第五章 電力系統(tǒng)故障分析及計(jì)算

1、 本章的主要內(nèi)容是簡(jiǎn)單介紹電力系統(tǒng)產(chǎn)生故障的原因、故障的種類、故障的分類、故障的危害、短路計(jì)算的目的。討論無(wú)限大功率電源供電的三相短路電流分析。討論無(wú)限大功率電源供電的三相短路電流分析。第五章第五章 電力系統(tǒng)故障分析與計(jì)算電力系統(tǒng)故障分析與計(jì)算第一節(jié) 故障概述 故障故障:一般指短路和斷線一般指短路和斷線,分為簡(jiǎn)單故障和復(fù)雜故障分為簡(jiǎn)單故障和復(fù)雜故障 簡(jiǎn)單故障簡(jiǎn)單故障:電力系統(tǒng)中的單一故障電力系統(tǒng)中的單一故障 復(fù)雜故障復(fù)雜故障:同時(shí)發(fā)生兩個(gè)或兩個(gè)以上故障同時(shí)發(fā)生兩個(gè)或兩個(gè)以上故障 短路短路:指一切不正常的相與相之間或相與地之間（對(duì)于中性指一切不正常的相與相之間或相與地之間（對(duì)于中性點(diǎn)接地的系統(tǒng)）

2、發(fā)生通路的情況。點(diǎn)接地的系統(tǒng)）發(fā)生通路的情況。 故障類型（電力系統(tǒng)故障分析中） 名稱 圖示 符號(hào) 三相短路三相短路 二相短路二相短路 f（3） f ：fault f（2） 單相短路接地單相短路接地 二相短路接地二相短路接地 一相斷線一相斷線 二相斷線二相斷線 f（1） f（1，1） 一、短路類型三相短路 最嚴(yán)重，但發(fā)生的幾率小，約5%兩相短路 發(fā)生的幾率約 10%單相接地短路 發(fā)生的幾率最高約65%兩相接地短路 發(fā)生的幾率約 20%第一種三相短路是對(duì)稱短路，后三種是不對(duì)稱短路 3K 2K 1K11K為了使電氣設(shè)備在最嚴(yán)重的短路狀態(tài)下也能可靠地工作，因此在作為選擇和校驗(yàn)電氣設(shè)備用的短路計(jì)算中，常

3、以三相短路計(jì)算為主。絕緣材料的絕緣材料的自然老化自然老化，設(shè)計(jì)、安裝及維護(hù)不良所帶來(lái)的，設(shè)計(jì)、安裝及維護(hù)不良所帶來(lái)的設(shè)設(shè)備缺陷備缺陷發(fā)展成短路。發(fā)展成短路。惡劣天氣：雷擊造成的惡劣天氣：雷擊造成的閃絡(luò)放電或避雷器閃絡(luò)放電或避雷器動(dòng)作，架空線路動(dòng)作，架空線路由于大風(fēng)或?qū)Ь€覆冰引起電桿倒塌等。由于大風(fēng)或?qū)Ь€覆冰引起電桿倒塌等。人為誤操作，如運(yùn)行人員帶負(fù)荷拉刀閘，線路或設(shè)備檢修人為誤操作，如運(yùn)行人員帶負(fù)荷拉刀閘，線路或設(shè)備檢修后未拆除地線就加上電壓引起短路。后未拆除地線就加上電壓引起短路。挖溝損傷電纜，鳥(niǎo)獸跨接在裸露的載流部分等。挖溝損傷電纜，鳥(niǎo)獸跨接在裸露的載流部分等。二、短路的主要原因二、短路的

4、主要原因電力系統(tǒng)的短路故障大多數(shù)發(fā)生在架空線路部分電力系統(tǒng)的短路故障大多數(shù)發(fā)生在架空線路部分(1)(1)電流電流劇增：設(shè)備發(fā)熱增加，若短路持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，可劇增：設(shè)備發(fā)熱增加，若短路持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，可能使設(shè)備過(guò)熱甚至損壞能使設(shè)備過(guò)熱甚至損壞; ;由于短路電流的由于短路電流的電動(dòng)力電動(dòng)力效應(yīng)，效應(yīng)，導(dǎo)體間還將產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力，致使導(dǎo)體變形甚至導(dǎo)體間還將產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力，致使導(dǎo)體變形甚至損壞。損壞。(2)(2)電壓電壓大幅度下降，對(duì)用戶影響很大。大幅度下降，對(duì)用戶影響很大。(3)(3)當(dāng)短路發(fā)生地點(diǎn)離電源不遠(yuǎn)而持續(xù)時(shí)間又較長(zhǎng)時(shí)，并當(dāng)短路發(fā)生地點(diǎn)離電源不遠(yuǎn)而持續(xù)時(shí)間又較長(zhǎng)時(shí)，并列運(yùn)行的列運(yùn)行的發(fā)電機(jī)

