電力系統(tǒng)故障分析

1、電力系統(tǒng)故障分析,山東大學 電氣工程學院 叢 偉 2015420,個人簡介,工學博士，副教授，碩士研究生導師 山東大學電氣工程學院 繼電保護研究所副所長 1996年考入山東工業(yè)大學，2005年12月博士畢業(yè)留校 2009年開始獨立招收研究生，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護 承擔國家級課題2項，省級課題2項，國家電網(wǎng)公司重大科技項目1項，重點科技項目10余項,主要內(nèi)容,故障分析的基本知識 簡單不對稱故障的分析計算 不對稱故障時電力系統(tǒng)中各電氣量值的分布計算,涉及的基本概念： 1.什么是暫態(tài)？ 2.什么是電磁暫態(tài)？ 3.故障類型 4.研究電力系統(tǒng)暫態(tài)過程的方法 5.故障計算的基本假設,1.什么是暫態(tài)？

2、 正常情況下電力系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運行，此時發(fā)電廠中原動機的輸入功率和發(fā)電機的輸出功率相平衡，系統(tǒng)的頻率和電壓都是穩(wěn)定的。當系統(tǒng)受到某種擾動時，上述功率平衡被打破，系統(tǒng)的運動狀態(tài)也隨之發(fā)生了變化。由于系統(tǒng)中包含有慣性元件，運動狀態(tài)的變化不可能瞬時完成，而必須經(jīng)歷一個過渡狀態(tài)，這種過渡狀態(tài)就稱為暫態(tài)。,2. 什么是電磁暫態(tài)？ 在暫態(tài)過程剛開始的一段時間內(nèi)，系統(tǒng)中的發(fā)電機以及其它轉(zhuǎn)動機械的轉(zhuǎn)速由于慣性作用還來不及變化，暫態(tài)過程主要的決定于各元件的電磁參數(shù)，這一階段稱為電磁暫態(tài)。,3. 故障類型：,常見的對電力系統(tǒng)危害比較嚴重的有：短路、斷相以及各種復雜故障等。短路故障是電力系統(tǒng)中危害最嚴重的故障。 短路

3、的概念：指電力系統(tǒng)正常運行情況以外的一切相與相之間或相與地之間的“短接”。 產(chǎn)生的原因：各種形式的過電壓、絕緣材料的自然老化、臟污、直接機械損傷等；運行人員帶負荷拉刀閘或線路檢修后未拆除地線就加電壓等誤操作；鳥獸跨接在裸露的載流部分以及自然災害等 。,短路的種類：,各種短路的示意圖和代表符號,短路的基本現(xiàn)象：電流劇烈增加，電壓大幅度下降。 短路的后果： （1）長時間的短路電流會使設備過熱而損壞； （2）電壓大幅度下降會造成產(chǎn)品報廢及設備損 壞； （3）有可能使并列運行的發(fā)電廠失去同步，破壞系統(tǒng)穩(wěn)定，造成大面積停電；,4. 斷相故障及復雜故障：,斷相故障：指電力系統(tǒng)一相斷開或兩相斷開的情況。屬于

4、不對稱性故障。 復雜故障：指在電力系統(tǒng)中的不同地點（兩處或兩處以上）同時發(fā)生不對稱故障的情況。又稱復故障。,5. 研究電力系統(tǒng)暫態(tài)過程的方法：,物理模擬法 數(shù)學模擬法： （1) 建立數(shù)學模型； （2）求解數(shù)學模型； （3）結果分析。,6. 故障計算的基本假設：,（1）磁路的飽和、磁滯忽略不計， （2）系統(tǒng)中除不對稱故障處以外都可當 作是對稱的。 （3）各元件的電阻略去不計。 （4）短路為金屬性短路。,故障分析的基本知識,1-1對稱分量法 1-2序阻抗的基本概念 1-3電力系統(tǒng)相序網(wǎng)絡的構成,對稱分量法,一、 對稱分量法 將一組不對稱的三相量看成是三組不同的對稱三相量之和，在線性電路中，應用疊加

5、原理，對這三組對稱分量分別按對稱三相電路去解，然后將其結果疊加起來。這種方法就叫做對稱分量法。,（a）正序分量 （b）負序分量 （c）零序分量 圖 3-1 三相不對稱相量所對應的三組對稱分量,二、對稱分量法在不對稱故障計算中的應用,圖 3-5 利用對稱分量法分析電力系統(tǒng)的不對稱短路,對正序網(wǎng)絡： 對負序網(wǎng)絡： 對零序網(wǎng)絡：,各序一相等值網(wǎng)絡為：,（a）正序等效網(wǎng)絡；（b）負序等效網(wǎng)絡；（c）零序等效網(wǎng)絡 圖 3-6 正序、負序和零序等效網(wǎng)絡,對任意系統(tǒng)，其短路點各序電壓和電流均滿足以下關系式：,該式說明了各種不對稱故障時出現(xiàn)的各序電流和電壓之間的相互關系，表示了不對稱故障的共性。 對各種不對稱

