电力系统故障分析

电力系统故障分析山东大学电气工程学院丛伟[e-mail]2015－4－20个人简介工学博士，副教授，硕士研究生导师山东大学电气工程学院继电保护研究所副所长1996年考入山东工业大学，2005年12月博士毕业留校2009年开始独立招收研究生，研究方向为电力系统继电保护承担国家级课题2项，省级课题2项，国家电网公司重大科技项目1项，重点科技项目10余项主要内容故障分析的基本知识简单不对称故障的分析计算不对称故障时电力系统中各电气量值的分布计算涉及的基本概念：1.什么是暂态？2.什么是电磁暂态？3.故障类型4.研究电力系统暂态过程的方法5.故障计算的基本假设1.什么是暂态？正常情况下电力系统处于稳态运行，此时发电厂中原动机的输入功率和发电机的输出功率相平衡，系统的频率和电压都是稳定的。当系统受到某种扰动时，上述功率平衡被打破，系统的运动状态也随之发生了变化。由于系统中包含有惯性元件，运动状态的变化不可能瞬时完成，而必须经历一个过渡状态，这种过渡状态就称为暂态。2.什么是电磁暂态？在暂态过程刚开始的一段时间内，系统中的发电机以及其它转动机械的转速由于惯性作用还来不及变化，暂态过程主要的决定于各元件的电磁参数，这一阶段称为电磁暂态。3.故障类型：常见的对电力系统危害比较严重的有：短路、断相以及各种复杂故障等。短路故障是电力系统中危害最严重的故障。短路的概念：指电力系统正常运行情况以外的一切相与相之间或相与地之间的“短接”。产生的原因：各种形式的过电压、绝缘材料的自然老化、脏污、直接机械损伤等；运行人员带负荷拉刀闸或线路检修后未拆除地线就加电压等误操作；鸟兽跨接在裸露的载流部分以及自然灾害等。短路的种类：短路种类三相短路两相短路两相接地短路示意图短路代表符号)3(K)2(K)1(K)1,1(K单相接地短路各种短路的示意图和代表符号短路的基本现象：电流剧烈增加，电压大幅度下降。短路的后果：（1）长时间的短路电流会使设备过热而损坏；（2）电压大幅度下降会造成产品报废及设备损坏；（3）有可能使并列运行的发电厂失去同步，破坏系统稳定，造成大面积停电；4.断相故障及复杂故障：断相故障：指电力系统一相断开或两相断开的情况。属于不对称性故障。复杂故障：指在电力系统中的不同地点（两处或两处以上）同时发生不对称故障的情况。又称复故障。5.研究电力系统暂态过程的方法：物理模拟法数学模拟法：（1)建立数学模型；（2）求解数学模型；（3）结果分析。6.故障计算的基本假设：（1）磁路的饱和、磁滞忽略不计，（2）系统中除不对称故障处以外都可当作是对称的。（3）各元件的电阻略去不计。（4）短路为金属性短路。故障分析的基本知识1-1对称分量法1-2序阻抗的基本概念1-3电力系统相序网络的构成对称分量法一、对称分量法将一组不对称的三相量看成是三组不同的对称三相量之和，在线性电路中，应用叠加原理，对这三组对称分量分别按对称三相电路去解，然后将其结果叠加起来。这种方法就叫做对称分量法。（a）正序分量（b）负序分量（c）零序分量图3-1三相不对称相量所对应的三组对称分量120°120°120°1cF&1aF&1bF&120°120°120°2bF&2cF&2aF&0aF&0bF&0cF&0.0.0.2.22.2.2.2.1.1.21.1.21.,,cbaabcababcabFFFFaFaFFaFFaFaFFaF1,0123212321322402120aaajeajeajj0.2.21.0.2.1..0.2.1.20.2.1..0.2.1..aaaccccaaabbbbaaaaFFaFaFFFFFaFFaFFFFFFFF)(31)(31)(31..2.2..2..1....0.cbaacbaacbaaFaFaFFFaFaFFFFFF+-+-+