第一章+電力系統(tǒng)故障分析的基本知識(shí)

1、電力系統(tǒng)暫態(tài)分析電力系統(tǒng)暫態(tài)分析 Transient Analysis：暫態(tài)分析，瞬變、過(guò)：暫態(tài)分析，瞬變、過(guò)渡、暫時(shí)渡、暫時(shí) 物理特點(diǎn)：由一個(gè)狀態(tài)（初始狀態(tài)）變化物理特點(diǎn)：由一個(gè)狀態(tài)（初始狀態(tài)）變化到另一狀態(tài)（終止?fàn)顟B(tài)）的過(guò)程分析，到另一狀態(tài)（終止?fàn)顟B(tài)）的過(guò)程分析， 數(shù)學(xué)特點(diǎn)：用微分方程描述的過(guò)程分析。數(shù)學(xué)特點(diǎn)：用微分方程描述的過(guò)程分析。 應(yīng)用：電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、規(guī)劃、控制等；應(yīng)用：電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、規(guī)劃、控制等；緒論緒論(Introduction)第一章第一章 電力系統(tǒng)故障分析的基本知識(shí)電力系統(tǒng)故障分析的基本知識(shí) 本章的主要內(nèi)容是簡(jiǎn)單介紹電力系統(tǒng)產(chǎn)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

2、障的種類(lèi)、故障的分生故障的原因、故障的種類(lèi)、故障的分類(lèi)、故障的危害、短路計(jì)算的目的。類(lèi)、故障的危害、短路計(jì)算的目的。介紹標(biāo)幺制在故障分析中的應(yīng)用。介紹標(biāo)幺制在故障分析中的應(yīng)用。最后仔細(xì)討論無(wú)限大功率電源供電的三相最后仔細(xì)討論無(wú)限大功率電源供電的三相短路電流分析。短路電流分析。目錄目錄 第一節(jié)第一節(jié) 故障概述故障概述 第二節(jié)第二節(jié) 標(biāo)么制標(biāo)么制 第三節(jié)第三節(jié) 無(wú)限大功率電源供電的三相短路無(wú)限大功率電源供電的三相短路電流分析電流分析第一節(jié)第一節(jié) 概述概述故障，事故，短路故障：正常運(yùn)行情況以外的相故障，事故，短路故障：正常運(yùn)行情況以外的相與相之間或相與地之間的連接。與相之間或相與地之間的連接。1故障

3、類(lèi)型（電力系統(tǒng)故障分析中）故障類(lèi)型（電力系統(tǒng)故障分析中） 名稱名稱 圖示圖示 符號(hào)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） 產(chǎn)生短路的主要原因是電氣設(shè)備載流部分的相產(chǎn)生短路的主要原因是電氣設(shè)備載流部分的相間絕緣或相對(duì)地絕緣被損壞。間絕緣或相對(duì)地絕緣被損壞。如：例如架空輸電線的絕緣子，電氣設(shè)備載流部如：例如架空輸電線的絕緣子，電氣設(shè)備載流部分的絕緣材料在運(yùn)行中損壞，運(yùn)行人員在線路分的絕緣材料在運(yùn)行中損壞，運(yùn)行人員在線路檢修后末拆除地線就加電壓等誤操

4、作也會(huì)引起檢修后末拆除地線就加電壓等誤操作也會(huì)引起短路故障短路故障電力系統(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 短路對(duì)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行和電氣設(shè)備有很大短路對(duì)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行和電氣設(shè)備有很大的危害：的危害： 1、短路電流值大大增加，短路點(diǎn)的電弧有可、短路電流值大大增加，短路點(diǎn)的電弧有可能燒壞電氣設(shè)備，短路電流通過(guò)電氣設(shè)備中的能燒壞電氣設(shè)備，短路電流通過(guò)電氣設(shè)備中的導(dǎo)體時(shí)，其熱效應(yīng)會(huì)引起導(dǎo)體或其絕緣的損壞。導(dǎo)體時(shí)，其熱效應(yīng)會(huì)引起導(dǎo)體或其絕緣的損壞。 2、導(dǎo)體也會(huì)受到很大的電動(dòng)力的沖擊，致使、導(dǎo)體也會(huì)受到很大的電動(dòng)力的沖擊，致使導(dǎo)體變形，甚至損壞。導(dǎo)體變形

