电力系统三相短路暂态.pptx

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1、5.1 5.1 短路的一般概念 一、短路的原因、类型及后果 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，鸟兽跨接第1页/共52页2.2.短路故障种类 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。 三相短路、两相短路、两相短路接地和单相接地短路)1 , 1(f)3(f)2(f)1(fn三相短路对称短路；其他类型的短路不对称短路n在各种类型的短路中，单 相 短 路 占 大 多 数（65%65%），两相短路较少，三相短路的机

2、会最少第2页/共52页3.短路的危险后果 出现大电流。 系统电压大幅度下降。 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。 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。第3页/共52页4.预防短路措施： 采取合理的防雷措施，加强运行维护管理； 线路上安装电抗器。 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； 架空线路采用自动重合闸装置；第4页/共52页二、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 w选择有足够机械稳定度和热稳定度的电气设备，

3、必须以短路电流为依据；w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；w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；w进行电力系统暂态稳定计算，研究短路对用户工作的影响；w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。第5页/共52页确定计算条件：短路发生时系统的运行方式短路的类型和发生地点短路发生后所采取的措施等第6页/共52页5.2 恒定电势源电路的三相短路第7页/共52页一、短路的暂态过程短路前a相的电势和电流：式中：合闸角：短路（或合闸）前瞬间电压的相位角。) sin()sin(tIitEemm2

4、22) () (LLRREImm) (RRLLarctgia第8页/共52页系统发生三相短路后，f f点左半部和右半部仍保持对称。n右半部：i 0i 0；n左半部：短路前， 短路后，阻抗值从)sin(tIimLjRLLjRR)()(衰减第9页/共52页短路后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(tEdtdiLRim第10页/共52页短路全电流短路电流周期分量幅值电路的阻抗角（5-35-3）短路电流的周期分量appiii)sin(tIipmp22)(

5、LREImpmRLarctg)sin(tEdtdiLRim第11页/共52页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 C，由初始条件决定，即非周期电流的起始值i iap0ap0 00iiCIIpmm)sin()sin()sin()sin(0pmmapIIiC短路全电流appiiiLRp/RLpTa/1)sin(tIimaTtpmCetIi/)sin(第12页/共52页a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(ipiapaTtpmmpm

6、eIItIi/)120sin()120sin()120sin(aTtpmmpmeIItIi/)120sin()120sin()120sin(三相短路电流的周期分量是一组对称正弦量；各相非周期分量不相等。第13页/共52页i0iap0ip0mE短路暂态过程的相量图0)sin(ppmpmiII0)sin(iIImm0appmmiII第14页/共52页i0iap0ip0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有关。平行；垂直0appmmiII第15页/共52页非周期分量有最大初值或零值的情况只可能在一相出现。第16页/共52页二、短路冲击电流非周期分量电流出现最大值

7、： (1) (1) 相量差有最大可能值 (2) (2) 相量差在t t0 0时与时间轴平行 pmmIIpmmII第17页/共52页短路电流最大可能的瞬时值称为短路冲击电流，以i iimim表示。短路冲击电流出现的条件：1. 短路回路为纯电感电路 902. 电压的初相角过零值 =03. 电路原来处于空载 Im=0aTtpmmpmeIItIi/)sin()sin()sin(第18页/共52页aTtpmpmeItIi/cos可能出现最大短路冲击电流的表达式：aTtpmmpmeIItIi/)sin()sin()sin(第19页/共52页短路电流的最大瞬时值在短路发生后约半个周期出现 t0.01s冲击电

8、流的算式：pmimpmaapmpmimIkITTIIi)/01.0exp(1)/01.0exp(冲击系数aTtpmpmeItIi/cos第20页/共52页 当时间常数Ta的数值由零变到无限大时，冲击系数的变化范围lkim2。 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第21页/共52页三、短路电流的有效值在短路过程中，任一时刻t t的短路电流有效值I It t，是指以时刻t t为中心的一个周期内瞬

9、时电流的均方根值。i it t ：t t时刻短路电流瞬时值i ipt pt ：周期分量瞬时值i iaptapt：非周期分量的瞬时值（5-9）dtiiTdtiTIaptTtTtptTtTtt22/2/2/2/2)(11第22页/共52页 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：aptaptiI2pmtptII22tptaptIII第23页/共52页在最不利的情况下发生短路时，t t0.0ls0.0ls，这时非周期分量的有效

10、值为： （5-11）当冲击系数k kimim1.91.9时，I Iimim=1.62I=1.62IP P k kimim1.81.8时，I Iimim=1.51I=1.51IP P)1(212)1(22imppimpimkIIkII短路电流最大有效值I Iimim：pmimapmapIkTII) 1()/01. 0exp(第24页/共52页四、短路功率n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。n标幺值形式n短路容量主要用来校验开关的切断能力3tav tSV I*33av ttttBBBV IISIIV I第25页/共52页5.3 5.3 同步电机突然三相短路的物理分析

11、 一、突然短路暂态过程的特点 n大冲击电流n电枢反应磁通变化转子绕组中感应电流影响定子电流定子和转子绕组电流的互相影响（显著特点）第26页/共52页二、超导体闭合回路磁链守恒原则 n超导体电阻为零的导体，超导体闭合回路维持所环链的磁链不变。电压观点 若跃变d d/dt=/dt=无限大电源( (不存在) ) n楞茨定则任何闭合线圈在突然变化的瞬间，都能维持磁链不变。rr0永远不变第27页/共52页超导体磁链守恒原则的数学描述 闭合回路、电阻R、磁链、无外电源 回路由理想超导体构成：R0常数0 Ridtd0dtd第28页/共52页（1 1）超导体闭合回路,0 00 0n移近一个磁铁，0 01 1n

