(完整版)第五章电力系统三相短路的暂态过程09.4.2

2020/11/6电力系统分析第五章电力系统三相短路的暂态过程1第5章电力系统三相短路的暂态过程5.1短路的一般概念5.2恒定电势源电路的三相短路5.3同步电机突然三相短路的物理过程5.4无阻尼同步电机三相短路电流计算5.5有阻尼同步电机的突然三相短路5.6强行励磁对短路暂态过程的影响2020/11/6电力系统分析第五章电力系统三相短路的暂态过程2内容提要提出短路的基本概念、短路造成的危害以及短路计算的目的；假设发电机容量为无限大、电压及频率为恒定的条件下，基于磁链守恒原则对电力系统三相短路的暂态过程、短路电流及功率进行分析；发电机突然发生三相短路的暂态过程；2020/11/6电力系统分析第五章电力系统三相短路的暂态过程35.1短路的一般概念一、短路的原因、类型及后果电力系统的短路故障也称为横向故障，一相或两相断线的情况为断路故障，也称为纵向故障。短路——一切不正常的相与相之间或相与地(对于中性点接地的系统)发生通路的情况。1.短路的原因：(1)元件损坏(2)气象条件恶化(3)违规操作(4)其他，例如挖沟损伤电缆，鸟兽跨接2020/11/6电力系统分析第五章电力系统三相短路的暂态过程42005年华北联网系统进行的人工三相完全金属性接地短路试验电杆拉线被盗倒杆线路短路2020/11/6电力系统分析第五章电力系统三相短路的暂态过程52.短路故障种类三相短路、两相短路、两相短路接地和单相接地短路三相短路——对称短路；其他类型的短路——不对称短路在各种类型的短路中，单相短路占大多数（65%），两相短路较少，三相短路的机会最少2020/11/6电力系统分析第五章电力系统三相短路的暂态过程63.短路的危险后果①出现大电流。电源供电回路阻抗↓→短路回路电流值↑↑短路点的电弧有可能烧毁电气设备；短路电流通过电气设备中的导体时，热效应引起导体或其绝缘的损坏；导体受到很大的电动力冲击，致使导体变形，甚至损坏。图短路引发变压器着火2020/11/6电力系统分析第五章电力系统三相短路的暂态过程7②系统电压大幅度下降。电网电压的降低使由各母线供电的用电设备不能正常工作。异步电动机，Tem∝U2→n↓，甚至停转。图正常运行和短路故障时各点的电压靠近短路点处的电压下降最多，可能使部分用户供电受到破坏。1：正常运行。2：f1点短路。3：f2点短路。2020/11/6电力系统分析第五章电力系统三相短路的暂态过程8③发电厂失去同步，破坏系统稳定，造成大片地区停电——最严重后果。∵f1或f2点短路，发电机输出的有功功率都要下降。发电机的输入功率是由原动机的进汽量或进水量决定的，不可能立即相应变化。∴发电机的输入和输出功率不平衡，发电机的转速将变化，这就有可能引起并列远行的发电机失去同步，破坏系统的稳定，引起大片地区停电。2020/11/6电力系统分析第五章电力系统三相短路的暂态过程9④发生不对称短路时，不平衡电流能产生足够的磁通在邻近的电路内感应出很大的电动势，这对于架设在高压电力线路附近的通讯线路或铁道讯号系统等会产生严重的影响。2020/11/6电力系统分析第五章电力系统三相短路的暂态过程104.预防短路措施①采取合理的防雷措施，加强运行维护管理；②线路上安装电抗器。③采用继电保护装置，切除故障设备，保证无故障部分安全运行；④架空线路采用自动重合闸装置；切除2020/11/6电力系统分析第五章电力系统三相短路的暂态过程11二、短路计算的目的短路计算是解决一系列技术问题所不可缺少的基本计算选择有足够机械稳定度和热稳定度的电气设备，必须以短路电流为依据；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；在设计和选择电气主接线时，依据短路计算结果确定是否需要采取限制短路电流的措施等，造价评估，选择最佳接线方案；进行电力系统暂态稳定计算，研究短路对用户工作的影响；确定输电线路发生短路故障对临近通讯线路的干扰，必须进行短路计算。2020/11/6电力系统分析第五章电力系统三相短路的暂态过程12确定计算条件：①短路发生时系统的运行方式②短路的类型和发生地点③短路发生后所采取的措施等2020/11/6电力系统分析第五章电力系统三相短路的暂态过程135.2恒定电势源电路的三相短路•电源功率无限大。外加电路发生扰动，比如短路，引起线路功率分布的改变，但对电源来说微不足道。U、f保持不变。•或者可以看作由无数有限功率电源并联，因而内阻为0。电源电压保持恒定。2020/11/6电力系统分析第五章电力系统三相短路的暂态过程14例：供电于降压变压器的系统降压变压器的容量小于电源容量的3％，便可认为该电源为无限大功率电源。1.接于一台50MW水轮发电机端的1800KVA厂用变压器(Uk％＝6)。2.发电机暂态电抗的标么值都小于0.3，故当电源到短路点之间的电气距离(以电源容量为基准值的转移电抗)大于3时，即可认为该电源为无限大功率电源。总之，电源的端电压及频率在短路后的暂态过程中保持不变，是由无限大功率电源供电电路的重要特征。2020/11/6电力系统分析第五章电力系统三相短路的暂态过程15一、短路的暂态过程短路前a相的电势和电流：式中：合闸角α：短路（或合闸）前瞬间电压的相位角。)'sin()sin(tIitEemm222)'()'(LLRREImm')'('RRLLarctgia幅值2020/11/6电力系统分析第五章电力系统三相短路的暂态过程16系统发生三相短路后，f点左半部和右半部仍保持对称。右半部：i——→0；左半部：短路前，短路后，阻抗值从)sin(tIimLjRLLjRR)()(衰减2020/11/6电力系统分析第五章电力系统三相短路的暂态过程17短路后a相的微分方程式(5-2)解就是短路的全电流：1.