5、可能失去同步發(fā)電機(jī)可能失去同步，破壞系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定，破壞系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，造成大面積停電，這是短路最嚴(yán)重的后果。性，造成大面積停電，這是短路最嚴(yán)重的后果。(4)(4)發(fā)生不對(duì)稱短路時(shí)發(fā)生不對(duì)稱短路時(shí), ,三相不平衡電流三相不平衡電流會(huì)在相鄰的通訊會(huì)在相鄰的通訊線路感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)線路感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì), ,影響通訊影響通訊. .三、短路的危害三、短路的危害四、計(jì)算短路電流的目的短路電流計(jì)算結(jié)果短路電流計(jì)算結(jié)果是選擇電氣設(shè)備（斷路器、互感器、瓷瓶、母線、電纜等）是選擇電氣設(shè)備（斷路器、互感器、瓷瓶、母線、電纜等）的依據(jù)；的依據(jù)；是電力系統(tǒng)繼電保護(hù)設(shè)計(jì)和整定的基礎(chǔ)；是電力系統(tǒng)繼電保護(hù)設(shè)計(jì)和整定的基礎(chǔ)；是比較

6、和選擇發(fā)電廠和電力系統(tǒng)電氣主接線圖的依據(jù)，根是比較和選擇發(fā)電廠和電力系統(tǒng)電氣主接線圖的依據(jù)，根據(jù)它可以確定限制短路電流的措施。據(jù)它可以確定限制短路電流的措施。為了減少短路對(duì)電力系統(tǒng)的危害，可以采取為了減少短路對(duì)電力系統(tǒng)的危害，可以采取限制短路電流限制短路電流的措施：如加電抗器。的措施：如加電抗器。短路問(wèn)題是電力技術(shù)方面的基本問(wèn)題之一。短路問(wèn)題是電力技術(shù)方面的基本問(wèn)題之一。掌握短路發(fā)生以后的物理過(guò)程以及計(jì)算短路時(shí)各種運(yùn)行參量掌握短路發(fā)生以后的物理過(guò)程以及計(jì)算短路時(shí)各種運(yùn)行參量(電流、電壓等電流、電壓等)的計(jì)算方法是非常必要的。的計(jì)算方法是非常必要的。 在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，發(fā)生突然三相短路時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)

7、行狀態(tài)要發(fā)生變化，這個(gè)變化過(guò)程（即暫態(tài)過(guò)程）不僅和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有關(guān)，而且還和電源的情況有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，電力系統(tǒng)的電源主要是同步發(fā)電機(jī)，而同步發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)，在短路的的暫態(tài)過(guò)程中是隨時(shí)間而變化的，而且分析這些電動(dòng)勢(shì)的變化規(guī)律是一件相當(dāng)復(fù)雜的工作。不過(guò)，在某種情況下,電源的電動(dòng)勢(shì)在短路后暫態(tài)過(guò)程中可以近似認(rèn)為是不變的,如由無(wú)限大功率電源供電的電路就屬于這種情況。這里就從這種較簡(jiǎn)單的情況入手，來(lái)討論三相對(duì)稱短路。第二節(jié)無(wú)限大功率電源供電的三相短路分析第二節(jié)無(wú)限大功率電源供電的三相短路分析一、無(wú)窮大功率電源SS電源距短路點(diǎn)的電氣距離較遠(yuǎn)時(shí)，由短路而引起的電源送出功率的變化 遠(yuǎn)小于電源的容量 ，這時(shí)可設(shè) ，