5、，甚至損壞。 3、短路還會(huì)引起電網(wǎng)中電壓降低，特別是靠、短路還會(huì)引起電網(wǎng)中電壓降低，特別是靠近短路點(diǎn)處的電壓下降得最多，結(jié)果可能使部近短路點(diǎn)處的電壓下降得最多，結(jié)果可能使部分用戶的供電受到破壞。分用戶的供電受到破壞。4、破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定，引起大片地區(qū)停電、破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定，引起大片地區(qū)停電5、不對(duì)稱接地短路所引起的不平衡電流產(chǎn)生不、不對(duì)稱接地短路所引起的不平衡電流產(chǎn)生不平衡磁通平衡磁通為了減少短路對(duì)電力系統(tǒng)的危害，可以采取限制為了減少短路對(duì)電力系統(tǒng)的危害，可以采取限制短路電流的措施：如加電抗器。短路電流的措施：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

6、。掌掌握短路發(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)算方法是非常的計(jì)算方法是非常必要的必要的 分類(lèi)：分類(lèi)： 形式上又可稱為短路故障、斷線故障（非全相運(yùn)形式上又可稱為短路故障、斷線故障（非全相運(yùn)行）行） （橫向與縱向）（橫向與縱向）分析方法上：不對(duì)稱故障、對(duì)稱故障（分析方法上：不對(duì)稱故障、對(duì)稱故障（f（3） 計(jì)算方法上：并聯(lián)型故障、串聯(lián)性故障計(jì)算方法上：并聯(lián)型故障、串聯(lián)性故障 簡(jiǎn)單故障：在電力系統(tǒng)中只發(fā)生一個(gè)故障。簡(jiǎn)單故障：在電力系統(tǒng)中只發(fā)生一個(gè)故障。 復(fù)雜故障：在電力系統(tǒng)中的不同地點(diǎn)復(fù)雜故障：在電力系統(tǒng)中的不

7、同地點(diǎn)（兩處以上）同時(shí)發(fā)生不對(duì)稱故障。（兩處以上）同時(shí)發(fā)生不對(duì)稱故障。第二節(jié)第二節(jié) 標(biāo)幺制標(biāo)幺制一一 、 標(biāo)幺值標(biāo)幺值(P.U.)標(biāo)幺值標(biāo)幺值=有名值有名值基準(zhǔn)值基準(zhǔn)值二二 、 基準(zhǔn)值的選取基準(zhǔn)值的選取基準(zhǔn)值的選取有一定的隨意性，工程中一般選擇慣基準(zhǔn)值的選取有一定的隨意性，工程中一般選擇慣用值（用值（SB=100MVA、SB=1000MVA、UB=UN） 三相電路中基準(zhǔn)值的基本關(guān)系三相電路中基準(zhǔn)值的基本關(guān)系: 穩(wěn)態(tài)分析：穩(wěn)態(tài)分析： , 其中：其中：SB：三相功率三相功率 UB：線電壓線電壓 IB：星形等值電路中的相電流星形等值電路中的相電流 ZB：?jiǎn)蜗嘧杩梗簡(jiǎn)蜗嘧杩?短路分析中：短路分析中：Z

8、B：?jiǎn)蜗嘧杩梗簡(jiǎn)蜗嘧杩?故障分析中的等值故障分析中的等值電路計(jì)算與穩(wěn)態(tài)分析相同電路計(jì)算與穩(wěn)態(tài)分析相同 IB：星形等值電路中的相電流星形等值電路中的相電流 UB：相電壓？相電壓？3BBBSUI3BB BUI Z三、基準(zhǔn)值改變時(shí)標(biāo)幺值的換算三、基準(zhǔn)值改變時(shí)標(biāo)幺值的換算 進(jìn)行電力系統(tǒng)計(jì)算時(shí)，必須取統(tǒng)一的基準(zhǔn)值。進(jìn)行電力系統(tǒng)計(jì)算時(shí)，必須取統(tǒng)一的基準(zhǔn)值。 若已知以設(shè)備本身額定值為基準(zhǔn)值的標(biāo)幺值若已知以設(shè)備本身額定值為基準(zhǔn)值的標(biāo)幺值X*(N)，求以系統(tǒng)基準(zhǔn)值，求以系統(tǒng)基準(zhǔn)值SB、UB為基準(zhǔn)時(shí)的標(biāo)幺為基準(zhǔn)時(shí)的標(biāo)幺值值X*(B). 例如：已知例如：已知US%，STN，求在系統(tǒng)基準(zhǔn)容量，求在系統(tǒng)基準(zhǔn)容量SB時(shí)時(shí)

