互联网电力系统保护与自动控制电力系统故障分析部分.pptx

参考教材李光琦，电力系统暂态分析（第三版），中国电力出版社，2007。韩学山，张文，等，电力系统工程基础，机械工业出版社，2008。第1页/共163页第一章 电力系统故障分析的基本知识1.1 故障概述1.2 标幺制（自学）1.3 无限大功率电源供电的三相短路分析第2页/共163页第一节 故障概述1.电力系统的两种运行状态2.暂态过程的分类3.电力系统短路的类型、原因及后果4.短路电流计算的意义第3页/共163页1.电力系统的两种运行状态稳态(steady state)：电力系统正常的运行状态（相对静止、三相对称），分为正常安全和正常不安全状态；稳态分析（如潮流计算、有功最优分配，等）暂态过程(transient process)：当电力系统受到某种干扰，其由一种稳定运行状态过渡到另外一种稳定运行状态的过渡过程，分为电磁暂态和机电暂态第4页/共163页电力系统处于稳态，可以用相量进行分析满足条件：节点电压幅值、频率、相位不随时间变化节点电流幅值、频率、相位不随时间变化第5页/共163页2 电力系统暂态过程介绍暂态过程的分类暂态过程产生的原因影响暂态过程的元件第6页/共163页暂态过程的分类波过程：与运行操作（如开关动作）及雷击时的过电压有关，涉及电流、电压波的传播，过程最短（微妙毫秒级）高电压工程电磁暂态过程：当故障刚开始的那段时间，转速来不及改变，参数主要由电磁参数决定；与短路（或断线）故障有关，涉及工频电流、电压随时间的变化，持续时间较波过程长（毫秒秒）故障分析！机电暂态：转动机械的转速改变，参数不仅与电磁参数有关，还与机械参数有关；与系统振荡、稳定性破坏、异步运行等有关，涉及发电机组功角、转速、原动机功率、系统频率、电压随时间的变化，过程持续时间较长（秒分钟）稳定性分析第7页/共163页暂态过程产生的原因电力系统正常运行时处于稳定状态（steady state）。各种扰动（disturbance）导致电力系统进入暂态。如果扰动后电力系统在出现异常（如停电），就是电力系统事故。引起电力系统事故的扰动有多种，最常见的是短路故障（short circuit fault）。系统内的元件（如发电机、变压器、输电线路、电动机）上发生的相与相之间或相与地之间的短路故障。其他短路故障：绝缘破坏的匝间短路其他故障：断线、复杂故障（系统中同时有两处及以上发生故障）第8页/共163页影响暂态过程的元件电力系统的电磁暂态过程取决于系统中的各元件发电机、变压器、输电线路、电动机等的电磁暂态过程。可以认为发电机的电磁暂态过程左右了电力系统的电磁暂态过程。有源元件决定！有源元件决定！第9页/共163页3 电力系统短路的类型、原因及后果短路的类型短路的原因短路的后果短路电流计算的意义各种短路故障发生的概率第10页/共163页三相短路 symmetrical three phase fault：f(3)两相短路 phase-to-phase fault:f(2)单相接地短路 single phase-to-ground fault:f(1)两相接地短路 double phase-to-ground fault:f(1,1)电力系统短路的类型第11页/共163页短路的原因举例：绝缘的污染或自然老化绝缘的污染或自然老化自然原因：风、雨、雷、电、雪、鸟、兽、虫害、自然原因：风、雨、雷、电、雪、鸟、兽、虫害、树木等。树木等。人为原因：操作人员的误操作（未拆地线合闸、带人为原因：操作人员的误操作（未拆地线合闸、带负荷拉隔离刀闸等）、人为破坏、无意人为事故负荷拉隔离刀闸等）、人为破坏、无意人为事故第12页/共163页短路的后果系统阻抗减小，产生大电流（上万甚至十几万安培）发热（I2R），高温损害设备，电弧将许多东西短时融化电动力（F=BLI），损坏设备造成低电压：金属性短路点电压为零，导致电器设备无法正常工作，如医院、矿山等引起危险电磁转矩TeU2第13页/共163页干扰以至于破坏系统的稳定运行如大电厂母线故障导致发电机退出运行，负荷中心故障导致失去大量负荷系统总出力与总负荷不平衡，导致发电机和电动机加速和减速，造成系统振荡、频率变化、发电机失步、电压崩溃而造成局部以至于电力系统大面积停电，损失将极为严重。