-ZNZGZGZGZLZLZLaE&++--+-aI&bI&cI&aU&bU&cU&aE&+-+-+-ZNZG1ZG1ZG1ZL1ZL1ZL1+-++--1aI&1bI&1cI&1aU&ZNZG2ZG2ZG2ZL2ZL2ZL2++--+-2aI&2bI&2cI&2aU&2aU&2aU&(b)2a1aU&1aU&(d)(e)aEa&2aEa&2aaaEa&2aEa&+++---ZNaE&ZGZLZGZGZLZLaI&0bI&0cI&0aU&bU&cU&（a）aEa&2aEa&a二、对称分量法在不对称故障计算中的应用图3-5利用对称分量法分析电力系统的不对称短路+-+-+-ZNZGZGZGZLZLZLaE&+++++++++---------2aU&1aU&0aU&aI&bI&cI&0aU&0aU&ZNZG0ZG0ZG0ZL0ZL0ZL0++--+-0aI&0bI&0cI&0aU&0bU&0cU&(c)(f)aEa&aEa&212aUa22aUa1aaU2aaU对正序网络：对负序网络：对零序网络：1.1.1.1.111..)()(aNcbaLGaaUzIIIzzIE1.111..)(aLGaaUzzIE2.2.2.2.222.)()(aNcbaLGaUzIIIzzI2.222.)(aLGaUzzI0.0.0.0.000.)()(aNcbaLGaUzIIIzzI0.000.)3(aNLGaUzzzI各序一相等值网络为：1aE&+-1aI&1aU&1GZ1LZ+-2GZ2LZ2aU&2aI&+-0aI&0aU&0GZ0LZNZ3（a）(b)(c)（a）正序等效网络；（b）负序等效网络；（c）零序等效网络图3-6正序、负序和零序等效网络对任意系统，其短路点各序电压和电流均满足以下关系式：222aaUZI000aaUZI1111aaaUZIE该式说明了各种不对称故障时出现的各序电流和电压之间的相互关系，表示了不对称故障的共性。对各种不对称故障都适用。三、应用对称分量法计算电力系统不对称故障的步骤（1）计算电力系统各元件的各序阻抗；（2）制定电力系统的各序网络；（3）由各序网络和故障条件列出对应方程；（4）从联立方程组解出故障点电流和电压的各序分量，将相应的各序分量相加，以求得故障点的各相电流和各相电压；（5）计算各序电压和各序电流在网络中的分布，进而求出各指定支路的各相电流和指定节点的各相电压。在制定各序网络时，必须先了解系统的接线，接地中性点的分布状况以及各元件的各序参数和等值电路；进而再分别各序，由短路点开始，查明序电流在网络中的流通情况，以确定各序网络的组成元件及其网络的具体连接。1-4电力系统相序网络的构成一、正序网络正序网络就是通常用以计算对称三相短路时的网络，流过正序电流的全部元件的阻抗均用正序阻抗表示。正序电动势就是发电机的电动势。二、负序网络组成负序网络的元件与组成正序网络的元件完全相同，各元件的阻抗要用负序参数表示。发电机及各种旋转电机的负序阻抗与正序阻抗不同，其他静止元件的负序阻抗等于正序阻抗。三、零序网络（1）不包含电源的电动势。各元件的阻抗均应以零序参数表示；（2）绘制等值网络时，只能把有零序电流通过的元件包括进去，而不通过零序电流的元件，则应统统舍去；（3）只有当和短路点直接相连的网络中至少有一个接地中性点时，才可以形成一个零序回路。如果与短路点直接相连的网络中有好几个接地的中性点，那么便有好几个零序电流的并联支路。（4）变压器绕组的接法对零序电流的通行路径有很大影响。（5）连在发电机或变压器中性点的元件，其阻抗值扩大为三倍；（6）平行线路中应计及零序互感的影响。简单不对称故障的分析计算4-1概述简单不对称故障:仅在一处发生短路或断线的故障。