9、的標(biāo)幺值電抗？的標(biāo)幺值電抗？ *()%100sNUx2*()2%1 0 0sT NBBT NBUUSxSU2*()*()2 NBBNBNUSxxUS額定容量額定容量SN小，則電抗小，則電抗x*（B）大，大，小機(jī)組、小變壓器的電抗大；小機(jī)組、小變壓器的電抗大； 簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)計(jì)算中，選取簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)計(jì)算中，選取SB=STN（SN），可減少參數(shù)的計(jì)算量。），可減少參數(shù)的計(jì)算量。四、變壓器聯(lián)系的不同電壓等級(jí)電網(wǎng)中各四、變壓器聯(lián)系的不同電壓等級(jí)電網(wǎng)中各元件參數(shù)標(biāo)么值的計(jì)算元件參數(shù)標(biāo)么值的計(jì)算 用標(biāo)么值計(jì)算時(shí)，也就是在各元件參數(shù)用標(biāo)么值計(jì)算時(shí)，也就是在各元件參數(shù)的有名值歸算到同一個(gè)電壓等級(jí)后，在的有名值歸算到同一

10、個(gè)電壓等級(jí)后，在此基礎(chǔ)上選定統(tǒng)一的基準(zhǔn)值求各元件參此基礎(chǔ)上選定統(tǒng)一的基準(zhǔn)值求各元件參數(shù)的標(biāo)么值的。數(shù)的標(biāo)么值的。 下面分別介紹準(zhǔn)確計(jì)算下面分別介紹準(zhǔn)確計(jì)算法和一種近似計(jì)算法。短路電流計(jì)算一法和一種近似計(jì)算法。短路電流計(jì)算一般采用近似計(jì)算法。般采用近似計(jì)算法。(一一)準(zhǔn)確計(jì)算法準(zhǔn)確計(jì)算法10.5/121110/6.6w假設(shè)在圖中己選定第假設(shè)在圖中己選定第1段作為基本段，其它各段的段作為基本段，其它各段的參數(shù)均向這一段歸算，然后選擇功率基準(zhǔn)值相電壓參數(shù)均向這一段歸算，然后選擇功率基準(zhǔn)值相電壓基淮值分別為基淮值分別為SB和和UB1。其他各段的基準(zhǔn)電壓分別。其他各段的基準(zhǔn)電壓分別為：為：UB2=UB1

11、*121/10.5； UB3=UB2*6.6/110 w作等值電路作等值電路：jxG jxT1 jxL jxT2 jxR 2*( )*()2GNBG BG NGnBUSxxSU取基準(zhǔn)電壓取基準(zhǔn)電壓=額定電壓，可簡(jiǎn)化計(jì)算額定電壓，可簡(jiǎn)化計(jì)算 221*2212%10.5121100100ssBBTTNBTNBUUSSxSUSU變壓器電抗可由任一側(cè)計(jì)算變壓器電抗可由任一側(cè)計(jì)算 2*221210.5121BBLllBBSSxx lx lUU 線路電抗就地處理更方便線路電抗就地處理更方便 即，準(zhǔn)確計(jì)算法有即，準(zhǔn)確計(jì)算法有3種，種， 阻抗歸算法；阻抗歸算法； （阻抗按變壓器實(shí)際變比歸（阻抗按變壓器實(shí)際變比

12、歸算，簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)較方便）算，簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)較方便） 就地處理法；就地處理法； （基準(zhǔn)電壓按變壓器實(shí)際變（基準(zhǔn)電壓按變壓器實(shí)際變比歸算，大網(wǎng)絡(luò)計(jì)算較方便）比歸算，大網(wǎng)絡(luò)計(jì)算較方便） 在就地處理中，取定各段的基準(zhǔn)電壓（不一在就地處理中，取定各段的基準(zhǔn)電壓（不一定按變壓器實(shí)際變比作基準(zhǔn)電壓歸算），則可定按變壓器實(shí)際變比作基準(zhǔn)電壓歸算），則可出現(xiàn)出現(xiàn)1：k*的理想變壓器，然后再將的理想變壓器，然后再將1：k*變壓變壓器用器用形等值電路表示。形等值電路表示。（二）（二） 近似計(jì)算法近似計(jì)算法平均額定電壓平均額定電壓Uav=1.05UN, 若取若取SB=100MVA，UB=Ua 5502301153710.56.