第14页/共163页短路电流计算的意义是选择电气设备及载流导体的依据：必须具有足够的热稳定度和动稳定度是网络结构规划、设计的依据：电气主接线是电力系统继电保护配置及参数整定的依据是确定限制短路电流措施的依据第15页/共163页各种元件发生故障的概率统计结果：110kV线路：78%600kW以上发电机：7.5%110kV变压器：6.5%110kV母线：8%运行经验表明，架空输电线路是电力系统中比较薄弱的环节，发生短路的几率最高。第16页/共163页各种短路故障发生的概率三相短路：5%两相短路：4%两相接地短路：8%单相接地短路：83%三相短路发生的概率小，但最为严重，对电力系统安全稳定运行影响最大。第17页/共163页第二节 标幺制1.标幺值2.基准值的选取3.基准值改变时标幺值的换算4.变压器联系的不同电压等级电网中各元件参数标幺值的计算准确计算法近似计算法（重点，必考）第18页/共163页第三节 无限大功率电源供电的三相短路电流分析1.无穷大交流电源的概念2.短路暂态过程分析 3.短路电流交直流分量的特点4.冲击电流及发生的条件第19页/共163页1.无穷大交流电源指电压大小、频率在任何扰动下，均不发生变化、内阻为零的交流电源。第20页/共163页无穷大电源的理解电源功率为无限大时，外电路发生短路引起的功率改变对于电源来说是微不足道的，电源电压的幅值和频率保持恒定；无穷大电源可以看作是由无限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。实际中，若供电电源的内阻抗小于短路总阻抗的10%时，就可以认为供电电源为无穷大电源。第21页/共163页2.短路暂态过程的分析(电流波形分析的一般方法)t=0时系统发生三相短路，时系统发生三相短路，f 点左半部和点左半部和右半部仍保持对称。右半部仍保持对称。右半部：右半部：i 逐渐衰减至零；逐渐衰减至零；左半部：短路前，左半部：短路前，短路后，阻抗值从短路后，阻抗值从第22页/共163页对a 相电路列写微分方程：初始条件：一阶常系数线性非齐次微分方程+初始条件，可以求解！非齐次微分方程的解 =齐次微分方程的通解+非齐次微分方程的特解 =直流分量/非周期分量/自由分量 +交流分量/周期分量/强制分量第23页/共163页齐次方程的通解齐次方程的通解非齐次方程的特解非齐次方程的特解如何确定C？短路电流瞬时值为：第24页/共163页确定非周期分量的初始值C短路发生前，电路处于稳态，a 相的电流为：不衰减的交流分量不衰减的交流分量衰减的直流分量衰减的直流分量初始值C的含义：直流分量的初始起始值为短路前瞬时电流与短路后交流分量瞬时值之差。第25页/共163页短路电流瞬时值为：在 t4Ta 后，直流分量衰减完毕，即可以看出：短路电流的瞬时值的大小 与电源电压、电路阻抗大小有关 与短路时刻电压相位角、电路阻抗角有关第26页/共163页稳态短路电流的相量形式稳态短路电流相量稳态短路电流相量=电源的电压相量电源的电压相量/电路的阻抗电路的阻抗第27页/共163页短路电流各分量的波形相量图相量图波形图波形图C第28页/共163页3.短路电流交直流分量的特点短路电流瞬时值大小与电源电压、电路阻抗大小有关与短路时刻电压相位角、电路阻抗角有关三相交流分量对称、三相直流大小不相同，直流分量为短路电流包络线的均分线，出现的物理原因是电感电流在突然短路前后不能突变。对某相而言，直流分量值越大，短路电流瞬时值越大。直流分量起始值，与和短路前回路中的电流有关。第29页/共163页若改变，使 与时间轴平行，直流分量起始值较大；若 ，则 与时间轴垂直，直流分量为零；若短路前为空载，即 ，直流分量起始值较大。综上可得，短路电流直流分量起始值达到最大的条件：短路前为空载，即初始合闸相角为零，即=0短路后回路为纯电感的，相量图相量图C第30页/共163页4 短路电流的特征量冲击电流冲击电流产生条件：冲击电流产生条件：将将 ，代入，代入a相相短路电流瞬时值的短路电流瞬时值的表达式表达式中得：中得：短路冲击电流短路冲击电流：短路电流最大可能的瞬时值称为短路冲击：短路电流最大可能的瞬时值称为短路冲击电流，以电流，以 iim 表示。表示。第31页/共163页相量图相量图波形图波形图第32页/共163页通过观察通过观察a相短路电流的波形可知，相短路电流的波形可知，冲击电流发生在短路后冲击电流发生在短路后半个周波后半个周波后，若，若f=50Hz，则，则t=0.01s。