第05章_电力系统三相短路的暂态过程.pdf
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1、讨论电力系统突然短路时的电磁暂态现象及其分析方法。讨论电力系统突然短路时的电磁暂态现象及其分析方法。第五章 电力系统三相短路的暂态过程第五章 电力系统三相短路的暂态过程本章主要内容本章主要内容包括:(包括:(1)恒定电势源电路突然三相短路;()恒定电势源电路突然三相短路;(2)同步发电机突然短路暂态过程的物理分析()同步发电机突然短路暂态过程的物理分析(3)同步发电机常用)同步发电机常用暂态参数暂态参数的定义(的定义(4)定转子绕组短路电流)定转子绕组短路电流起始值起始值的计算基本原理:超导体闭合回路的计算基本原理:超导体闭合回路磁链守恒原则磁链守恒原则5-1 短路的一般概念短路的一般概念5-
2、2 恒定电势源电路的三相短路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分析同步电机突然三相短路的物理分析5-4 无阻尼绕组同步电机三相短路电流计算无阻尼绕组同步电机三相短路电流计算5-5 有阻尼绕组同步电机的突然三相短路有阻尼绕组同步电机的突然三相短路第五章 电力系统三相短路的暂态过程第五章 电力系统三相短路的暂态过程1.短路的原因、类型及后果短路的原因、类型及后果5-1 短路的一般概念短路的一般概念短路:一切不正常的相与相之间或相与地发生通路的情况。短路是电力系统的严重故障。短路产生的原因:短路:一切不正常的相与相之间或相与地发生通路的情况。短路是电力系统的严重故障。短路产生
3、的原因:(1)元件损坏元件损坏(2)气象条件恶化气象条件恶化(3)违规操作违规操作(4)其他原因其他原因f(1)f(2)f(1,1)f(3)单相两相两相三相短路短路短路短路接地单相两相两相三相短路短路短路短路接地1.短路的原因、类型及后果短路的原因、类型及后果5-1 短路的一般概念短路的一般概念短路的危险后果:短路的危险后果:(1)导体间产生很大的机械应力,破坏导体及其支架导体间产生很大的机械应力,破坏导体及其支架(2)设备发热增加,导致设备过热损坏设备发热增加,导致设备过热损坏(3)电压大幅度下降,导致产品报废,设备损坏电压大幅度下降,导致产品报废,设备损坏(4)破坏系统稳定,造成大片地区停
4、电破坏系统稳定,造成大片地区停电(5)产生电磁干扰,对通讯线路或者铁道讯号产生严重影响产生电磁干扰,对通讯线路或者铁道讯号产生严重影响1.短路的原因、类型及后果短路的原因、类型及后果5-1 短路的一般概念短路的一般概念2.短路计算的目的短路计算的目的(1)电动力稳定度电动力稳定度冲击电流冲击电流(2)热稳定度热稳定度短路电流周期分量短路电流周期分量(3)设备容量校验设备容量校验短路电流有效值短路电流有效值(4)继电保护和自动装置整定继电保护和自动装置整定短路电流周期分量短路电流周期分量(5)输电线路对输电线路对通信通信的干扰的干扰零序电流分量零序电流分量5-1 短路的一般概念短路的一般概念()
5、sin120mEt+()sin120mEt+()sinmEt+RLRRLLRLRRLLaibici5-2 恒定电势源电路的三相短路恒定电势源电路的三相短路1.短路的暂态过程短路的暂态过程sin()sin()mmeEtiIt=+=+()222;()()mmLLEIarctgRRRRLL+=+三相对称,以三相对称,以a相为例相为例f短路前稳态短路前稳态1.短路的暂态过程短路的暂态过程短路状态短路状态()22;mpmaELRLIarctgTRLRRL=+5-2 恒定电势源电路的三相短路恒定电势源电路的三相短路()sin120mEt+()sin120mEt+()sinmEt+RLRRLLRLRRLLa
6、ibicif三相对称,以三相对称,以a相为例相为例sin()mdiRiLEtdt+=+()sin()expppmtapaiItiCeCt T=+=sin()mdiRiLEtdt+=+()sin()exppappmaiiiItCt T=+=+()sin()expppmtapaiItiCeCt T=+=sin()sin()mpmIIC=+()sin()ssin()exi()pnmpampmIIiItt T=+t=0:合闸角0apCi=1.短路的暂态过程短路的暂态过程短路状态短路状态5-2 恒定电势源电路的三相短路恒定电势源电路的三相短路()sin120mEt+()sin120mEt+()sinmE
