电力系统分析基础(第七章)n.ppt
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1、North China Electric Power University电力工程系电力工程系Department of Electrical Engineering电力系统故障分析电力系统故障分析(电磁暂态过程分析电磁暂态过程分析)(七)(七)任 建 文电力系统故障分析的主要内容电力系统故障分析的主要内容本部分内容简介本部分内容简介介绍故障类型、产生原因及危害介绍故障类型、产生原因及危害在电专业课中在电专业课中电力系统故障分析电力系统故障分析三相短路电流分析与计算三相短路电流分析与计算无限大容量电源供电系统三相短路过渡过程分析无限大容量电源供电系统三相短路过渡过程分析三相短路的实用计算方法三
2、相短路的实用计算方法同步发电机突然三相短路分析同步发电机突然三相短路分析电力系统三相短路的实用计算电力系统三相短路的实用计算对称分量法及电力系统元件的各序参数和等值电路对称分量法及电力系统元件的各序参数和等值电路不对称故障的分析与计算不对称故障的分析与计算复故障的分析与计算复故障的分析与计算对称分量法及电力系统元件的各序参数和等值电路对称分量法及电力系统元件的各序参数和等值电路不对称故障的分析与计算不对称故障的分析与计算一、短路的类型:一、短路的类型:大多数故障是短路故障大多数故障是短路故障短路是指:正常运行情况以外的相与相或相与地之间的连接短路是指:正常运行情况以外的相与相或相与地之间的连接
3、短路类型短路类型示意图示意图符号符号发生的机率发生的机率三相短路三相短路d(3)5%二相短路二相短路d(2)10%二相接地短路二相接地短路d(1,1)20%单相接地短路单相接地短路d(1)65%对称对称不不对对称称第一节 概述第一章 电力系统故障分析的基本知识2021/9/213二、产生的原因二、产生的原因绝缘被破坏绝缘被破坏过电压、雷击过电压、雷击绝缘老化、污染绝缘老化、污染设计、安装、维护不当,人为因素设计、安装、维护不当,人为因素风、雪、鸟、兽等风、雪、鸟、兽等三、产生的危害三、产生的危害引起发热:引起发热:1020倍额定电流,达几万甚至几十万安倍额定电流,达几万甚至几十万安引起电动力效
4、应:传导体变形甚至损坏引起电动力效应:传导体变形甚至损坏机械稳定性机械稳定性引起网络中电压降落引起网络中电压降落使稳定性遭到破坏使稳定性遭到破坏短路可能干扰通信系统短路可能干扰通信系统三、措施三、措施限制短路电流(加电抗器)限制短路电流(加电抗器)继电保护快切继电保护快切结线方式结线方式设备选择设备选择2021/9/2142021/9/2152021/9/2162021/9/217第二节第二节 无限大容量电源供电系统三相短路过渡过程分析无限大容量电源供电系统三相短路过渡过程分析一、暂态过程分析一、暂态过程分析无限大电源无限大电源恒压源(内阻恒压源(内阻=0)短路不影响电源的短路不影响电源的U,
5、f(Z=0,U=C,S=)实际内阻实际内阻短路回路总阻抗短路回路总阻抗10%,即无限个有限源组成,即无限个有限源组成RLRLUaRLRLUbRLRLUcd(3)三相短路是对称故三相短路是对称故障,可用一相分析障,可用一相分析短路前短路前UZZURLRLid短路后短路后一阶常系数线性微分方程一阶常系数线性微分方程idz周期分量(强制分量)周期分量(强制分量)Idf非周期分量(自由分量)非周期分量(自由分量)2021/9/219如何确定如何确定A(楞次定律)楞次定律)Idf非周期分量出现的物理原因是:电感中电流不能突变非周期分量出现的物理原因是:电感中电流不能突变2021/9/2110短路全电流短
6、路全电流二、产生最大短路全电流的条件二、产生最大短路全电流的条件稳态分量稳态分量取决于短路后的电路取决于短路后的电路暂态分量暂态分量和短路时刻、短路前运行状态及回和短路时刻、短路前运行状态及回路阻抗有关路阻抗有关要使短路全电流最大要使短路全电流最大使暂态分量最大(无载,一相过零)使暂态分量最大(无载,一相过零)短路前电路为空载:短路前电路为空载:Im=0电压电压“合闸相角合闸相角”=0d d=/2=/2,纯电感电路,纯电感电路2021/9/2111三、短路冲击电流三、短路冲击电流ich和冲击系数和冲击系数kchid的最大瞬时值的最大瞬时值短路冲击电流短路冲击电流ich 出现在出现在t=T/2时