6、故障都適用。,三、 應用對稱分量法計算電力系統(tǒng)不對稱故障的步驟,（1）計算電力系統(tǒng)各元件的各序阻抗； （2）制定電力系統(tǒng)的各序網(wǎng)絡； （3）由各序網(wǎng)絡和故障條件列出對應方程； （4）從聯(lián)立方程組解出故障點電流和電壓的各序分量，將相應的各序分量相加，以求得故障點的各相電流和各相電壓； （5）計算各序電壓和各序電流在網(wǎng)絡中的分布，進而求出各指定支路的各相電流和指定節(jié)點的各相電壓。,在制定各序網(wǎng)絡時，必須先了解系統(tǒng)的接線，接地中性點的分布狀況以及各元件的各序參數(shù)和等值電路；進而再分別各序，由短路點開始，查明序電流在網(wǎng)絡中的流通情況，以確定各序網(wǎng)絡的組成元件及其網(wǎng)絡的具體連接。,1-4 電力系統(tǒng)相序網(wǎng)

7、絡的構成,一、 正序網(wǎng)絡 正序網(wǎng)絡就是通常用以計算對稱三相短路時的網(wǎng)絡，流過正序電流的全部元件的阻抗均用正序阻抗表示。正序電動勢就是發(fā)電機的電動勢。 二、負序網(wǎng)絡 組成負序網(wǎng)絡的元件與組成正序網(wǎng)絡的元件完全相同，各元件的阻抗要用負序參數(shù)表示。發(fā)電機及各種旋轉(zhuǎn)電機的負序阻抗與正序阻抗不同，其他靜止元件的負序阻抗等于正序阻抗。,三、零序網(wǎng)絡,（1） 不包含電源的電動勢。各元件的阻抗均應以零序參數(shù) 表示； （2） 繪制等值網(wǎng)絡時，只能把有零序電流通過的元件包括 進去，而不通過零序電流的元件，則應統(tǒng)統(tǒng)舍去； （3）只有當和短路點直接相連的網(wǎng)絡中至少有一個接地中 性點時，才可以形成一個零序回路。如果與短

8、路點直 接相連的網(wǎng)絡中有好幾個接地的中性點，那么便有好 幾個零序電流的并聯(lián)支路。 （4）變壓器繞組的接法對零序電流的通行路徑有很大影響。 （5）連在發(fā)電機或變壓器中性點的元件，其阻抗值擴大為 三倍； （6）平行線路中應計及零序互感的影響。,簡單不對稱故障的分析計算,4-1 概述,簡單不對稱故障:僅在一處發(fā)生短路或斷線的故障。 可分為二類： （1）橫向不對稱故障：兩相短路、單相接地短路、兩相接地短路；其特點為由系統(tǒng)網(wǎng)絡中的某一點（節(jié)點）和公共參考點（接地點）構成故障端口。 （2）縱向不對稱故障：一相斷線、二相斷線；其特點為由電力網(wǎng)絡中的兩個高電位點之間構成故障端口。 分析方法： （1）解析法：聯(lián)

9、立求解三序網(wǎng)絡方程和故障邊界條件方程； （2）借助于復合序網(wǎng)進行求解。,4-2 橫向不對稱故障的分析計算,圖 41 系統(tǒng)接線圖,圖 42 正、負、零序等值網(wǎng)絡圖,一、二相短路（bc兩相短路）,圖 4-3 兩相短路時的系統(tǒng)接線圖,（一）故障邊界條件：,轉(zhuǎn)換為對稱分量：,所以,又,即,所以故障邊界條件方程為,（二）求解方法 （1）解析法 聯(lián)立求解（1）、（2）二組方程，可得故障點電流、電壓各序分量為：,短路點的各序復數(shù)功率為：,故障處各相電流電壓為：,當故障點遠離發(fā)電機時，可認為 ，此時,（2）復合序網(wǎng)法,由故障邊界條件：,可知序網(wǎng)連接方式為：,圖 44 兩相短路時的序網(wǎng)及復合序網(wǎng)圖,（三）故障點