13、3Uav50022011035106UN成為工程中慣用的基準(zhǔn)值。成為工程中慣用的基準(zhǔn)值。假定變壓器的變比均為平均額定電壓的變比，且取各段假定變壓器的變比均為平均額定電壓的變比，且取各段基準(zhǔn)電壓均為相應(yīng)段的平均額定電壓，此時(shí)的參數(shù)計(jì)算基準(zhǔn)電壓均為相應(yīng)段的平均額定電壓，此時(shí)的參數(shù)計(jì)算稱為近似計(jì)算法，即有以下簡(jiǎn)單計(jì)算：稱為近似計(jì)算法，即有以下簡(jiǎn)單計(jì)算：*()*()BGBGNGnSxxS1*%100BTTNSUsxS容量大，電抗小容量大，電抗小 習(xí)題習(xí)題1：一簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)接線如下圖所示，?。阂缓?jiǎn)單電力系統(tǒng)接線如下圖所示，取SB=220MVA，UB（110）=115kV，試用精確法，試用精確法和近似法分

14、別計(jì)算其等值電路。和近似法分別計(jì)算其等值電路。GT1lT2240MW 300MVA 230km 280MVA10.5kV 10.5/242kV x=0.42/km 220/121kV cos=0.80 Us%=14 Us%=140.30dx 5f、t的基準(zhǔn)值的基準(zhǔn)值fB=fN=50Hz (f*=1)B=2fB=100112BBNtf特點(diǎn)：當(dāng)特點(diǎn)：當(dāng)f=fN=50Hz時(shí)，可有時(shí)，可有x*=L*=I*x*E*=*sint=sint*第三節(jié)第三節(jié) 無(wú)限大功率電源供電的三相短路分析無(wú)限大功率電源供電的三相短路分析 本節(jié)將分析圖所示的簡(jiǎn)單三相電路中發(fā)生突然對(duì)稱本節(jié)將分析圖所示的簡(jiǎn)單三相電路中發(fā)生突然對(duì)稱

15、短路的暫態(tài)過(guò)程。短路的暫態(tài)過(guò)程。R LR LiaR LR LibR LR Lic 在此電路中假設(shè)電源電壓幅值和頻率均為恒定。這種在此電路中假設(shè)電源電壓幅值和頻率均為恒定。這種電源稱為無(wú)限大功率電源。這個(gè)名稱從概念上是不難電源稱為無(wú)限大功率電源。這個(gè)名稱從概念上是不難理解的：理解的：（1）電源功華為無(wú)限大時(shí)，外電路發(fā)生短路）電源功華為無(wú)限大時(shí)，外電路發(fā)生短路(種擾動(dòng)種擾動(dòng))引起的功率改變對(duì)于電源來(lái)說(shuō)是微不足道的，因而電引起的功率改變對(duì)于電源來(lái)說(shuō)是微不足道的，因而電源的電壓和頻率源的電壓和頻率(對(duì)應(yīng)于同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)于同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速)保持恒定；保持恒定；（2)無(wú)限大功率電源可以看作是由無(wú)限多個(gè)有

16、限功率電無(wú)限大功率電源可以看作是由無(wú)限多個(gè)有限功率電源并聯(lián)而成，因而其內(nèi)阻抗為零，電源電壓保持恒定。源并聯(lián)而成，因而其內(nèi)阻抗為零，電源電壓保持恒定。 往往是以供電電源的內(nèi)阻抗與短路回路總阻抗的相對(duì)往往是以供電電源的內(nèi)阻抗與短路回路總阻抗的相對(duì)大小來(lái)判斷電源能否作為無(wú)限大功率電源。若供電大小來(lái)判斷電源能否作為無(wú)限大功率電源。若供電電源的內(nèi)阻抗小于短路回路總阻抗曲電源的內(nèi)阻抗小于短路回路總阻抗曲10%時(shí)，則可認(rèn)時(shí)，則可認(rèn)為供電電源為無(wú)限大功率電源。為供電電源為無(wú)限大功率電源。 一、暫態(tài)過(guò)程分析一、暫態(tài)過(guò)程分析 對(duì)于前圖所示的三相電路，短路發(fā)生前，電路對(duì)于前圖所示的三相電路，短路發(fā)生前，電路處于穩(wěn)態(tài)