7、时 kch与与R,X的大小有关:的大小有关:R=0时,时,kch=2;L=0时,时,kch=11 kch 2发电机母线时发电机母线时kch=1.9,ich=2.7 Idz高压电网时高压电网时kch=1.8,ich=2.55 Idz ich用于校验电气设备和载流导体的电动力稳定性用于校验电气设备和载流导体的电动力稳定性2021/9/2112四、短路全电流最大有效值四、短路全电流最大有效值Ich 假设假设idf的的数值在第一个周波内是恒定不变的,数值在第一个周波内是恒定不变的,t=T/2时值时值1 kch 2发电机母线时发电机母线时kch=1.9,Ich=1.62 Idz高压电网时高压电网时kch
8、=1.8,Ich=1.52 Idz 不管求不管求ich还是求还是求Ich,只须,只须求得求得Idz,而求,而求Idz的的关键是求由电关键是求由电源开始到短路点的总阻抗源开始到短路点的总阻抗Zd2021/9/2113第三节第三节 短路回路总阻抗求取短路回路总阻抗求取一、计算短路电流的基本假设一、计算短路电流的基本假设1、以电网的平均电压取代元件的额定电压、以电网的平均电压取代元件的额定电压同一电压级中各元件的额定电压可能不一样同一电压级中各元件的额定电压可能不一样线路首端,升压变压器二次侧高出线路首端,升压变压器二次侧高出10%线路末端,降压变压器一次侧线路末端,降压变压器一次侧=UB发电机高出
9、发电机高出5%简化计算简化计算同一电压级中各元件的额定电压相同,同一电压级中各元件的额定电压相同,数值上数值上=平均电压,平均电压,Upj=(1.1UB+UB)/2=1.05UB2、高压电网只计及电抗高压电网只计及电抗,当当R Rdd X Xdd/3/3时时,忽略忽略R Rdd二、各元件统一基准值电抗标幺值计算二、各元件统一基准值电抗标幺值计算在第二章中,将额定值下的标幺值归算到统一基准值下的标幺值在第二章中,将额定值下的标幺值归算到统一基准值下的标幺值在短路计算中,一般采用近似计算法,认为在短路计算中,一般采用近似计算法,认为额定电压额定电压U UN N=平均电压平均电压U Upjpj ,基
10、准电压,基准电压U Uj j=U=Upjpj1 1、同步发电机、同步发电机2 2、变压器、变压器2021/9/21153 3、线路、线路4 4、电抗器、电抗器注意:没让注意:没让U UN N=U=Uj j是是因为电抗器有时不按额定因为电抗器有时不按额定电压使用电压使用2021/9/2116三、具有变压器的多电压级网络标幺值等值电路的建立三、具有变压器的多电压级网络标幺值等值电路的建立(近似法近似法)1 1、发电机、发电机T1T2 x4x2x3x5T3 x6x1GU1U2U3U4x1*jx2*jx3*jx4*jx5*jx6*j采用平均电压后简化计算采用平均电压后简化计算,无需考虑变压器变比归算无
11、需考虑变压器变比归算取取U U4 4为基本级为基本级2021/9/21172 2、变压器、变压器3 3、输电线、输电线2021/9/2118四、短路回路总电抗标幺值四、短路回路总电抗标幺值X Xd d计算计算1 1、绘制计算电路图、绘制计算电路图用单相节线图表示用单相节线图表示计算电路图计算电路图标明各元件额定参数标明各元件额定参数各元件均按顺序编号各元件均按顺序编号1234566.3KV37KV0.4/km15km27.5MVAUk%=7.5215MVA6KV400AXR%=42021/9/21192 2、短路计算点和系统运行方式确定、短路计算点和系统运行方式确定短路点按短路点按选择电气设备
12、选择电气设备整定继电保护整定继电保护高、低压母线高、低压母线电气设备接线端处电气设备接线端处运行方式运行方式最大:选择电气设备最大:选择电气设备最小:校验继电保护最小:校验继电保护并列运行处理并列运行处理电源按最大容量处理电源按最大容量处理单列运行处理单列运行处理2021/9/21203 3、绘制等值电路图、绘制等值电路图对应每一个短路点作出一个等值电路图对应每一个短路点作出一个等值电路图任一短路点对应等值电路中,只要求表示该点短路时,短任一短路点对应等值电路中,只要求表示该点短路时,短 路电流通过的元件电抗路电流通过的元件电抗分子为顺序号,分母为该元件的电抗标幺值分子为顺序号,分母为该元件的
13、电抗标幺值2021/9/21214 4、等值电路图归并与简化、等值电路图归并与简化串联串联并联并联 Y Y2021/9/2122利用网络的对称性利用网络的对称性对称性对称性网络的结构相同网络的结构相同电源一样电源一样电抗参数相等电抗参数相等短路电流流向一致短路电流流向一致例:例:d d1 1,d d2 2发生短路时,计算短路回路的总电抗标幺值发生短路时,计算短路回路的总电抗标幺值2021/9/21232021/9/2124第四节第四节 无限大容量电源供电系统三相短路电流计算无限大容量电源供电系统三相短路电流计算一、基本概念一、基本概念1.1.那种故障短路电流最大那种故障短路电流最大中性点接地:
14、三相或单相中性点接地:三相或单相中性点不接地:三相中性点不接地:三相2.2.短路电流计算值短路电流计算值次暂态短路电流:周期分量起始次暂态短路电流:周期分量起始(t=0)(t=0)的有效值的有效值用途:保护整定计算及校验断路器的额定断流容量用途:保护整定计算及校验断路器的额定断流容量短路全电流的最大有效值短路全电流的最大有效值用途:校验电气设备的动稳定和断路器的额定断流量用途:校验电气设备的动稳定和断路器的额定断流量三相短路冲击电流三相短路冲击电流用途:校验电气设备的动稳定用途:校验电气设备的动稳定三相短路电流稳态有效值三相短路电流稳态有效值用途:校验电气设备和载流体的热稳定性用途:校验电气设
15、备和载流体的热稳定性I Idfdf经经0.2s0.2s衰减完毕衰减完毕,在无限大容量在无限大容量,二、有名制法二、有名制法适用于适用于:1KV1KV以下的低压系统和电压等级少、接线简单的高压系统以下的低压系统和电压等级少、接线简单的高压系统 短路点所在电压级作为基本级短路点所在电压级作为基本级 各元件的阻抗用变压器的近似变比归算到基本级,求出各元件的阻抗用变压器的近似变比归算到基本级,求出电源至短路点的总阻抗电源至短路点的总阻抗Z Z 计及电阻时计及电阻时不计电阻不计电阻 计算冲击电流、最大有效值、断路器的短路容量计算冲击电流、最大有效值、断路器的短路容量kch=1.8时,时,Ich=1.52
16、 Idzkch=1.8时,时,ich=2.55 Idz2021/9/2126三、标幺值法三、标幺值法适用于适用于:多电压等级、接线复杂的高压系统多电压等级、接线复杂的高压系统取基准值取基准值S Sj j,U Upjpj 计算短路电流周期分量标幺值计算短路电流周期分量标幺值 计算三相短路容量的标幺值计算三相短路容量的标幺值 计算有名值计算有名值2021/9/2127四、例题四、例题 如图所示电路发生三相短路,试分别用有名制法和标幺如图所示电路发生三相短路,试分别用有名制法和标幺制法计算制法计算I Idzdz、i ichch、I Ichch和和S Sd d(K Kchch=1.8=1.8)解:解:
17、有名制法:取有名制法:取10.5KV10.5KV电压级为基本级电压级为基本级3115KV1X=02S=100km0.4/km220MVAUk%=10.510.5KVd(3)d(3)Upj=10.5KV等值电路等值电路2021/9/2128标幺制法:取标幺制法:取S Sj j=100MVA,U=100MVA,Uj j=U=Upjpjd(3)U*=1等值电路等值电路回路总阻抗回路总阻抗周期分量有效值周期分量有效值冲击电流冲击电流全电流最大有效值全电流最大有效值短路容量短路容量2021/9/2129回路总阻抗标幺值回路总阻抗标幺值周期分量有效值周期分量有效值冲击电流冲击电流全电流最大有效值全电流最大
18、有效值短路容量短路容量标幺值标幺值有名值有名值2021/9/2130第二章 电力系统三相短路的实用计算 由于多电源复杂系统中,不能将所有电源均视为无限由于多电源复杂系统中,不能将所有电源均视为无限大功率电源,精确计算出三相短路电流比较困难,故工程大功率电源,精确计算出三相短路电流比较困难,故工程上采用一些简化计算。上采用一些简化计算。发电机参数用次暂态参数表示发电机参数用次暂态参数表示忽略较小的负荷忽略较小的负荷忽略线路对地电容和变压器的励磁支路忽略线路对地电容和变压器的励磁支路变压器的变比用平均电压之比变压器的变比用平均电压之比 短路电流的计算主要是求短路电流周期分量的起始值,短路电流的计算
19、主要是求短路电流周期分量的起始值,即次暂态电流即次暂态电流 计算方法主要有计算方法主要有等值法等值法叠加原理法叠加原理法运算曲线法运算曲线法转移阻抗法转移阻抗法高压电网忽略电阻的影响高压电网忽略电阻的影响第一节 交流电流初始值计算一、简单系统一、简单系统 计算计算等值法等值法1)1)计算故障前正常运行时的潮流分布。首先求得各发电机计算故障前正常运行时的潮流分布。首先求得各发电机(包括短路点附近得大型电动机)的端电压和定子电流,(包括短路点附近得大型电动机)的端电压和定子电流,然后计算它们的次暂态电动势。然后计算它们的次暂态电动势。进一部简化计算时可认为:进一部简化计算时可认为:2)2)以短路点