10、電流電壓向量圖：,圖 45 兩相短路時短路處的電壓電流相量圖,(四) 兩相短路的基本特點： （1） 短路電壓電流中不存在零序分量； （2） 兩故障相中的短路電流的絕對值相等，方向相反，數(shù)值上為正序電流的 倍； （3）當在遠離發(fā)電機的地方發(fā)生兩相短路時，可通過對序網(wǎng)進行三相短路計算來近似求兩相短路的電流； （4） 兩相短路時的正序電流在數(shù)值上與在短路點加一個附加阻抗 構成一個增廣正序網(wǎng)而發(fā)生三相短路時的電流相等。即 （5） 短路點兩故障相電壓總是大小相等，數(shù)值上為非故障相電壓的一半，兩故障相電壓相位上總是相同，但與非故障相電壓方向相反。,二 、 單相接地短路（A相）,圖4-6 單相接地短路時系統(tǒng)

11、接線圖,（一）故障邊界條件：,轉(zhuǎn)換為對稱分量：,注：A相短路選基準相為A相，B相短路選基準相為B相，C相短路選基準相為C相。,（二）復合序網(wǎng),短路處各序功率為：,短路點各相電流電壓為：,（三）向量圖：（假定阻抗為純電抗）,圖48 單相接地短路處的電壓電流相量圖,（四）基本特點： （1）短路點各序電流大小相等，方向相同。 （2）短路點正序電流大小與短路點原正序網(wǎng)絡上增加一個附加阻抗 而發(fā)生三相短路時的電流相等。 （3）短路點故障相電壓等于零。 （4）若 兩非故障相電壓的幅值總相等，相位差 的大小決定于 。,當,有,三、 兩相接地短路（bc相接地）,圖 49 兩相接地短路時的系統(tǒng)接線圖,（一）故障

12、邊界條件：,轉(zhuǎn)換為對稱分量，有,注意：bc相接地短路故障時，a相為基準相；ca相接地短路故障時，b相為基準相；ab相接地短路故障時，c相為基準相。,（二）復合序網(wǎng),故障點各相電氣量為：,當 為純電抗時，兩故障相電流為：,將 代入上式，并取 絕對值，整理后可得：,兩相接地短路時，流入地中的電流為,故障處各相電壓為,（三）向量圖：,圖 4-11 兩相接地短路處電壓電流相量圖,（四）基本特點： (1) 短路處正序電流與在原正序網(wǎng)絡上增接一個附加阻抗 后而發(fā)生三相短路時的短路電流相等； (2) 短路處兩故障相電壓等于零； (3) 在假定 阻抗角相等的情況下，兩故障相電流的幅值總相等,其夾角 隨 的不同

13、而不同。 (4) 流入地中的電流等于兩故障電流之和,四、 幾點結論 1. 正序等效定則：不對稱短路故障時故障支路的正序分量電流，等于故障點每相加上一個附加阻抗后發(fā)生三相短路的電流。,其中 故障前故障點基準相的運行相電壓； 與短路點故障類型有關的阻抗：,；,2. 關于基準相的選擇 在短路故障中，一般選故障時故障處三相中的特殊相作為基準相。 特殊相指的是故障處與另兩相情況不同的那一相。例如，單相接地短路故障相為特殊相，兩相短路和兩相接地短路選非故障相為特殊相。 選特殊相為基準相后，同一類型短路故障發(fā)生在不同相上時，基準相的序分量條件不會改變，于是復合序網(wǎng)的形式不會改變，計算公式、結論不會改變，只是

14、表達式中下腳符號改變而已。,例如：b相單相接地短路，b相為特殊相。若選b相為基準相，則邊界條件為：,若仍選a相為基準相，則邊界條件為：,出現(xiàn)了 ，使算式和復合序網(wǎng)的連接復雜化。,3.關于復合序網(wǎng) (1) 電力系統(tǒng)某一故障點的正序網(wǎng)絡、負序網(wǎng)絡、零序網(wǎng)絡，屬于基本序網(wǎng)，與故障類型、相別無關。但由各序網(wǎng)組合成的復合序網(wǎng)與短路故障的類型、相別有關。 (2) 串連型故障：其復合序網(wǎng)由三個獨立的 序網(wǎng)絡相串連而成。如單相接地短路。 并聯(lián)型故障：其復合序網(wǎng)由三個獨立的序網(wǎng)絡并聯(lián)而成。如兩相接地短路故障（兩相短路故障只有兩個序網(wǎng)）。,【例題4-1】某系統(tǒng)接線如圖所示。當k點發(fā)生c相接地短路時，求故障點各序的電流、電壓、序功率及各相的電流電壓，并畫出其向量圖。,圖 4-12 例題4-1的系統(tǒng)接線圖,發(fā)電機：G-1,G-2,變壓器：T-1,T-2,線路：,解：1. 將各元件參數(shù)換