电力系统分析第五章11.ppt
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1、第5章 电力系统三相短路的暂态过程5.1 短路的一般概念5.2 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过程5.4 无阻尼同步电机三相短路电流计算5.5 有阻尼同步电机的突然三相短路5.6 强行励磁对短路暂态过程的影响2021/9/212021/9/211 1内容提要n提出短路的基本概念、短路造成的危害以及短路计算的目的;n假设发电机容量为无限大、电压及频率为恒定的条件下,基于磁链守恒原则对电力系统三相短路的暂态过程、短路电流及功率进行分析;n发电机突然发生三相短路的暂态过程;5.1 短路的一般概念 一、短路的原因、类型及后果 故障故障:一般指短路和断线一般指短路和断线,分为
2、简单故障和复杂故障分为简单故障和复杂故障n简单故障简单故障:电力系统中的单一故障电力系统中的单一故障n复杂故障复杂故障:同时发生两个或两个以上故障同时发生两个或两个以上故障n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。n短短路路一一切切不不正正常常的的相相与与相相之之间间或或相相与与地地(对对于于中中性性点接地的系统点接地的系统)发生通路的情况。发生通路的情况。绝缘材料的绝缘材料的自然老化自然老化,设计、安装及维护不良所带来的,设计、安装及维护不良所带来的设备设备缺陷缺陷发展成短路。发展成短路。恶劣天气:雷击造成的恶劣天气:雷击造成的闪络放电或避雷器闪络放
3、电或避雷器动作,架空线路由动作,架空线路由于大风或导线覆冰引起电杆倒塌等。于大风或导线覆冰引起电杆倒塌等。人为误操作,如运行人员带负荷拉刀闸,线路或设备检修后人为误操作,如运行人员带负荷拉刀闸,线路或设备检修后未拆除地线就加上电压引起短路。未拆除地线就加上电压引起短路。挖沟损伤电缆,鸟兽跨接在裸露的载流部分等。挖沟损伤电缆,鸟兽跨接在裸露的载流部分等。二、短路的主要原因二、短路的主要原因2005年华北联网系统进行的年华北联网系统进行的人工三相人工三相完全金完全金属性接地短路试验属性接地短路试验 电杆拉线被盗电杆拉线被盗 倒杆线路短路倒杆线路短路 短路种类示意图代表符号三相短路f(3)5两相短路
4、接地f(1,1)20两相短路f(2)10单相短路f(1)652.短路故障种类 n三相短路三相短路对称短路;其他类型的短路对称短路;其他类型的短路不对称短路不对称短路n在在各各种种类类型型的的短短路路中中,单单相相短短路路占占大大多多数数(65%65%),两两相相短短路较少,三相短路的机会最少路较少,三相短路的机会最少3.短路的危险后果出现大电流。n电源供电回路阻抗短路回路电流值n短路点的电弧有可能烧毁电气设备;n短路电流通过电气设备中的导体时,热效应引起导体或其绝缘的损坏;n导体受到很大的电动力冲击,致使导体变形,甚至损坏。图图 短路引发变压器着火短路引发变压器着火系统电压大幅度下降。n电网电
5、压的降低使由各母线供电的用电设备不能正常工作。n异步电动机,TemU2n,甚至停转。图图 正常运行和短路故障时各点的电压正常运行和短路故障时各点的电压靠近短路点处的电压下降最多,靠近短路点处的电压下降最多,可能使部分用户供电受到破坏。可能使部分用户供电受到破坏。1 1:正常运行。:正常运行。2 2:f f1 1点短路。点短路。3 3:f f2 2点短路。点短路。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。nf1或f2点短路,发电机输出的有功功率都要下降。发电机的输入功率是由原动机的进汽量或进水量决定的,不可能立即相应变化。n发电机的输入和输出功率不平衡,发电机的转速将变化,这就有
6、可能引起并列远行的发电机失去同步,破坏系统的稳定,引起大片地区停电。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。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;切除切除二、短路计算的目的二、短路计算的目的 短路计算是短路计算是解决一系列技术问题解决一系列技术问题所不可缺少的基本计算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,必须以短选择有足够机械稳定度和热稳定度
7、的电气设备,必须以短路电流为依据;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;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;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;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。进
8、行短路计算。恒定电势源恒定电势源(又称(又称无限大功率电源无限大功率电源),是指端电压幅值和),是指端电压幅值和频率都保持恒定的电源,其内阻抗为零。频率都保持恒定的电源,其内阻抗为零。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。是微不足道的。可以看作由有限多个功率电源并联而成,因而内阻为可以看作由有限多个功率电源并联而成,因而内阻为0 0,电源电压保,电源电压保持恒定。持恒定。真正的无限大功率电源是没有的,而只能是一个相对的概念,往往是真正的无限大功率电源是没有的,而只能是一个相对的概念,往往是以供电电源