KM称为称为冲击系数冲击系数，即冲击电流值对，即冲击电流值对于交流电流幅值的倍数于交流电流幅值的倍数只有电阻只有电阻R、L=0时，时，Ta=0，KM=1只有电感只有电感L、R=0时，时，Ta=，KM=12KM一般取为一般取为 1.81.9用途：校验电气设备的机械强度。第33页/共163页第二章 同步发电机突然三相短路分析通过第一章的学习，我们知道：通过无穷大电源供电电路发生三相短路的情形，掌握了分析短路电流波形的一般方法。发电机（有源元件）的电磁暂态过程决定了电力系统的电磁暂态过程！实际短路时，发电机内部也发生电磁暂态过程无穷大电源端电压不变的假设不成立但是考虑到发电机转子的惯量较大，可认为转速（频率）保持不变因此，需要分析发电机的电磁暂态过程！第34页/共163页主要内容2.1 同步发电机在空载情况下定子突然三相短路后的电流波形及其分析2.2 同步发电机空载下三相短路后内部物理过程及其短路电流分析2.3 同步发电机负载下三相短路交流电流初始值2.4 同步发电机基本方程2.5 应用同步发电机基本方程（拉氏运算形式）分析突然三相短路电流2.6 自动调节励磁装置对短路电流的影响第35页/共163页第一节 空载下定子三相短路电流波形本节总结性地给出同步发电机在空载情况下定子突然发生三相短路后的电流波形的特性定子电流短路前，无电流短路后，有直流分量和交流分量的短路电流励磁回路电流短路前，为直流励磁电流短路后，除了直流励磁电流外，还出现了交流分量第36页/共163页1 定子电流直流分量：大小为短路电流包括线的均分线三相直流分量大小不等，按相同的指数规律衰减衰减时间常数取决于定子回路的电阻和等值电感交流分量交流分量的幅值是逐渐衰减的稳态值为 ，初始幅值为 的变化过程按照两个时间常数衰减交流分量幅值的表达式为：第37页/共163页2 励磁回路电流除了直流励磁电流外，还出现了交流分量交流分量最终衰减为零衰减时间常数与定子回路短路电流的直流分量相同物理原因是：励磁回路与定子即转子阻尼回路间存在耦合第38页/共163页第二节 发电机空载短路后物理过程分析基础：超导体闭合回路磁链守恒原理及同步电机电枢反应原理知识回顾什么是双反应原理？什么是电枢反应？什么是交轴电枢反应？什么是直轴电枢反应？第39页/共163页知识回顾当电机带上负载时，电枢绕组中有电流流过，电枢电流将产生电枢磁动势。电枢磁动势基波在气隙中产生的磁场，就称为电枢反应。此时的气隙磁场，由主极磁动势和电枢磁动势二者的合成磁动势建立。电枢磁动势的出现，使原有的气隙磁场发生畸变，并产生电磁转矩，实现机电能量转换。第40页/共163页如果电枢磁动势有交轴和直轴分量，则电枢反应就有相应的交轴电枢反应和直轴电枢反应。电枢反应的性质（增/去/交磁）取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置。这一位置与激磁电动势 和定子电流 之间的相角差 有关。第41页/共163页若定子电流 与激磁电动势 同相位此时，电枢反应第42页/共163页若定子电流 与激磁电动势 不同相此时，电枢反应第43页/共163页1 假设条件同步发电机为理想电机只考虑电磁暂态过程，而不计机械暂态过程导磁系数为常数，忽略磁路饱和，可应用叠加原理在本节分析中，假设短路后，励磁电压始终保持不变，不考虑短路后发电机端电压降低引起的强行励磁第44页/共163页同步发电机的结构与等值同步发电机各绕组示意图同步发电机各绕组示意图同步发电机各回路电路图同步发电机各回路电路图第45页/共163页2 短路后定子绕组磁链及短路电流分析励磁主磁通交链于定子三相绕组的磁链短路瞬间定子三相绕组的磁链定子三相短路电流产生的磁链与磁链对应的三相短路电流第46页/共163页主磁通交链于定子三相绕组的磁链短路前空载，定子三相绕组的磁链由恒定励磁电流产生并交链。设 ，且在t=0时定子三相短路，此时定子磁链为第47页/共163页定子三相短路电流产生的磁链假设短路后定子三相绕组为超导体闭合回路。