不对称故障的分析计算.ppt

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1、电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析 第一章电力系统故障分析的基本知识第一章电力系统故障分析的基本知识故障概述故障概述标幺值标幺值无限大功率电源供电的三相短路电流分析无限大功率电源供电的三相短路电流分析4/30/2023电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析第一节故障概述第一节故障概述一一.短路短路短路的概念短路的概念短路是指电力系统正常运行情况以外的相与相之间或相与短路是指电力系统正常运行情况以外的相与相之间或相与地之间的连接。短路也称纵向故障。地之间的连接。短路也称纵向故障。短路的原因短路的原因绝缘损坏绝缘损坏 产生短路的主要原因是电气设备载流部分的相间绝缘或相产生短

2、路的主要原因是电气设备载流部分的相间绝缘或相对地绝缘被损坏。对地绝缘被损坏。误操作误操作 运行人员在线路检修后未拆除地线就加电压等误操作。运行人员在线路检修后未拆除地线就加电压等误操作。4/30/2023电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析短路的类型短路的类型短路类型短路类型 符号符号 示意图示意图 特点特点 三相短路三相短路 f(3)对称对称 故障故障 两相短路两相短路 f(2)非对称非对称 故障故障 单相接地单相接地 短路短路f(1)非对称非对称 故障故障 两相接地两相接地 短路短路 f(1,1)非对称非对称 故障故障 4/30/2023电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力

3、系统分析短路的危害短路的危害 大电流产生巨大电动力，造成机械损坏（动稳定）；大电流产生巨大电动力，造成机械损坏（动稳定）；烧毁设备（热稳定）；烧毁设备（热稳定）；电网大面积电压下降；电网大面积电压下降；破坏电力系统的稳定；破坏电力系统的稳定；影响电力系统通讯。影响电力系统通讯。4/30/2023电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析 短路的后果举例短路的后果举例短路的后果举例短路的后果举例2003年年8月月14日美国大停电日美国大停电美国东部美国东部(EDT)时间时间2003年年8月月14日日16:11开始开始（北京时间（北京时间8月月15日晨日晨4:11），美国东北部和加拿大东），

4、美国东北部和加拿大东部联合电网发生了大面积停电事故部联合电网发生了大面积停电事故纽约纽约:交通瘫痪、公路堵塞、人困在电梯和地交通瘫痪、公路堵塞、人困在电梯和地 隧道里、冒酷热步行回家隧道里、冒酷热步行回家停电影响停电影响 美国：美国：俄亥俄州、密歇根州、纽约州、俄亥俄州、密歇根州、纽约州、马萨诸塞州、康涅狄克州、新泽西州、马萨诸塞州、康涅狄克州、新泽西州、宾夕法尼亚州、佛蒙特州（宾夕法尼亚州、佛蒙特州（8个州）个州）加拿大：安大略省、魁北克省（加拿大：安大略省、魁北克省（2个省）个省）4/30/2023电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析损失负荷：损失负荷：6180万千瓦万千瓦50

5、00万居民失去电力供应万居民失去电力供应恢复需几天时间恢复需几天时间 -8月月14日日19：30 恢复恢复134万千瓦万千瓦 -8月月14日日23：00 恢复恢复2130万千瓦万千瓦 -8月月15日日11：00 恢复恢复4860万千瓦万千瓦美国切机美国切机20多台（含多台（含9台核电机组）台核电机组）美加共计切机百余台美加共计切机百余台美经济学家估计：美损失：美经济学家估计：美损失：300亿美元亿美元/天天 安大略省损失：安大略省损失：50亿美元亿美元2003年年8月月14日美国大停电日美国大停电4/30/2023电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析停电前后卫星拍到的美国上空照片停

6、电前后卫星拍到的美国上空照片4/30/2023电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析 短路电流计算的意义短路电流计算的意义短路电流计算的意义短路电流计算的意义是电气设备选择的依据是网络结构规划、设计的依据（广东电网、上海电网环网运行，短路电流太大，不安全，难以选择断路器）是电力系统保护配置的依据是电力系统稳定控制措施制定的依据4/30/2023电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析二二.断线断线 断线也称纵向故障，例如一相断线使系统发生断线也称纵向故障，例如一相断线使系统发生两相运行的非全相运行情况。两相运行的非全相运行情况。一相断线或两相断线故障也属于不对称故障，一相断线

7、或两相断线故障也属于不对称故障，其分析计算方法与不对称短路故障类似。其分析计算方法与不对称短路故障类似。在电力系统中的不同地点在电力系统中的不同地点(两处以上两处以上)同时发生同时发生不对称故障的情况，称为复杂故障。不对称故障的情况，称为复杂故障。4/30/2023电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析三三.故障分析中的基本假设故障分析中的基本假设 1、假定同步发电机的转速维持不变：由于电磁暂态过假定同步发电机的转速维持不变：由于电磁暂态过程的时间很短，系统中旋转电机的机械运动变化非常程的时间很短，系统中旋转电机的机械运动变化非常微小（有惯性）；微小（有惯性）；2、各发电机内电势间的