20、为中心,将网络化简为用等值电动势和等值电以短路点为中心,将网络化简为用等值电动势和等值电抗表示的等值电路,由此求出起始暂态电流。抗表示的等值电路,由此求出起始暂态电流。二、多电源系统系统二、多电源系统系统 计算计算叠加原理法叠加原理法GM(a)j0.2j0.1j0.2k(b)(b)j0.2j0.1j0.2k(c)(c)j0.2j0.1j0.2k(d)(d)图图(a)所示系统所示系统K 点发生短点发生短路时,短路点电压为零,可等路时,短路点电压为零,可等值为图值为图(b)。利用。利用叠加原理可叠加原理可将将图图(b)分解为:正常运行等分解为:正常运行等值电路值电路(c)故障分量等值电故障分量等值
21、电路路(d),分别求解可得最终结,分别求解可得最终结果。果。2021/9/21331)由正常运行等值电路由正常运行等值电路(c),求出,求出网络中各节点的正常网络中各节点的正常电压和各支路的正常电流,如:电压和各支路的正常电流,如:利用叠加原理的解题步骤:利用叠加原理的解题步骤:2)由故障分量等值电路由故障分量等值电路(d),求出,求出网络中各节点电压变网络中各节点电压变化量和各支路电流的变化量,如:化量和各支路电流的变化量,如:3)将正常和故障分量相叠加,可得故障后各节点电压和将正常和故障分量相叠加,可得故障后各节点电压和各支路电流,如:各支路电流,如:例题例题P72例例32习题习题1202
22、1/9/2134第二节 应用运算曲线求任意时刻短路点的短路电流一、运算曲线的制定一、运算曲线的制定 由于计算任意时刻的短路电流,涉及到不同时段的时间由于计算任意时刻的短路电流,涉及到不同时段的时间常数和电抗值及指数运算,因此工程上一般采用运算曲线来常数和电抗值及指数运算,因此工程上一般采用运算曲线来计算。计算。发电机计算电抗:发电机计算电抗:(注意:发电机额定值下的标么值)(注意:发电机额定值下的标么值)改变改变X XL L的值,得到不同的的值,得到不同的I I*(t),(t),对于不同的时刻对于不同的时刻t t,以,以计计算电抗算电抗X Xjsjs为横坐标,为横坐标,I I*为纵坐标,所得的
23、点连成运算曲线。为纵坐标,所得的点连成运算曲线。不同的发电机参数不同不同的发电机参数不同,运算曲线是不同的运算曲线是不同的(见附录见附录C,P247)C,P247)2021/9/2136二、应用运算曲线计算短路电流的方法二、应用运算曲线计算短路电流的方法1 1、计算步骤、计算步骤1)1)网络化简,得到各电源对短路点得转移阻抗网络化简,得到各电源对短路点得转移阻抗X Xifif。2)2)将各电源对短路点得转移阻抗将各电源对短路点得转移阻抗X Xifif归算到各发电机额归算到各发电机额定参数下得计算电抗定参数下得计算电抗X Xjsijsi。X Xjsijsi X XififSSNiNi/S/SB
24、B3)3)查曲线,得到以发电机额定功率为基准值得各电源查曲线,得到以发电机额定功率为基准值得各电源送至短路点电流得标么值送至短路点电流得标么值4)4)求得各电流得有名值之和,即为短路点得短路电流。求得各电流得有名值之和,即为短路点得短路电流。2021/9/21372 2、计算的简化、计算的简化把短路电流变化规律大体相同的发电机合并成等值机。把短路电流变化规律大体相同的发电机合并成等值机。一般将接在同一母线(非短路点)上的发电机合并。一般将接在同一母线(非短路点)上的发电机合并。例题例题P80例例342021/9/2138第三节 转移阻抗及其求法转移阻抗转移阻抗Z Zifif的定义:的定义:任一
25、复杂网络,经网络化简消去了除电任一复杂网络,经网络化简消去了除电源电势和短路点以外的所有中间节点,最后得到的各电源与源电势和短路点以外的所有中间节点,最后得到的各电源与短路点之间的直接联系阻抗为转移阻抗。短路点之间的直接联系阻抗为转移阻抗。转移阻抗转移阻抗Z Zifif的物理意义:的物理意义:除除E Ei i外,其余电动势均为零(短路外,其余电动势均为零(短路接地),则接地),则E Ei i与此时与此时f f点电流之比值即为电源点电流之比值即为电源i i与短路点与短路点f f之之间的转移阻抗。间的转移阻抗。1 1、网络化简法、网络化简法 消去了除电源电势和短路点以外的所有中间节点,最消去了除电
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- 电力系统 分析 基础 第七
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