8、則該電源為無(wú)限大容量電源。S電源的端電壓及頻率在短路后的暫態(tài)過(guò)程中保持不變概念重要特性特點(diǎn)：1SS(一般在S3%S)時(shí)， S=2 由于P P，f=c3 由于Q Q，U=c4 內(nèi)電抗Xs=0 (XsX / 3時(shí)才需計(jì)入電阻。但是在計(jì)算低壓電網(wǎng)短路特別是低壓配電線路上的短路時(shí)，則往往需要計(jì)及電阻。 采用標(biāo)幺制法進(jìn)行三相短路計(jì)算采用標(biāo)幺制法進(jìn)行三相短路計(jì)算 標(biāo)幺制法又稱相對(duì)單位制法，因短路計(jì)算中的有關(guān)物理量是采用標(biāo)幺值即相對(duì)單位而得名。按標(biāo)幺制法進(jìn)行短路計(jì)算時(shí)，一般是先選定基準(zhǔn)容量Sd 和Ud 基準(zhǔn)電壓。 基準(zhǔn)容量，工程設(shè)計(jì)中通常取Sd =100 MVA。 基準(zhǔn)電壓，通常取元件所在處的短路計(jì)算電壓，

9、即取Ud =Uc。 選定了基準(zhǔn)容量Sd電壓和基準(zhǔn)電壓Ud以后，基準(zhǔn)電流按下式計(jì)算：33ddddcSSIUU 基準(zhǔn)電抗 則按下式計(jì)算：23dcdddUUXSI22%100100kcckdTTdNdNUUUUSXXXSSS各主要元件的電抗標(biāo)幺值的計(jì)算（取Sd=100 MVA，Ud =Uc）：電力變壓器的電抗標(biāo)幺值電力線路的電抗標(biāo)幺值2002WLcdWLddcXUSXX lX lXSU由于標(biāo)幺制法一般只用于高壓系統(tǒng)的短路計(jì)算，而高壓系統(tǒng)中 ，因此通常只計(jì)算電抗標(biāo)幺值。 求出短路電路中各主要元件的電抗標(biāo)幺值以后，即可利用其等效電路圖進(jìn)行電路化簡(jiǎn)，計(jì)算其總電抗標(biāo)幺值 。由于各元件電抗均采用標(biāo)幺值，與短路

10、計(jì)算點(diǎn)的電壓無(wú)關(guān)，因此無(wú)須進(jìn)行電壓換算，這也是標(biāo)幺制法較之歐姆法優(yōu)越之處。也由于標(biāo)幺值具有相對(duì)值的特性，與短路計(jì)算點(diǎn)電壓無(wú)關(guān)，因此工程上通用的短路計(jì)算圖表往往都按標(biāo)幺值編制。 無(wú)限大容量系統(tǒng)三相短路電流周期分量有效值的標(biāo)幺值按下式計(jì)算：XR(3)2(3)133kcdckddcIUSUIIS XXXU由此可求得三相短路電流周期分量有效值為(3)(3)dkkdIIIIX三相短路容量的計(jì)算公式為(3)(3)33ddkc kcISSU IUXX式中Z、R、X分別為短路電路的總阻抗模、總電阻和總電抗值；Uc為短路點(diǎn)的短路計(jì)算電壓（有的稱為平均額定電壓），取為線路首端電壓，即取為比線路額定電壓高5%（這是

11、按最嚴(yán)重短路情況考慮的）。按我國(guó)電壓標(biāo)準(zhǔn)，Uc有0.4kV、 0.69kV、 3.15kV、 6.3kV、 10.5kV、 37kV、 69kV、 115kV、 230kV等。（5）計(jì)算出短路沖擊電流和短路最大有效值電流,按要求計(jì)算出其他量。 用標(biāo)幺值計(jì)算無(wú)窮大功率電源供電的短路電流的步驟用標(biāo)幺值計(jì)算無(wú)窮大功率電源供電的短路電流的步驟: :（1）取功率基準(zhǔn)值，并取各級(jí)電壓基準(zhǔn)值等于該級(jí)的平均額定電壓；（2）計(jì)算各元件的電抗標(biāo)么值，并繪制出等值電路；（3）網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)，求出從電源至短路點(diǎn)之間的總電抗標(biāo)么值；（4）計(jì)算出短路電流周期分量有效值標(biāo)幺值，再還原成有 名值；下圖所示的系統(tǒng)中，電抗器末端k點(diǎn)處