t0，定子短路电流产生的磁链表示为：根据超导体回路磁链守恒原理，三相绕组磁链保持不变，即：由此可得三相短路电流产生的磁链为第48页/共163页定子三相短路电流产生的磁场的特点：由交流分量和直流分量两部分组成交流分量 ：为抵制主磁场而产生直流分量 ：为维持短路瞬间前后磁链不变而产生第49页/共163页与磁链对应的三相短路电流第50页/共163页3 短路后励磁绕组磁链和电流分量强制励磁电流产生的磁链定子三相短路电流基频分量的电枢反应定子短路电流直流与倍频分量对励磁绕组产生的磁链励磁回路干生的电流和磁链第51页/共163页第52页/共163页4 阻尼绕组中的电流第53页/共163页5 定子和转子回路电流分量的对应关系第54页/共163页6 定子短路电流基频交流分量的稳态值第55页/共163页7 定子短路电流基频交流分量的初始值不计阻尼绕组D计及阻尼绕组D的作用小结第56页/共163页8 短路电流的近似表达式第57页/共163页第58页/共163页2 短路后定子绕组磁链及短路电流分析t=0，定子磁链：t0，定子短路电流产生的磁链：短路前空载，定子三相绕组的磁链由恒定励磁电流产生并交链短路前后，根据磁链守恒，有短路前后，根据磁链守恒，有第59页/共163页短路后定子中的短路电流分量基频电流：以抵消转子主磁场的交变磁链；直流分量：为了维持磁链初始值倍频交流分量：幅值很小，不易观察第60页/共163页短路后，励磁回路电流分量恒定励磁电流：直流分量：抵消定子基频交流电流的电枢反应磁势基频交流：抵消定子直流的电枢反应磁势 抵消定子倍频交流的电枢反应磁势 维持励磁回路的磁链守恒，感生基频交流电流的 电枢反应第61页/共163页阻尼回路电流分量直轴阻尼绕组D：与励磁绕组同轴向；定子短路前D中无电流，短路后与励磁绕组一样会由定子电枢反应感生直流和基频交流电流交轴阻尼绕组Q（和g）：定子短路前Q中无电流，若定子电阻为零，短路后Q中只有基频交流电流，而没有直流电流第62页/共163页定子和转子绕组中电流的依存关系由于存在绕组由于存在绕组电阻，最终电阻，最终衰减为零衰减为零由于存在定子绕由于存在定子绕组电阻，最终组电阻，最终衰减为零衰减为零第63页/共163页3 短路电流基频交流的初始和稳态有效值基频交流分量的稳态有效值基频交流分量的初始值第64页/共163页稳态有效值稳态时转子的直流分量电流，由于转子回路电阻最终衰减为零定子直流分量和倍频分量电流，由于定子回路电阻最终衰减为零若定子电阻为零（Ra=0），稳态时，短路电流的电枢反应只有直轴分量 其中，为励磁电流为 的空载电动势有效值第65页/共163页基频交流初始值(空载,Ra=0,无D绕组时)短路前短路前：励磁电压：励磁电压 ，励磁电流，励磁电流 主磁通主磁通 ，励磁漏磁通，励磁漏磁通 短路后短路后：为抵消定子基频电流：为抵消定子基频电流 电枢反电枢反应励磁回路感应自由直流分量应励磁回路感应自由直流分量 ，对应的主磁通和漏磁通为对应的主磁通和漏磁通为 由于励磁回路由于励磁回路磁通守恒磁通守恒，有：，有：第66页/共163页经过等效发现经过等效发现：定子电枢反应磁：定子电枢反应磁通在穿过气隙后被挤到励磁回通在穿过气隙后被挤到励磁回路的漏磁路径。路的漏磁路径。其中，其中，为为直轴暂态电抗直轴暂态电抗定子绕组的定子绕组的磁平衡磁平衡方程：方程：定子绕组的定子绕组的电压平衡电压平衡方程：方程：短路电流基频分量：短路电流基频分量：第67页/共163页基频交流初始值(空载,Ra=0,有D绕组时)经过等效发现经过等效发现：定子电枢反应磁：定子电枢反应磁通在穿过气隙后被挤到通在穿过气隙后被挤到D绕组绕组回路和励磁回路的漏磁路径。回路和励磁回路的漏磁路径。其中，其中，为为直轴暂态电抗直轴暂态电抗定子绕组的定子绕组的磁平衡磁平衡方程：方程：定子绕组的定子绕组的电压平衡电压平衡方程：方程：短路电流基频分量：短路电流基频分量：第68页/共163页基频交流分量初始值(有载,Ra=0,无D绕组)定子绕组的磁平衡方程：定子绕组的磁平衡方程：定子绕组的电压平衡方程：定子绕组的电压平衡方程：短路电流基频分量：短路电流基频分量：移项后可得：移项后可得：为短路前定子电：为短路前定子电枢反应磁通枢反应磁通第69页/共163页基频交流分量初始值(有载,Ra=0,有D绕组)利用类似的方法，可以推得：有阻尼绕组D时，定子电压平衡方程为：（直轴）短路电流基频分量为：第70页/共163页基频交流分量初始值(Ra0)此时，定子基频交流电流的交轴电枢反应磁通的突变还会引起交轴阻尼回路Q 感生直流电流，因此短路后定子基频交流电流还有交轴电流分量。短路前，交轴电枢反应走交轴主磁路，而短路后增加的部分磁势（与 对应）的磁通在穿过气隙后只能走交轴Q阻尼回路的漏磁路径。