可分为二类：（1）横向不对称故障：两相短路、单相接地短路、两相接地短路；其特点为由系统网络中的某一点（节点）和公共参考点（接地点）构成故障端口。（2）纵向不对称故障：一相断线、二相断线；其特点为由电力网络中的两个高电位点之间构成故障端口。分析方法：（1）解析法：联立求解三序网络方程和故障边界条件方程；（2）借助于复合序网进行求解。4-2横向不对称故障的分析计算kaI&kbI&kcI&kaU&kbU&kcU&短路点KabcabcMNMaI&NaI&NbI&MbI&McI&NcI&图4－1系统接线图+-1aE&?1Z1K1N1kaI&1kaU&?2Z2K2N2kaI&2kaU&?0Z0K0N0kaI&0kaU&（a）（b）（c）图4－2正、负、零序等值网络图0002221111ZIUZIUZIEUkakakakakaaka一、二相短路（bc两相短路）kaI&kbI&kcI&kaU&kbU&kcU&短路点KabcabcMNKMaI&MbI&McI&NbI&NcI&NaI&)2(图4-3两相短路时的系统接线图（一）故障边界条件：kckbkckbkaUUIII,,0转换为对称分量：kbkckbkakakbkckbkakakckbkakaIjaIIaIIIjIaaIIIIIII31)(3131)(310)(3122210所以21kakaII22102120kakakakckakakakbUaaUUUaUUaUU2212)()(kakaUaaUaa12kakaUU又即所以故障边界条件方程为012120kakakakakaIIIUU（二）求解方法（1）解析法联立求解（1）、（2）二组方程，可得故障点电流、电压各序分量为：212221111ZIZIUZIEUkakakakaaka21121ZZEIIakaka短路点的各序复数功率为：222111kakakakakakaIUSIUS故障处各相电流电压为：kbkakckakakakakbkakakaIIjIIjIaaaIIaIIII11122122133)(0kakakakakckakakakakbkakakakakaUUUaaUUUUaUUaUZIUUUU2121221221121221121当故障点远离发电机时，可认为，此时12ZZ)3(1121123233kaaakckbIjZEjZZEjII（2）复合序网法112100kakaaakaUUIII由故障边界条件：可知序网连接方式为：+-?1aE&1Z1kaI&2Z2kaI&1K2K1N2N+-1aE&1Z1kaU&1kaI&“1”2Z2kaU&2kaI&“2”(a)(b)图4－4两相短路时的序网及复合序网图（三）故障点电流电压向量图：kaU&1kaU&2kaU&1kcU&2kcU&1kbU&2kbU&kcU&kbU&kcI&kbI&1kcI&2kcI&2kaI&0kaI&1kaI&1kbI&2kbI&（a）（b）图4－5两相短路时短路处的电压电流相量图(四)两相短路的基本特点：（1）短路电压电流中不存在零序分量；（2）两故障相中的短路电流的绝对值相等，方向相反，数值上为正序电流的倍；（3）当在远离发电机的地方发生两相短路时，可通过对序网进行三相短路计算来近似求两相短路的电流；（4）两相短路时的正序电流在数值上与在短路点加一个附加阻抗构成一个增广正序网而发生三相短路时的电流相等。即（5）短路点两故障相电压总是大小相等，数值上为非故障相电压的一半，两故障相电压相位上总是相同，但与非故障相电压方向相反。)2(112111ZZEZZEIaaka)2(Z3二、单相接地短路（A相）kaI&kbI&kcI&kaU&kbU&kcU&短路点KabcabcMNMaI&NaI&MbI&NbI&McI&NcI&图4-6单相接地短路时系统接线图（一）故障边界条件：0,0kckbkaIIU转换为对称分量：kaka