7、t+RLRRLLRLRRLLaibicif三相对称,以三相对称,以a相为例相为例1.短路的暂态过程短路的暂态过程相量图相量图5-2 恒定电势源电路的三相短路恒定电势源电路的三相短路sin()sin()mmeEtiIt=+=+()sin()expppmtapaiItiCeCt T=+=000sin()sin()sin()sin()mppmpmmapiICiiIII=()sin()sin()sin()exppmmpmaiItIIt T=+0pi0i0apitmE?mI?pmI?mpmII?2.短路冲击电流短路冲击电流短路电流短路电流最大可能最大可能的瞬时值的瞬时值imimaxmpmII?()mpm
8、IIt?与 轴平行0maxapi0mI=空载空载零合闸角零合闸角5-2 恒定电势源电路的三相短路恒定电势源电路的三相短路()sin()sin()sin()exppmmpmaiItIIt T=+()90,90,0=LR?0pi0i0apitmE?mI?pmI?mpmII?2.短路冲击电流短路冲击电流5-2 恒定电势源电路的三相短路恒定电势源电路的三相短路()sin()sin()sin()exppmmpmaiItIIt T=+90,0=tmE?mI?pmI?mpmII?()cosexppmpmaiItIt T=+0mI=tmE?pmI?pmI?()1exp0.01impmaimpmiITk I=+
9、=2.短路冲击电流短路冲击电流5-2 恒定电势源电路的三相短路恒定电势源电路的三相短路()cosexppmpmaiItIt T=+tmE?pmI?pmI?0.5piapiimi0api1.000.51.01.52.0()1 exp0.01/imapmim pmiTIk I=+=00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1t(s)主要结论:主要结论:(3)短路电流周期分量(3)短路电流周期分量幅值恒定幅值恒定;(4)直流分量为;(4)直流分量为衰减分量衰减分量,其初始值大小与短路,其初始值大小与短路合闸角合闸角有关;有关;()sin()sin()sin()ex
10、ppmmpmaiItIIt T=+090cos,090appmiI=?空载,:时最大;时为零;5-2 恒定电势源电路的三相短路恒定电势源电路的三相短路(1)定义短路发生时刻系统(1)定义短路发生时刻系统A相电势源电压相位相电势源电压相位为为合闸角合闸角;(2)短路电流包含;(2)短路电流包含周期分量周期分量和和直流分量(自由分量,非周期分量)直流分量(自由分量,非周期分量);piapiimi0api()1 exp0.01/imapmim pmiTIk I=+=(),90,090=?()cosexppmpmaiItIt T=+()1exp0.01impmaimpmiITk I=+=短路电流最大可
11、能瞬时值:短路电流最大可能瞬时值:空载纯感性电路合闸角0空载纯感性电路合闸角0;短路后半个周波时刻短路后半个周波时刻5-2 恒定电势源电路的三相短路恒定电势源电路的三相短路主要结论:主要结论:()sin()sin()sin()exppmmpmaiItIIt T=+piapiimi0api()1 exp0.01/imapmim pmiTIk I=+=()1exp0.01imakT=+2.短路冲击电流短路冲击电流冲击系数冲击系数kim1.02.0imk1.91.851.8imimimkkk=发电机端母 线:发电厂高压母线:其他地点:aTL R=00.050.1-101200.050.1-10120
12、0.050.1-101200.050.1-1-0.500.511.5Ta=INF Ta=0.1s Ta=0.02s Ta=0.01s kim kim kim kim()1exp0.01impmapmimITkiI=+=5-2 恒定电势源电路的三相短路恒定电势源电路的三相短路实用计算:实用计算:()22222211 t Tttt Tt Tptaptt TIi dtTiidtT+=+3.短路电流有效值短路电流有效值定义、近似计算、最大值定义、近似计算、最大值22 tptaptIII=+()2212 impimpIIkI=+5-2 恒定电势源电路的三相短路恒定电势源电路的三相短路短路电流最大有效值:
13、短路电流最大有效值:()1exp0.01impmaimpmiITk I=+=2ppmII=周期分量有效值:周期分量有效值:0.5piapiimI0api1.000.51.01.52.000.010.020.030.040.050.060.070.080.09T0.1t(s)4.短路容量短路容量定义、标幺值定义、标幺值3=tavtSU I*33=avttttBBBU IISIIU I短路电流有效值与短路处正常工作电压的乘积短路电流有效值与短路处正常工作电压的乘积一般采用短路电流一般采用短路电流周期分量周期分量的初始有效值(的初始有效值(Ip)与短路处平均额定电压()与短路处平均额定电压(Uav)