定子的电压方程为：交轴次暂态电流为：第71页/共163页基频交流分量的近似表达式基频交流电流：直流分量的起始值域基频交流分量的初始瞬时值大小相等，方向相反。第72页/共163页小结同步发电机短路电流的基频交流电流幅值变化的根本原因是在定子三相绕组空间有闭合的转子回路。这些闭合回路在暂态过程中改变着定子电枢反应磁通的路径，从而使定子绕组的等值电抗发生变化。若外电抗比发电机电抗大很多时，即短路电流的基频交流电流幅值几乎不变。因此，当短路发生在离电源较远处，可以近似地认为电源电压为恒定。第73页/共163页基频交流分量初始值(工程简化处理)工程上，计算次暂态电流时，其标幺值为：第74页/共163页4 三相短路电流的实用计算短路电流基频分量初始值和稳态值（已分析）短路后任意时刻短路电流计算（运算曲线）短路电流基频分量初始值的实用计算第75页/共163页运算曲线通过前述课程，我们已经学习了三相短路电流（基频和直流分量）的初始值和稳态值对于短路暂态过程中的短路电流，在工程上利用运算曲线进行求取计算电抗是指归算到发电机额定容量的外接电抗的标幺值和发电机直轴次暂态电抗的标幺值之和所谓运算曲线是指描述短路电流周期分量与时间 t 和计算电抗 xjs之间关系的曲线，即第76页/共163页电力系统短路电流的工程计算在多数情况下，只要求计算短路电流的基频交流分量，即次暂态电流。原因：由于使用快速保护和高速断路器后，断路器开断时间小于0.1s；若已知交流分量初始值，可近似决定直流分量以至冲击电流；交流分量初始值的计算原理比较简单。第77页/共163页短路电流的基频分量的实用计算基本假设其他合理假设故障分析的基本步骤第78页/共163页1、假定同步发电机的转速维持不变：电磁暂态过程的时间很短，由于惯性，系统中旋转电机的机械运动变化非常微小；2、各发电机内电势间的相位角（相对功率角）不变；3、异步电机的转差率保持不变；基本假设不考虑机电的相互作用！不考虑机电的相互作用！第79页/共163页其他合理的假设不计磁路的饱和，则元件的参数为常数，可以运用叠加原理三相对称（当发生不对称短路时，除故障点之外均为三相对称运行）忽略系统阻抗中的电阻金属性短路（经过电弧放电或铁塔短路，则认为是过渡性短路）忽略变压器的励磁支路不同于稳态分析！不同于稳态分析！第80页/共163页故障分析的基本步骤！根据系统图做出等值电路元件参数的换算：将元件的标幺值化成同一基准的标幺值，有精确计算法和近似计算法网络化简（串并联、星-三角变换）计算短路电流第81页/共163页第一章 电力系统故障分析主要内容电力系统故障分析绪论无穷大交流电源经阻抗三相短路的过程分析同步发电机突然三相短路分析对称分量法及各元件的序参数不对称短路故障分析第82页/共163页第四节 对称分量法及各元件的序参数问 题1.发电机、架空线路和负荷的各序参数。2.如何根据变压器的连接组别确定其零序等值电路？第83页/共163页1 对称分量法不对称三相量的分解对称分量法在不对称故障中的应用序阻抗的概念序网络序网络的化简和基本方程第84页/共163页不对称三相量的分解在三相电路中，任意一组不对称的三相相量（电压或电流），可以分解为三相对称的相量分量，以电流为例，有：其中下标(1)表示正序分量，下标(2)表示负序分量，下标(0)表示零序分量。第85页/共163页正序分量正序分量负序分量负序分量零序分量零序分量三相的三序分量各自对称（以 a 相位参考相位）：第86页/共163页负序分量电流是一组对称的相量，三相负序分量电流与正序分量电流相序相反；零序分量电流也是一组对称的相量，三相零序分量电流完全相等；第87页/共163页依此类推，可得：逆关系矩阵形式：第88页/共163页对称分量法在不对称电路中的应用1.将一组不对称的电势源来代替一组不对称的电压，这一代替对电路的其它部分没有影响；2.运用对称分量法，将不对称的电势源分解为三组对称的分量。由于电路中除故障点之外的部分均为三相对称的，故三相对称分量产生的短路电流之和等于不对称量在电路中产生的短路电流，因此三个序具有独立性，可以对正序、负序和零序分量分别进行计算。第89页/共163页序阻抗元件的序阻抗，是指元件三相对称时，元件两端某一序的电压降与通过该元件同一序电流的比值，即：静止三相电路元件正序阻抗负序阻抗零序阻抗第90页/共163页序网络正序网络负序网络零序网络第91页/共163页正序网络第92页/共163页正序网络的特点：只有正序电势作用（包括电源电势和短路点的一组正序电势）；因为 ，故中性线中无电流，UN=0，故中性线中接地阻抗不起作用，相当于ZN 短接；正序网三相对称，故计算时只画一相。