12、發(fā)生三相短路，試求此時(shí)故障點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)短路電流、短路沖擊電流 及短路容量 的有名值。（ ， ， ）。 shikSMVASB100 avBUU 8 . 1 shk解：1）求各元件的電抗標(biāo)幺值，繪制等值阻抗圖： T1變壓器：333. 05 .311001005 .10100%1*1 NTBkSSuX5km線路： 814. 15 .1010054 . 0222av11*2 USlxXB電抗器： 3*22av2%7101001.22210010010.5330.3LNLBLNUXSXUI等值阻抗圖： 2）計(jì)算電源至短路點(diǎn)總的阻抗： *1*2*3*0.333 1.814 1.222.369XXXX33）計(jì)算

13、穩(wěn)態(tài)短路電流的有名值： *10011000.2975.51.633k310.5310.5IIAX4）短路沖擊電流 有名值： shi22.552.55 1.6334.164shshik IIkA5）短路容量有名值： *11000.297 10029.73.369kkBBSSSISMVA（1 1）電勢(shì)都同相位：電勢(shì)都同相位：短路過(guò)程中各發(fā)電機(jī)之間不發(fā)生搖短路過(guò)程中各發(fā)電機(jī)之間不發(fā)生搖擺，并認(rèn)為所有發(fā)電機(jī)的電勢(shì)都同相位。擺，并認(rèn)為所有發(fā)電機(jī)的電勢(shì)都同相位。（2 2）負(fù)荷近似估計(jì)負(fù)荷近似估計(jì)：或當(dāng)作：或當(dāng)作恒定電抗恒定電抗，或當(dāng)作某種臨時(shí)，或當(dāng)作某種臨時(shí)附加電源附加電源，視具體情況而定。，視具體情況而

14、定。（3 3）不計(jì)磁路飽和不計(jì)磁路飽和：系統(tǒng)各元件的參數(shù)都是恒定的，可：系統(tǒng)各元件的參數(shù)都是恒定的，可以應(yīng)用疊加原理。以應(yīng)用疊加原理。第三節(jié) 電力系統(tǒng)三相短路的實(shí)用計(jì)算 一、三相短路實(shí)用計(jì)算的基本假設(shè)一、三相短路實(shí)用計(jì)算的基本假設(shè) （4 4）對(duì)稱三相系統(tǒng)對(duì)稱三相系統(tǒng)：除不對(duì)稱故障處出現(xiàn)局部的不對(duì)稱以：除不對(duì)稱故障處出現(xiàn)局部的不對(duì)稱以外，實(shí)際的電力系統(tǒng)通常都當(dāng)做是對(duì)稱的。外，實(shí)際的電力系統(tǒng)通常都當(dāng)做是對(duì)稱的。（5 5）純電抗表示純電抗表示:忽略高壓輸電線的電阻和電容，忽略變壓忽略高壓輸電線的電阻和電容，忽略變壓器的電阻和勵(lì)磁電流（三相三柱式變壓器的零序等值電路除器的電阻和勵(lì)磁電流（三相三柱式變壓

15、器的零序等值電路除外），加上所有發(fā)電機(jī)電勢(shì)都同相位的條件，這就避免了復(fù)外），加上所有發(fā)電機(jī)電勢(shì)都同相位的條件，這就避免了復(fù)數(shù)運(yùn)算。數(shù)運(yùn)算。（6 6）金屬性短路金屬性短路: :短路處相與相（或地）的接觸往往經(jīng)過(guò)一短路處相與相（或地）的接觸往往經(jīng)過(guò)一定的電阻（如外物電阻、電弧電阻、接觸電阻等），這種電定的電阻（如外物電阻、電弧電阻、接觸電阻等），這種電阻通常稱為阻通常稱為“過(guò)渡電阻過(guò)渡電阻”。所謂金屬性短路，就是不計(jì)過(guò)渡。所謂金屬性短路，就是不計(jì)過(guò)渡電阻的影響，即認(rèn)為過(guò)渡電阻等于零的短路情況。電阻的影響，即認(rèn)為過(guò)渡電阻等于零的短路情況。二、起始次暫態(tài)電流 的計(jì)算I 1.計(jì)算起始次暫態(tài)電流 ，用于校驗(yàn)斷路 器的斷開(kāi)容量和繼電保護(hù)整定計(jì)算中I 2.運(yùn)算曲線法，用于電氣設(shè)備穩(wěn)定校驗(yàn)三相短路實(shí)用計(jì)算I 含義：在電力系統(tǒng)三相短路后第一個(gè)周期內(nèi)