14、的乘积)的乘积标幺值标幺值5-2 恒定电势源电路的三相短路恒定电势源电路的三相短路1.突然短路暂态过程的特点突然短路暂态过程的特点?突然短路时,定子电流在数值上发生急剧变化,电枢磁通也随之变化,并在转子绕组中感应电流突然短路时,定子电流在数值上发生急剧变化,电枢磁通也随之变化,并在转子绕组中感应电流?转子电流又反过来影响定子电流的变化转子电流又反过来影响定子电流的变化?定子和转子绕组电流的相互影响是同步电机突然短路暂态过程区别于稳态短路的显著特点定子和转子绕组电流的相互影响是同步电机突然短路暂态过程区别于稳态短路的显著特点5-3 同步电机突然三相短路的物理分析同步电机突然三相短路的物理分析fd
15、5-3 同步电机突然三相短路的物理分析同步电机突然三相短路的物理分析2.超导体闭合回路磁链守恒原则超导体闭合回路磁链守恒原则0dRidt+=0ddt=R=00Li+=楞次定则楞次定则:任何闭合线圈在发生突然变化的瞬间,都能维持磁链不变。:任何闭合线圈在发生突然变化的瞬间,都能维持磁链不变。e=?短路短路发生的瞬间,定转子各相绕组磁链维持为短路前初值不变发生的瞬间,定转子各相绕组磁链维持为短路前初值不变LccrcraLaaLbbrbrfLffifiaibicuffd3.无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析5-3 同步电机突然三相短路的物理分析同步电机突
16、然三相短路的物理分析(1)短路前定子各相绕组磁链基频交变短路前定子各相绕组磁链基频交变仅有励磁电流作用仅有励磁电流作用()()()000000cos,cos120,cos120abcttt=+=+=+?3.无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析5-3 同步电机突然三相短路的物理分析同步电机突然三相短路的物理分析qdabc0acbfd()()000000000cos,cos120,cos120abc=+?(2)短路发生后,定子绕组磁链维持短路初瞬值不变短路发生后,定子绕组磁链维持短路初瞬值不变()()()000000000coscos120cos120a
17、abbccttt=+=+=+?3.无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析5-3 同步电机突然三相短路的物理分析同步电机突然三相短路的物理分析0fd=?0?abc0a0b0c()()000000000cos,cos120,cos120abc=+?(3)短路瞬间定子绕组出现短路瞬间定子绕组出现基频电流分量基频电流分量和和直流电流分量直流电流分量()()()000000000coscos120cos120aabbccttt=+=+=+?基频电流产生与定子绕组交链的基频交变磁链,抵消励磁电流的作用;基频电流产生与定子绕组交链的基频交变磁链,抵消励磁电流的作用;
18、?直流分量产生与定子绕组交链的恒定磁链,直流分量产生与定子绕组交链的恒定磁链,等于初瞬值,等于初瞬值,维持磁链守恒维持磁链守恒0fd=?0?直流产生静止磁势直流产生静止磁势3.无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析5-3 同步电机突然三相短路的物理分析同步电机突然三相短路的物理分析基频电流产生旋转磁势基频电流产生旋转磁势()()0000000 by coscob s y aaaaapaFtFt=+=+qdabc0fd=?0by aF?00by F?0a0()()()abcabcdaapiiFiIF?基频电流产生旋转磁势基频电流产生旋转磁势直流产生静止磁
19、势直流产生静止磁势(3)短路瞬间定子绕组出现短路瞬间定子绕组出现基频电流分量基频电流分量和和直流电流分量直流电流分量3.无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析5-3 同步电机突然三相短路的物理分析同步电机突然三相短路的物理分析a00by aFby aaFby afibca 0bi 00IF?0ai0ci0 02=+b ca(2)bi22IF?(2)ai(2)ci002=+2()00202abc apiF+(2)00202abciF+?由于转子不对称,直流分量还会产生与定子绕组交链的倍频交变磁链;由于转子不对称,直流分量还会产生与定子绕组交链的倍频交变磁