第93页/共163页负序网络第94页/共163页负序网络的特点：只有负序电势作用（负序网中电源电势为零，只有短路点的一组负序电势），流过负序电流，负序电流流过的阻抗均是元件的负序阻抗；因为 ，中性线中也没有电流，UN=0，故ZN也可以短接；负序网也是三相对称的，计算时只画一相。第95页/共163页零序网络第96页/共163页零序网络的特点：只有零序电势作用，零序网中电源电势为零；因为 ，中性线中有零序电流 流过，所以零序网的单相图中ZN要按三倍画；零序网三相对称，计算时只画一相。第97页/共163页序网的化简和基本方程已知量：已知量：待求量：待求量：方程数为方程数为3，待求量为，待求量为6，还需，还需要其他要其他3个方程才能求解！个方程才能求解！第98页/共163页2 电力系统各元件的各序阻抗发电机序阻抗架空线的序阻抗负荷的序阻抗变压器的序阻抗第99页/共163页各元件的各序阻抗静止元件：正序电抗等于负序电抗，因为改变三相的相序，不改变元件内部的互感，如输电线、变压器，等；旋转元件：，如，发电机。第100页/共163页发电机的负序和零序电抗同步发电机不对称短路时的高次谐波同步发电机的负序和零序电抗第101页/共163页发电机不对称短路时的高次谐波定子基频零序分量电流在三相绕组中产生大小相等，相位相同的脉动磁场。但由于定子三相绕组在空间对称，零序磁场不可能在转子空间形成合成磁场，而只是形成各相绕组的漏磁场，从而对转子没有任何影响。定子基频负序分量电流：顺转子方向：顺转子方向：逆转子方向：逆转子方向：顺转子方向：顺转子方向：逆转子方向：逆转子方向：定子电路不对称定子电路不对称脉变磁场分解脉变磁场分解第102页/共163页定子直流分量电流：顺转子方向：顺转子方向：逆转子方向：逆转子方向：顺转子方向：顺转子方向：逆转子方向：逆转子方向：定子电路不对称定子电路不对称脉变磁场分解脉变磁场分解第103页/共163页定子负序分量电流：导致定子电流含有无限多的奇次谐波，转子电流含有无限多的偶次谐波定子直流分量电流：导致定子电流含有无限多的偶次谐波，转子电流含有无限多的奇次谐波如果发电机转子交轴方向具有与直轴方向完全相同的绕组，即使定子电路处于不对称状态，在定子和转子电流中也不会出现高次谐波。第104页/共163页同步发电机各绕组示意图同步发电机各绕组示意图 隐极机和有阻尼绕组的凸隐极机和有阻尼绕组的凸极机转子直轴和交轴方向在极机转子直轴和交轴方向在电磁方面较对称，电流谐波电磁方面较对称，电流谐波分量较少，可略去不计。分量较少，可略去不计。第105页/共163页发电机负序和零序电抗正序阻抗:负序阻抗：有阻尼绕组：无阻尼绕组：实用计算中，对汽轮机和有阻尼绕组的水轮机，取 ；对无阻尼绕组的水轮机，取 ；但通常取 。零序阻抗:第106页/共163页架空线路的各序阻抗架空地线中没有正序或负序电流，因此其对正序阻抗和负序阻抗没有影响。不管什么类型的架空线，正序阻抗等于负序阻抗，都等于0.4/km。零序阻抗：无架空地线单回线：无架空地线双回线：有架空地线：（架空地线中电流方向与三相中零序电流的方向相反）第107页/共163页在短路的实用计算中，近似地采用下列公式计算输电线路每一回路每单位长度的一相等值零序阻抗：无架空地线的单回线路：x 0=3.5 x1有钢质架空地线的单回线路：x 0=3x1有良导体架空地线的单回线路：x0=2x1无架空地线的双回线路：x0=5.5x1有钢质架空地线的双回线路：x0=4.7x1有良导体架空地线的双回线路：x0=3x1其中，x1为单位长度的正序电抗第108页/共163页负荷的各序参数 负荷包括：电动机、综合负荷（如电解、电焊等）正序阻抗：电动机在短路前有额定端电压，其内部线圈中储存的有磁能量，在短路时，端电压要下降，储存的能量就要释放出来，具有电源的性质。只有在三相短路时，靠近短路点的负荷，可以当做临时附加电源（因为靠近短路点元件的电压下降最厉害），可以将其看成一个电势和一个阻抗（次暂态），但能量释放很快，稳态时只能看成一个阻抗，。电动机电动机：综合负荷综合负荷：第109页/共163页负序阻抗：不管是电动机还是综合负荷，负序阻抗的标幺值均取为 。