8、相位角、各发电机内电势间的相位角相对功率角变；相对功率角变；3、异步电动机的转差率保持不变。、异步电动机的转差率保持不变。不考虑机电的相互作用！不考虑机电的相互作用！4/30/2023电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析四四.短路故障的基本分析方法短路故障的基本分析方法电气量剧烈变化，采用微分方程分析，即：建电气量剧烈变化，采用微分方程分析，即：建立系统的微分方程模型（暂态模型），根据短立系统的微分方程模型（暂态模型），根据短路条件求解微分方程组。（以发电机机端三相路条件求解微分方程组。（以发电机机端三相短路为例进行分析）短路为例进行分析）短路后进入稳态：短路后进入稳态：短路后进入

9、稳态：短路后进入稳态：短路后的瞬间：各电气量幅值、相位、频率均不再变化，采用各电气量幅值、相位、频率均不再变化，采用相量相量 分析（类似于稳态计算），求解代数方分析（类似于稳态计算），求解代数方程组。程组。（对称分量法对称分量法）4/30/2023电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析短路后的不同时段短路后的不同时段短路后的不同时段短路后的不同时段短路后的瞬间短路后的瞬间短短路路发发生生时时刻刻短路后进入稳态短路后进入稳态4/30/2023电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析第二节标幺值第二节标幺值一一 标幺值标幺值标幺值的一般数学表达式为：标幺值的一般数学表达式为：对于

10、任意物理量均可用标幺值表示。对于任意物理量均可用标幺值表示。标幺值无量纲，无单位！标幺值无量纲，无单位！4/30/2023电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析二基准值的选取二基准值的选取基准值的选取有一定的随意性，在电路中，物理量，基准值的选取有一定的随意性，在电路中，物理量，间有基本关系：，间有基本关系：单相单相 三相三相单相单相三相三相 四个量中去任意两个为基准值，一般选定电压和功率的四个量中去任意两个为基准值，一般选定电压和功率的基准值。基准值。4/30/2023电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析可得标幺值表示可得标幺值表示单相单相三相三相4/30/2023电力

11、系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析三不同电压等级电网中元件参数标幺值的计算三不同电压等级电网中元件参数标幺值的计算用标幺值计算时，把各元件参数的有名值归算到同一个电压用标幺值计算时，把各元件参数的有名值归算到同一个电压等级后，在此基础上选定统一的基准值求各参数元件的标幺等级后，在此基础上选定统一的基准值求各参数元件的标幺值。常用准确计算法和近似计算法。值。常用准确计算法和近似计算法。（一）准确计算法（一）准确计算法 原则原则 用实际变比用实际变比 适用范围适用范围 潮流计算潮流计算（二）近似计算法（二）近似计算法 原则原则 用平均额定电压比用平均额定电压比 适用范围适用范围 故障分析

12、故障分析4/30/2023电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析我国电网额定电压的平均额定电压值我国电网额定电压的平均额定电压值我国电网额定电压的平均额定电压值我国电网额定电压的平均额定电压值 平均额定电压值单位：平均额定电压值单位：平均额定电压值单位：平均额定电压值单位：电网额定电压电网额定电压361035110220330500平均额定电压平均额定电压3.156.310.5371152303455254/30/2023电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析例题例题1故障计算时标么值用近似计算。故障计算时标么值用近似计算。设变压器容量 ,4/30/2023电力系统分析电力

13、系统分析电力系统分析电力系统分析可得可得近似计算近似计算 时，时，假设假设 220=330 即即,U N=U B得得4/30/2023电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析例题例题2计算图示输电系统的等值电路的参数标幺值计算图示输电系统的等值电路的参数标幺值计算图示输电系统的等值电路的参数标幺值计算图示输电系统的等值电路的参数标幺值4/30/2023电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析第三节无限大功率电源供电的三相短路电流分析第三节无限大功率电源供电的三相短路电流分析第三节无限大功率电源供电的三相短路电流分析第三节无限大功率电源供电的三相短路电流分析一一,无限大功率电源无

14、限大功率电源电源功率为无限大时，外电路发生短路，电源的电源功率为无限大时，外电路发生短路，电源的电压和频率（对应于同步机的转速）保持恒定，无电压和频率（对应于同步机的转速）保持恒定，无限大电源可以看作是由多个有限功率电源并联而成，限大电源可以看作是由多个有限功率电源并联而成，因而其内阻抗为零，电源电压保持恒定因而其内阻抗为零，电源电压保持恒定4/30/2023电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析 二二二二,暂态过程分析暂态过程分析暂态过程分析暂态过程分析 当在当在f点发生三相短路时，电路被分成两个独立点发生三相短路时，电路被分成两个独立的回路。左边回路仍与电源连接，右边回路则的回路