20、链;?定子绕组出现倍频电流分量,抵消该交变磁链,维持磁链为恒定值不变定子绕组出现倍频电流分量,抵消该交变磁链,维持磁链为恒定值不变()()002000020 cosco+saatt=+=+3.无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析5-3 同步电机突然三相短路的物理分析同步电机突然三相短路的物理分析?定子电流基频分量对励磁绕组产生去磁的电枢反应;定子电流基频分量对励磁绕组产生去磁的电枢反应;?为了维持磁链守恒,励磁绕组将产生附加直流电流分量,抵消定子基频电流的电枢反应;为了维持磁链守恒,励磁绕组将产生附加直流电流分量,抵消定子基频电流的电枢反应;?励磁绕
21、组附加直流电流反过来又激起更大的定子基频电流,以保持定子磁链守恒;励磁绕组附加直流电流反过来又激起更大的定子基频电流,以保持定子磁链守恒;axbyczdabcq(4)短路瞬间定转子绕组相互激励作用短路瞬间定转子绕组相互激励作用3.无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析?定子电流基频分量对励磁绕组产生去磁的电枢反应;定子电流基频分量对励磁绕组产生去磁的电枢反应;?为了维持磁链守恒,励磁绕组将产生附加直流电流分量,抵消定子基频电流的电枢反应;为了维持磁链守恒,励磁绕组将产生附加直流电流分量,抵消定子基频电流的电枢反应;?励磁绕组附加直流电流反过来又激起更大
22、的定子基频电流,以保持定子磁链守恒;励磁绕组附加直流电流反过来又激起更大的定子基频电流,以保持定子磁链守恒;axbyczdabcq(4)短路瞬间定转子绕组相互激励作用短路瞬间定转子绕组相互激励作用3.无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析?定子电流基频分量对励磁绕组产生去磁的电枢反应;定子电流基频分量对励磁绕组产生去磁的电枢反应;?为了维持磁链守恒,励磁绕组将产生附加直流电流分量,抵消定子基频电流的电枢反应;为了维持磁链守恒,励磁绕组将产生附加直流电流分量,抵消定子基频电流的电枢反应;?励磁绕组附加直流电流反过来又激起更大的定子基频电流,以保持定子磁链
23、守恒;励磁绕组附加直流电流反过来又激起更大的定子基频电流,以保持定子磁链守恒;axbyczdabcq?同步电机三相短路区别于恒定电势源短路的特点:由于定转子绕组互相激励,短路电流周期分量大大超过稳态短路电流;同步电机三相短路区别于恒定电势源短路的特点:由于定转子绕组互相激励,短路电流周期分量大大超过稳态短路电流;3.无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析(4)短路瞬间定转子绕组相互激励作用短路瞬间定转子绕组相互激励作用(4)短路瞬间定转子绕组相互激励作用短路瞬间定转子绕组相互激励作用?定子电流直流分量和倍频分量也会对励磁绕组产生去磁的电枢反应;定子电流
24、直流分量和倍频分量也会对励磁绕组产生去磁的电枢反应;?为了维持磁链守恒,励磁绕组将产生附加基频电流分量,抵消定子直流和倍频电流的电枢反应;为了维持磁链守恒,励磁绕组将产生附加基频电流分量,抵消定子直流和倍频电流的电枢反应;?励磁绕组附加基频电流反过来又激起更大的定子直流和倍频电流,以保持定子磁链守恒;励磁绕组附加基频电流反过来又激起更大的定子直流和倍频电流,以保持定子磁链守恒;axbyczdabcq?问题:转子基频电流分量产生与定子绕组交链的磁链是何种性质,恒定,基频交变,或者倍频交变?试加以分析问题:转子基频电流分量产生与定子绕组交链的磁链是何种性质,恒定,基频交变,或者倍频交变?试加以分析
25、3.无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析3.无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析0fai()abc api0fi(2)abcifit=0-t=0+()abciabci0abc()ap()fiabc0f()abciffi0fi()abci0f(2)ap2()2fi()fi()fai()fai2(2)()fi2()()ap(5)定转子绕组各种电流分量及其相互关系定转子绕组各种电流分量及其相互关系3.无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析(5)定转子绕组各种电流分量及其相
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- 05 电力系统 三相 短路 过程
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