零序阻抗：异步电动机的定子三相绕组通常接成三角形或不接地星形，因为即使在其端点施加零序电压，定子绕组中也没有零序电流流通，及异步电动机的零序电抗 。第110页/共163页变压器的零序参数双绕组变压器/，Y/Y0/Y0/YY0/Y0三绕组变压器Y0/YY0/Y0Y0/Y0/Y/Y第111页/共163页/，Y/零序电压施加在变压器绕组的零序电压施加在变压器绕组的三角形侧或不接地星形侧时，三角形侧或不接地星形侧时，无论另一侧绕组的接线方式如无论另一侧绕组的接线方式如何，变压器中都没有零序电流何，变压器中都没有零序电流流通。相当于流通。相当于x0=。/接线变压器接线变压器Y/接线变压器接线变压器零序等值电路零序等值电路第112页/共163页Y0/Y0/接线变压器接线变压器零序等值电路零序等值电路只表示零序电流的回路，并不表示有接地点！零序阻抗为：零序阻抗为：第113页/共163页Y0/Y二次侧有感应零序电势，但没有二次侧没有零序电流，因为零序电流二次侧有感应零序电势，但没有二次侧没有零序电流，因为零序电流必须通过架空地线和大地相联必须通过架空地线和大地相联零序阻抗为：零序阻抗为：对于对于xm0，其与变压器的结构有关，其与变压器的结构有关三相四柱：三相四柱：xm0=三相三柱：三相三柱：xm0 1Y0/Y接线变压器接线变压器零序等值电路零序等值电路第114页/共163页Y0/Y0若外电路无接地点，相当于Y0/Y外电路有接地点：Y0/Y0接线变压器接线变压器零序等值电路零序等值电路零序阻抗为：零序阻抗为：第115页/共163页双绕组变压器的序等值电路变压器的零序等值电路与外电路的连接，可用下图的电 路来表示：变压器绕组接法变压器绕组接法开关位置开关位置绕组端点与外电路的联接绕组端点与外电路的联接Y1与外电路断开与外电路断开YN2与外电路接通与外电路接通d3与外电路断开，但与励磁支路并联与外电路断开，但与励磁支路并联第116页/共163页三绕组变压器的零序参数Y0/Y：高压侧有零序电流Y0/Y0：高压和低压侧有零序电流Y0/：高压侧有零序电流Y0/Y/Y：高压侧有零序电流第117页/共163页第一章 电力系统故障分析主要内容电力系统故障分析绪论无穷大交流电源经阻抗三相短路的过程分析同步发电机突然三相短路分析对称分量法及各元件的序参数不对称短路故障分析第118页/共163页第五节 不对称短路故障分析 问 题1.不对称短路故障分析的基本方法是什么？2.简单电力系统发生两相短路、单相接地短路、两相短路接地时的边界条件及复合序网。3.简单电力系统发生经过阻抗的两相短路、单相接地短路、两相短路接地时的边界条件及复合序网。第119页/共163页1 不对称短路故障分析方法利用对称分量法及迭加原理进行故障计算前提条件：正序、负序、零序三种分量对对称电力系统相互独立，互相解耦。电力系统故障可以采用迭加原理进行分析，即对于三相参数对称（一致）的电力系统，当外加不对称电源时，可以将该电源分解为正序、负序、零序三种分量，分别求解，然后将结果相加即为整个系统的解。第120页/共163页电力系统故障后稳态计算的一般方法第121页/共163页2 各序网络的制定正序网络负序网络零序网络第122页/共163页正序网络画正序网络时，对比三相短路时的网络，其与三相短路时相似，电流从电源指向短路点，然后简化成最简形式，求短路电流。正序网络中，电流流过的元件的阻抗为元件的正序阻抗，但短路点与中性点的电位差不为零，有一组短路点的正序电压。第123页/共163页负序网络画负序网络时，与正序网络对比，负序电流与正序网络中电流的路径相同，但电源电势为零，短路点的电压时一组负序电压。第124页/共163页零序网络零序网络的电流路径与正序网络、负序网络的电流路径完全不一样，电流从短路点开始，在短路点加零序电压，查一下零序电流流过的路径。假若中性电阻接地，要按3倍画。第125页/共163页例例假若发生三相短路，则网络可化简为：假若发生三相短路，则网络可化简为：第126页/共163页正序网络最终化简为：最终化简为：第127页/共163页负序网络最终化简为：最终化简为：第128页/共163页零序网络最终化简为：最终化简为：第129页/共163页3 简单电力系统短路电流的计算两相短路电流计算单相短路电流计算两相对地短路电流计算第130页/共163页两相短路(B,C相)，以A相为参考相1.