特解，代表短路电流的强制分量、周期分量、新稳态电流；2.齐次方程的一般解，代表短路电流的自由分量、非周期分量。（5-2）)sin(tEdtdiLRim2020/11/6电力系统分析第五章电力系统三相短路的暂态过程18短路全电流短路电流周期分量幅值电路的阻抗角（5-3）短路电流的周期分量appiii)sin(tIipmp22)(LREImpmRLarctg)sin(tEdtdiLRim2020/11/6电力系统分析第五章电力系统三相短路的暂态过程19短路电流非周期分量特征方程的根自由分量衰减的时间常数（5-4）)/exp(aptapTtCCei积分常数C，由初始条件决定，即非周期电流的起始值iap00]0[iiCIIpmm)sin()sin()sin()sin(0pmmapIIiC短路全电流appiiiLRp/RLpTa//1)sin(tIimaTtpmCetIi/)sin(2020/11/6电力系统分析第五章电力系统三相短路的暂态过程20a相短路电流的算式b相短路电流的算式：c相短路电流的算式：（5-6）aTtpmmpmappeIItIiii/)]sin()sin([)sin(ipiapaTtpmmpmeIItIi/)]120sin()120sin([)120sin(aTtpmmpmeIItIi/)]120sin()120sin([)120sin(①三相短路电流的周期分量是一组对称正弦量；②各相非周期分量不相等。2020/11/6电力系统分析第五章电力系统三相短路的暂态过程21i[0]iap0ip0mE短路暂态过程的相量图0)sin(ppmpmiII]0[)sin(iIImm0appmmiII000]0[iiiiapp短路前周期电流短路后非周期电流短路后周期电流2020/11/6电力系统分析第五章电力系统三相短路的暂态过程22i[0]iap0ip0非周期电流初值的大小同短路发生的时刻有关，即与短路发生时电源电势的初始相角α有关。平行；垂直0appmmiII2020/11/6电力系统分析第五章电力系统三相短路的暂态过程23非周期分量有最大初值或零值的情况只可能在一相出现。2020/11/6电力系统分析第五章电力系统三相短路的暂态过程24二、短路冲击电流非周期分量电流出现最大值：(1)相量差有最大可能值(2)相量差在t＝0时与时间轴平行pmmIIpmmII)sin()sin(0pmmpmmapIIIIi2020/11/6电力系统分析第五章电力系统三相短路的暂态过程25短路电流最大可能的瞬时值称为短路冲击电流，以iim表示。短路冲击电流出现的条件：1.短路回路为纯电感电路ψ＝90°2.电压的初相角过零值α=03.电路原来处于空载Im=0aTtpmmpmeIItIi/)]sin()sin([)sin(2020/11/6电力系统分析第五章电力系统三相短路的暂态过程26aTtpmpmeItIi/cos可能出现最大短路冲击电流的表达式：aTtpmmpmeIItIi/)]sin()sin([)sin(2020/11/6电力系统分析第五章电力系统三相短路的暂态过程27短路电流的最大瞬时值在短路发生后约半个周期出现——t＝0.01s冲击电流的算式：pmimpmaapmpmimIkITTIIi)]/01.0exp(1[)/01.0exp(冲击系数aTtpmpmeItIi/cos代入t＝0.012020/11/6电力系统分析第五章电力系统三相短路的暂态过程28当时间常数Ta的数值由0→∞时，冲击系数的变化范围l≤kim≤2。在实用计算中，当短路发生在发电机电压母线时，取kim=1.9；短路发生在发电厂高压侧母线时，取kim=1.85；在其他地点短路时，取kim=1.8。冲击电流主要用来校验电气设备和载流导体的电动力稳定度。)/01.0exp(1aimTk2020/11/6电力系统分析第五章电力系统三相短路的暂态过程29三、短路电流的有效值在短路过程中，任一时刻t的短路电流有效值It，是指以时刻t为中心的一个周期内瞬时电流的均方根值。it：t时刻短路电流瞬时值ipt：周期分量瞬时值iapt：非周期分量的瞬时值（5-9）dtiiTdtiTIaptTtTtptTtTtt22/2/2/2/2)(11t2020/11/6电力系统分析第五章电力系统三相短路的暂态过程30非周期分量有效值：假定在以时间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周期分量有效值：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。短路全电流有效值：aptaptiI2pmtptII22tptaptIII幅值有效值2020/11/6电力系统分析第五章电力系统三相短路的暂态过程31在最不利的情况下发生短路时，t＝0.0ls，这时非周期分量的有效值为：（5-11）当冲击系数kim＝1.9时，Iim=1.62IPkim＝1.8时，Iim=1.51IP222[(1)2]12(1)impimppimIIkIIk短路电流最大有效值Iim：pmimapmapIkTII)1()/01.0exp(2020/11/6电力系统分析第五章电力系统三相短路的暂态过程32四、短路功率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。标幺值形式短路容量主要用来校验开关的切断能力3tavtSVI**33avttttBBBVIISIIVI实用计算中，It可取为Ip2020/11/6电力系统分析第五章电力系统三相短路的暂态过程3