值，称为各支路电流的分布系数，用C表示。E电流分布系数的定义(1)电流分布系数的基本概念4.电流分布系数法fIIc11fIIc22fiiIIc……图6-35求电流分布系数示意图电流分布系数的特点：fIIII3211321321cccIIIIIIfff421III421ccc所以因为图6-35求电流分布系数示意图(2)分布系数与转移阻抗之间的关系ffIEZ11IEZf22IEZf33IEZf；；；fffffffffffffffZZZEZEIIcZZZEZEIIcZZZEZEIIc333322221111//////332211cZZcZZcZZffffff（3）电流分布系数的确定方法单位电流法21422111,/,IIIZVIZIZVaa343344,/,IIIZVIIZVVfbabfbfIZVE5令11I21444332211/////cccIIcIIcIIcIIcIEZfffffff＝或332211cZZcZZcZZffffff网络还原法图6-37并联支路的电流分布系数IZIZeqiiIZZIieqicZZcieqi两端同时除以短路电流fI对于两条并联支路且短路发生在总支路上时（）21122121ZZZcZZZc1ccZZcieqi补充例题1图6-38网络及其变换过程(a)(b)(c)(d)补充例题2图6-39网络的变换过程(a)(b)(c)(d)三、起始次暂态电流和冲击电流的实用计算1.起始次暂态电流的计算•起始次暂态电流：短路电流周期分量（基频分量）的初值。•静止元件的次暂态参数与稳态参数相同。11.1~05.1E实用计算：1E不计负载影响：•发电机：用次暂态电势和次暂态电抗表示。EdXIXjEVd•异步电动机：]0[]0[]0[sinIXVE2.0X图6-40异步电机简化相量图近似计算：•综合负荷：8.0E35.0X•输电线路和变压器：次暂态参数与其稳态参数相同。ffmfmfffZEIZEZEZEI2211用次暂态参数表示的等值电路及次暂态电流计算2.冲击电流的计算LDLDimLDimIki2•异步电机的提供的冲击电流：LDLDimimimIkIki22冲击电流发电机冲击系数P16对小容量电机和综合负荷：1.LDimk容量为200~500kW的异步电机：1.7~.51