12、回路将感应产生电流i i（2 2）如果原始磁链值, ,0 000n外界磁场对该回路产生磁链，1 1n回路中将产生电流i i1 1, ,满足条件 LiLi1 10 0011Li第29页/共52页实际电机 R0 t=0 短路 如何变化？ t=(0-,0+) (0-)=(0) 短路瞬间第30页/共52页 与定子绕组交链，同步电机工作磁链（空载磁链）； 随转子同步旋转，被定子绕组所切割，在定子绕组中感应空载电势三、无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析 fadfdixfffi只与ffff交链，励磁绕组漏磁链ffd第31页/共52页假定短路前无阻尼电机处于空载状态1 1、短路前fffqdrviii/,

13、 00000fadfddix定子绕组总磁链0q= =0 0t t第32页/共52页转子转速旋转，定子各相绕组磁链: :t t0 0短路前瞬间，= =0 0，定子各相绕组磁链：)120cos()120cos()cos(00000000tttcba)120cos()120cos(cos000000000cba第33页/共52页)120cos()120cos()cos(00000000tttcba第34页/共52页维持磁链初值不变定子绕组中出现电流产生磁链t=0t=0时发生短路，要维持定子各相绕组磁链不变2、三相短路后)120cos()120cos(cos000000000cba发生短路后，同步电机

14、仍以旋转，产生0 0)120cos()120cos()cos(00000000tttcba不相等000,cbacba,cba,合成后等于第35页/共52页短路前、后瞬间磁链图00000,cbacba,cba,合成后等于第36页/共52页cccbbbaaacccbbbaaa000000恒定分量交变分量)120cos()120cos()120cos()120cos()cos(cos000000000000tttcba)120cos()120cos()120cos()120cos()cos(cos000000tIIitIIitIIimmcmmbmma恒定直流基频交流第37页/共52页3 3、短路后定

15、子绕组中的电流分量 基频电流 ii交变磁链 为了抵消励磁磁链对各相定子绕组产生的交变磁链 )120cos()120cos()120cos()120cos()cos(cos000000tIIitIIitIIimmcmmbmma0cba,cba,cba,cba,大小相等、方向相反第38页/共52页 直流分量iap：维持磁链初始值；)120cos()120cos()120cos()120cos()cos(cos000000tIIitIIitIIimmcmmbmmai iap ap 维持短路前瞬间初始磁链00不变 ap0大小相等、方向相同)(0第39页/共52页短路后瞬间磁链图ap0iapi0第40页

16、/共52页apapap第41页/共52页 倍频分量 i i2 2 纵横轴磁阻不同 转子每转过180，磁阻经历一个周期 磁链要恒定(=F/r)，F随r变化倍频磁链2 直流直流iap倍频交流i2磁链不变i iapap静止恒定磁势第42页/共52页定子绕组中的电流2iiiiap基频交流恒定直流倍频交流第43页/共52页4 4、短路后转子中的电流分量n 定子三相绕组基频电流ii同步旋转磁势( (和转子相对静止) )；与0 0方向相反0 0正方向是d d轴正向，同步旋转磁势产生的磁链在d d轴反方向，对励磁磁势起纯去磁电枢反应。cba,ii产生抵消直流电流直流电流i ifafacba,第44页/共52页

17、励磁绕组交链磁链保持短路前磁链值不变励磁绕组产生直流电流ifa（方向和if0相同，使励磁绕组的磁场得到加强）。 ifafaufa fa 定子同步旋转磁场产生的去磁磁链平衡直流电流直流电流i ifafa第45页/共52页定子直流分量空间静止磁场（ap）对励磁绕组是同步速切割励磁绕组转子绕组产生同步频率交变电流转子绕组产生同步频率交变磁链f 交变磁链f抵消定子绕组产生的直流磁场在转子励磁绕组中形成的磁链apf f=-=-apap交变电流交变电流i if f第46页/共52页定子电流倍频分量i2两倍同步转速的旋转磁场2相对转子对转子绕组产生基频磁链转子绕组产生同步频率交变电流、磁链抵消定子绕组产生的

18、直流磁场在转子励磁绕组中形成的磁链ap 。ffaffiiIi0直流电源产生的强制分量抵消i磁链自由分量抵消i iapap、i i2 2磁链自由分量第47页/共52页小节 无阻尼绕组同步电机突然短路时，定子电流将包含基频分量、倍频分量和直流分量apiwi2in转子绕组电流中包含有直流分量和基频交流分量转子绕组电流中包含有直流分量和基频交流分量faifwi0fI第48页/共52页i i稳态值，强制分量2iiiiapiii ii i自由分量2iiiiiap自由分量记及电阻，衰减到零为维持磁链初值不变而出现为抵消转子0 0第49页/共52页ffaffiiIi0恒定的自由分量记及电阻，衰减到零第50页/共52页apiwi2faifwiiiii0 fi第51页/共52页电力系统分析 第五章 电力系统三相短路的暂态过程感谢您的观看！第52页/共52页