电路图第131页/共163页2.以相电流、相电压表示的边界方程（特殊方程）3.转换为序分量（电压的正序分量与负序分量相等）（电压的正序分量与负序分量相等）（发生两相短路时，没有零序分量）（发生两相短路时，没有零序分量）为什么？第132页/共163页4.画复合序网（并联）5.求相电流 先求序电流，再求相电流；求序电流时，先求短路点的正序电流。第133页/共163页其中，其中，为发生三相短路时的短路电流为发生三相短路时的短路电流则当三相短路电流计算出来以后，发生两相短路时的短则当三相短路电流计算出来以后，发生两相短路时的短路电流为三相短路电流的路电流为三相短路电流的0.866倍。倍。第134页/共163页6.相电压可知，两故障点的电压大小相等，方向相同，大小为非可知，两故障点的电压大小相等，方向相同，大小为非故障相的故障相的1/2，方向与非故障相相反。，方向与非故障相相反。第135页/共163页7.短路点电流、电压的相量图电压（线电压）电压（线电压）第136页/共163页电流（线电流）电流（线电流）第137页/共163页单相接地短路(A相)1.电路图第138页/共163页2.以相电流、相电压表示的边界方程3.转换为序分量第139页/共163页4.画复合序网（串联）5.求相电流 第140页/共163页6.求相电压7.短路点电压和电流相量图（纯电感电路）第141页/共163页电流（线电流）电流（线电流）第142页/共163页两相对地短路(B,C相)1.电路图第143页/共163页2.以相电流、相电压表示的边界方程（特殊方程）3.转换为序分量第144页/共163页4.画复合序网（并联）5.求相电流 第145页/共163页6.相电压第146页/共163页7.短路点电流、电压的相量图电压（线电压）电压（线电压）第147页/共163页电流（线电流）电流（线电流）第148页/共163页4 几点结论正序等效定则故障相短路电流的绝对值与正序电流的关系第149页/共163页正序等效定则对于不对称短路，只要求解了正序电流，相电压和相电流都求出来了。两相短路：单相接地：两相接地：一般规律：一般规律：其中，其中，为附加阻抗为附加阻抗正序等效定则：在不对称短路时，短路点的正序电流的大小与在短路点串接一个附加阻抗而发生三相对称短路时的电流相等。第150页/共163页故障相短路电流绝对值与正序电流的关系三相短路：两相短路：单相接地：两相接地：一般规律：对各种不对称短路，短路点故障相电流的绝对值与正序电流的大小成正比。其中，其中，为比例常数为比例常数第151页/共163页5 简单电力系统经阻抗短路电流计算金属性、非金属性短路各种非金属性短路的边界方程和复合序网第152页/共163页直接短路称金属性短路一般均经过电弧发生短路，电弧有阻抗，称为非金属性短路经阻抗短路第153页/共163页两相短路(B,C相)电路图边界条件转化为序分量转化为序分量:复合序网图复合序网图第154页/共163页单相接地短路(A相)电路图边界条件转化为序分量转化为序分量:复合序网图复合序网图第155页/共163页两相短路接地(B,C相)电路图边界条件转化为序分量转化为序分量:复合序网图复合序网图第156页/共163页本章小结短路电流计算（分析）目的与意义短路后电流初始值、稳态值直流分量+交流分量 运算曲线稳态值计算三相短路不对称短路第157页/共163页无穷大电源供电的三相短路电流分析短路电流：强制分量（直流分量）+自由分量（交流分量）非周期分量的初始值的确定短路电流的特征量计算冲击电流，冲击电流发生的条件，冲击系数短路功率（容量）残余电压第158页/共163页发电机突然三相短路分析短路后定子和转子绕组（f、D、Q）电流的组成及其相互依存、影响关系短路后发电机的等值磁路、电路分析（空载、有载、D绕组、Q绕组）发电机供电电路发生三相短路后短路电流计算第159页/共163页电力系统元件的序参数和等值电路旋转元件与静止元件输电线路变压器：连接组别、变压器结构第160页/共163页对称分量法及不对称故障的分析对称分量变换不对称故障分析的基本步骤画电路图列写边界方程画序网络和等值电路计算短路电流：由序电流求相电流计算短路点电压：由序电压求相电压画短路点电压、电流的相量图第161页/共163页Thanks for your attention!第162页/共163页感谢您的观看！第163页/共163页