9、的内阻抗与短路回路总阻抗的相对大小来判断电源能否作为以供电电源的内阻抗与短路回路总阻抗的相对大小来判断电源能否作为元限大功率电源。元限大功率电源。若供电电源的内阻抗小于短路回路总阻抗的若供电电源的内阻抗小于短路回路总阻抗的10%10%时,则可认为供电电时,则可认为供电电源为克限大功率电源。在这种情况下,外电路发生短路对电源影响很小,源为克限大功率电源。在这种情况下,外电路发生短路对电源影响很小,近似地认为电源电压幅值和频率保持恒定。近似地认为电源电压幅值和频率保持恒定。第二节恒定电势源电路的三相短路一、三相短路的暂态过程一、三相短路的暂态过程第二节恒定电势源电路的三相短路图图5-1 5-1 简
10、单三相电路短路简单三相电路短路短路前短路前电路处于电路处于稳态稳态:a a a a相的微分方程式如下:相的微分方程式如下:相的微分方程式如下:相的微分方程式如下:其解就是短路的全电流,它由两部分组成:其解就是短路的全电流,它由两部分组成:周期分量周期分量和和非周期分量非周期分量。假定假定假定假定t t t t0 0 0 0时刻发生短路时刻发生短路时刻发生短路时刻发生短路2021/9/2116短路电流的强制分量短路电流的强制分量,并记为并记为 周期分量:周期分量:非周期电流非周期电流 :短路电流的自由分量短路电流的自由分量,记为记为 特征方程特征方程 的根。的根。非周期分量电流衰减的时间常数非周
11、期分量电流衰减的时间常数 (C C C C为由初始条件决定的积分常数)为由初始条件决定的积分常数)为由初始条件决定的积分常数)为由初始条件决定的积分常数)短路的全电流可表示为短路的全电流可表示为:t=0t=0时时时时,短路电短路电短路电短路电流不突变流不突变流不突变流不突变短路前电流短路前电流短路前电流短路前电流积分常数的求解积分常数的求解积分常数的求解积分常数的求解i im0m0i ip0p0短路电流关系的相量图表示短路电流关系的相量图表示短路电流关系的相量图表示短路电流关系的相量图表示在时间轴上的在时间轴上的在时间轴上的在时间轴上的投影代表各量投影代表各量投影代表各量投影代表各量的瞬时值的
12、瞬时值的瞬时值的瞬时值指短路电流最大可能的瞬时值,用指短路电流最大可能的瞬时值,用 表示。表示。其主要作用是校验电气设备的电动力稳定度。其主要作用是校验电气设备的电动力稳定度。(1)(1)相量差相量差 有最大可能值;有最大可能值;(2)(2)相量差相量差 在在t t0 0时与时间轴平行。时与时间轴平行。一般电力系统中,短路回路的感抗比电阻大得多,一般电力系统中,短路回路的感抗比电阻大得多,即即 ,故可近似认为,故可近似认为 。因此,非周期电。因此,非周期电流有最大值的条件为:短路前电路空载(流有最大值的条件为:短路前电路空载(I Im m=0),=0),并并且短路发生时,电源电势过零(且短路发
13、生时,电源电势过零(0 0)。)。二、短路冲击电流二、短路冲击电流二、短路冲击电流二、短路冲击电流非周期电流有最大初值的条件应为:非周期电流有最大初值的条件应为:2021/9/2121图图5-3 5-3 短路电流非周期分量有最大可能值的条件图短路电流非周期分量有最大可能值的条件图 非周期电流有最非周期电流有最大值的条件为大值的条件为(1)短路前电路短路前电路空载(空载(Im=0);(2)短路发生时,)短路发生时,电源电势过零(电源电势过零(0)。)。图图5-4 5-4 非周期分量有最大可能值时的短路电流波形图非周期分量有最大可能值时的短路电流波形图将将 ,和和 0 0代入式短路全电流表达式:代
14、入式短路全电流表达式:短路电流的最大瞬时值在短路发生后约半个周期时出现短路电流的最大瞬时值在短路发生后约半个周期时出现(如图(如图5-45-4)。若。若 Hz Hz,这个时间约为,这个时间约为0.010.01秒,将其代秒,将其代入式上式,可得短路冲击电流入式上式,可得短路冲击电流 :k k k kimimimim为冲击系数为冲击系数为冲击系数为冲击系数,实用计算时,短路发生在实用计算时,短路发生在实用计算时,短路发生在实用计算时,短路发生在发电机发电机发电机发电机电压母线电压母线电压母线电压母线时时时时k k k kimimimim1.91.91.91.9;短路发生在;短路发生在;短路发生在;
15、短路发生在发电厂高压母发电厂高压母发电厂高压母发电厂高压母线线线线时时时时k k k kimimimim1.851.851.851.85;在;在;在;在其它地点其它地点其它地点其它地点短路短路短路短路k k k kimimimim1.81.81.81.8。P113三、短路电流的有效值三、短路电流的有效值在短路过程中,任意时刻在短路过程中,任意时刻t t的的短路电流有效值短路电流有效值,是指以时刻是指以时刻t t为中心的一个周期内瞬时电流的均方为中心的一个周期内瞬时电流的均方根值,即根值,即 为为了了简简化化计计算算,通通常常假假定定:非非周周期期电电流流在在以以时时间间t t为为中中心心的的一
16、一个个周周期期内内恒恒定定不不变变,因因而而它它在在时时间间t t的的有有效效值就等于它的瞬时值,即值就等于它的瞬时值,即对于对于周期电流周期电流,认为它在所计算的周期内是,认为它在所计算的周期内是幅值幅值恒恒定的,其数值即等于由周期电流包络线所确定的定的,其数值即等于由周期电流包络线所确定的t t时时刻的刻的幅值幅值。因此,。因此,t t时刻的周期电流有效值应为时刻的周期电流有效值应为图图5-5 5-5 短路电流有效值的确定短路电流有效值的确定 根据上述假定条件,公式根据上述假定条件,公式(5-9)(5-9)就可以简化为就可以简化为 :短路电流的最大有效值:短路电流的最大有效值:短路电流的最
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- 电力系统 分析 第五 11
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