15、。左边回路仍与电源连接，右边回路则没有电源。没有电源。4/30/2023电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析上图所示的三相短路，短路发生前，电路处于上图所示的三相短路，短路发生前，电路处于稳态，其稳态，其a相的电流表达式为相的电流表达式为 式中式中右边回路中，电流将从短路发生瞬间的值不断衰右边回路中，电流将从短路发生瞬间的值不断衰减，一直到磁场中储存的能量全部变为电阻中所减，一直到磁场中储存的能量全部变为电阻中所消耗的热能，电流即衰减为零。消耗的热能，电流即衰减为零。左边回路中，每相阻抗由原来的左边回路中，每相阻抗由原来的 (R+R)+R+R)+R+R)+R+R)+j j(L+L)

16、(L+L)(L+L)(L+L)减小为减小为R+j R+j L L，其稳态电流必将增大。，其稳态电流必将增大。4/30/2023电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析短路后回路满足以下方程短路后回路满足以下方程其中其中4/30/2023电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析由于电感电流不能突变，因此有：因此有：C 值的确定值的确定代入通解得到：代入通解得到：4/30/2023电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析所以不衰减！不衰减！衰减时间常数：衰减时间常数：T=L R交流分量交流分量衰减的直流分量衰减的直流分量4/30/2023电力系统分析电力系统分析电力系统分析

17、电力系统分析 下图画出了下图画出了t=0时的时的a相的电源电压，短路前的电流相的电源电压，短路前的电流和短路电流交流分量的相量图和短路电流交流分量的相量图a a相相相相短路电流的直流分量短路电流的直流分量短路电流的直流分量短路电流的直流分量最大值的条件：最大值的条件：最大值的条件：最大值的条件：.=90.m|0=0.=0即短路前为空载即短路前为空载即短路前为空载即短路前为空载4/30/2023电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析由于三相电路对称，只要用由于三相电路对称，只要用(+120)和和(-120)代替式中的代替式中的就可分别得到就可分别得到b相和相和c相的电流表达式相的电流表

18、达式 可见，短路至稳态时，三相中的稳态短路电可见，短路至稳态时，三相中的稳态短路电流为三个幅值相等，相角相差流为三个幅值相等，相角相差120的交流电流，的交流电流，其幅值大小取决于电源电压幅值和短路回路的总其幅值大小取决于电源电压幅值和短路回路的总阻抗。从短路发生到稳态的暂态过程中，每相电阻抗。从短路发生到稳态的暂态过程中，每相电流中包含有逐渐衰减的直流电流，其出现的物理流中包含有逐渐衰减的直流电流，其出现的物理原因是电感电流不能突变。原因是电感电流不能突变。4/30/2023电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析无穷大电源短路电流无穷大电源短路电流无穷大电源短路电流无穷大电源短路电

19、流交流分量交流分量不衰减！不衰减！4/30/2023电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析四四,短路冲击电流和最大短路电流短路冲击电流和最大短路电流（一）短路冲击电流（一）短路冲击电流短路电流在最恶劣短路情况下的最大瞬时值，称为短路短路电流在最恶劣短路情况下的最大瞬时值，称为短路冲击电流冲击电流 即，即，IM=KMIm 式中式中KM称为冲击系数，即冲击电流值对于交流电流幅值的称为冲击系数，即冲击电流值对于交流电流幅值的倍数倍数 最大值在短路发生约半个周期后出现最大值在短路发生约半个周期后出现4/30/2023电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析（二）最大有效值电流（二）最

20、大有效值电流 在短路暂态过程中，任一时刻在短路暂态过程中，任一时刻t短路电流有效值短路电流有效值It 是以时是以时刻刻t为中心的一个周期内瞬时电流的均方根值，即：为中心的一个周期内瞬时电流的均方根值，即：最大有效值电流也是在短路后半个周期时出现最大有效值电流也是在短路后半个周期时出现 近似认为 4/30/2023电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析解：解：解：解：（）准确计算法（）准确计算法（）准确计算法（）准确计算法选第选第为基本段，并取为基本段，并取，则电压电流基准值分别为：则电压电流基准值分别为：4/30/2023电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析各元件的电抗标幺值分别求得如下：各元件的电抗标幺值分别求得如下：发电机发电机变压器变压器输电线路输电线路变压器变压器电抗器电抗器电缆线路电缆线路电源电势电源电势4/30/2023电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析（）近似计算法（）近似计算法（）近似计算法（）近似计算法仍取仍取，各段电压电流基准值分别为：，各段电压电流基准值分别为：4/30/2023电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析各元件电抗标幺值求得如下：各元件电抗标幺值求得如下：发电机发电机 变压器变压器输电线路输电线路变压器变压器电抗器电抗器电缆线路电缆线路电源电动势电源电动势4/30/2023