17、處于穩(wěn)態(tài),其其a相的電流表達(dá)式為：相的電流表達(dá)式為：00sin()amiIt當(dāng)在當(dāng)在f點(diǎn)突然發(fā)生三相短路時(shí)點(diǎn)突然發(fā)生三相短路時(shí),其其a相的電流表達(dá)式：相的電流表達(dá)式： 短路暫態(tài)過(guò)程的分析與計(jì)算就是針對(duì)左邊回路的。短路暫態(tài)過(guò)程的分析與計(jì)算就是針對(duì)左邊回路的。假定短路住假定短路住t0s時(shí)發(fā)生，由于電路仍為對(duì)稱可以只時(shí)發(fā)生，由于電路仍為對(duì)稱可以只研究其中的一相例如研究其中的一相例如a相相電流的瞬時(shí)值應(yīng)滿足如下電流的瞬時(shí)值應(yīng)滿足如下微分方程：微分方程：sin()aamdiLRiUtdt 其解其解=特解特解+齊次方程的通解齊次方程的通解0000sin(120 )sin(120 )sin(120 ) to

18、TabmmmiItIIe00sin()sin()sin() tTaammmiItIIe0000sin(120 )sin(120 )sin(120 ) toTacmmmiItIIe 根據(jù)三相線路的對(duì)稱性：根據(jù)三相線路的對(duì)稱性： 討論討論tiaipaipa0iaa0iaa1、由上圖及公式可見(jiàn)。短路至穩(wěn)態(tài)時(shí)，三相中的穩(wěn)態(tài)、由上圖及公式可見(jiàn)。短路至穩(wěn)態(tài)時(shí)，三相中的穩(wěn)態(tài)短路電流為三個(gè)幅值相等、相角相差短路電流為三個(gè)幅值相等、相角相差1200的交流電流，的交流電流，其幅值大小取決于電源電壓幅值和短路回路的總阻抗。其幅值大小取決于電源電壓幅值和短路回路的總阻抗。從短路發(fā)生至穩(wěn)態(tài)之間的暫態(tài)過(guò)程中，每相電流還包

19、從短路發(fā)生至穩(wěn)態(tài)之間的暫態(tài)過(guò)程中，每相電流還包含有逐漸衰減的直流電流，它們出現(xiàn)的物理原因是電含有逐漸衰減的直流電流，它們出現(xiàn)的物理原因是電感中電流在突然短路瞬時(shí)的前后不能突變；感中電流在突然短路瞬時(shí)的前后不能突變；很明顯。很明顯。三相的直流電流是不相等的。三相的直流電流是不相等的。2、三相短路電流波形、三相短路電流波形 由于有了直流分量，短路電流曲線便不與時(shí)間軸對(duì)稱，由于有了直流分量，短路電流曲線便不與時(shí)間軸對(duì)稱，而而直流分量曲線本身就是短路電流曲線的對(duì)稱軸直流分量曲線本身就是短路電流曲線的對(duì)稱軸。因。因此，當(dāng)已知此，當(dāng)已知短路電流曲線時(shí)，可以應(yīng)用這個(gè)性質(zhì)把短路電流曲線時(shí)，可以應(yīng)用這個(gè)性質(zhì)把直

20、流分量從短路電流曲線中分離出來(lái)，即將短路電流直流分量從短路電流曲線中分離出來(lái)，即將短路電流曲線的兩根包絡(luò)線間的垂直線等分。曲線的兩根包絡(luò)線間的垂直線等分。3、直流分量起始值越大短路電流瞬時(shí)值越大。、直流分量起始值越大短路電流瞬時(shí)值越大。4、三相中直流電流起始值不可能同時(shí)最大或同時(shí)為零、三相中直流電流起始值不可能同時(shí)最大或同時(shí)為零 初始電流向量圖：初始電流向量圖： (sin()mapamaIiIt000 (sin()amamIiIt(sin()maamaUuUtipa0 ua ia|0| 0ai空載下突然短路：空載下突然短路： (sin()mapamaIiIt(sin()maamaUuUtipa0 ua 根據(jù)前面的分析可以得出這樣的根據(jù)前面的分析可以得出這樣的結(jié)論結(jié)論： 當(dāng)短路發(fā)生任電感電路中、短路前為空載的情當(dāng)短路發(fā)生任電感電路中、短路前為空載的情況下直流分組電流最大，若初始相角滿足況下直流分組電流最大，若初始相角滿足-=900，則一相，則一相(a相相)短路電流的直流分量起始短路電流的直流分量起始值的絕對(duì)值達(dá)到最大值即等于穩(wěn)態(tài)短路電流值的絕對(duì)值達(dá)到最大值即等于穩(wěn)態(tài)短路電流的幅值。的幅值。 二、短路沖擊電流和最大有效值電流二、短路沖擊電流和最大有效值電流(一一)短路沖擊電流短路沖擊電流短路電流在前述最?lèi)毫佣搪非闆r下的最大瞬時(shí)值，稱短路電流在前述最?lèi)毫佣搪非闆r下的最