电力系统分析孟祥萍ppt课件第8章.ppt

内容回顾,同步发电机的基本方程（电压方程、磁链方程） a、b、c坐标系统 d、q、0坐标系统 变系数的微分方程 常系数的微分方程 同步发电机的稳态运行 分析了电压与电流之间的关系,,,电力系统暂态分析的基础,,派克变换,第8章 电力系统三相短路的暂态过程,本章提示 8.1 短路的基本概念 8.2 无限大功率电源供电系统的三相短路分析 8.3 无阻尼绕组同步发电机突然三相短路的分析 8.4 计及阻尼绕组的同步电机突然三相短路分析 8.5 强行励磁对同步电机三相短路的影响 小结,本章提示,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； 假设发电机容量为无限大、电压及频率为恒定的条件下，对电力系统三相短路的暂态过程、短路电流及功率进行了分析； 实际发电机突然发生三相短路，忽略阻尼绕组，分析其暂态过程； 计及阻尼绕组，分析发电机三相短路的暂态过程； 同步发电机发生三相短路，强行励磁装置对短路暂态过程的影响分析8.1 短路的基本概念,,,1、短路的概念：短路是指电力系统正常运行情况以外的相与相之间或相与地（或中性线）之间的连接三相短路：symmetrical three-phase fault f(3) 两相短路：line-to-line fault f(2),2、短路的类型,8.1短路的基本概念,两相短路接地 :double line-to-ground fault f(1,1),单相接地短路：single line to ground fault f(1),各种短路故障发生的概率,三相短路4％ 两相短路5％ 两相短路接地8％ 单相接地83％ 三相故障发生的概率小，但是最为严重，对系统的安全稳定运行影响最大。

8.1短路的基本概念,各种元件发生短路的概率,统计结果： 110kV 线路78.0％ 600kW 以上发电机7.5％ 110kV 变压器6.5％ 110kV 母线8.0％ 架空输电线是电力系统中比较薄弱环节，发生短路的几率最高8.1短路的基本概念,3、短路的原因,电气设备载流部分的绝缘损坏（最主要的原因） 自然原因：风、覆冰、雪、雷电、雾、鸟害 人为原因：运行人员误操作（未拆地线合闸、带负荷拉隔离刀闸等）,8.1短路的基本概念,,4、短路的后果,产生大电流 造成低电压 干扰以至于破坏系统的稳定运行 对通信线路的干扰,8.1短路的基本概念,,,o,U,t,,ƒ1,,ƒ2,,1,,,,,,,,,,,短路的后果举例,2003年8月14日－美国大停电 美国东部，时间2003年8月14日16:11开始（北京时间8月15日晨4:11），美国东北部和加拿大东部联合电网发生了大面积停电事故 纽约: 交通瘫痪、公路堵塞、人困在电梯和隧道里、冒酷热步行回家 停电影响 美国： 俄亥俄州、密歇根州、纽约州、 马萨诸塞州、康涅狄克州、新泽西州、 宾夕法尼亚州、佛蒙特州（8个州） 加拿大：安大略省、魁北克省（2个省）,8.1短路的基本概念,2003年8月14日－美国大停电,•损失负荷：6180万千瓦 •5000万居民失去电力供应 •恢复需几天时间 -8月14日19：30 恢复134万千瓦 - 8月14日23：00 恢复2130万千瓦 - 8月15日11：00 恢复4860万千瓦 •美国切机20多台（含9台核电机组） 美加共计切机百余台 •美经济学家估计：美损失：300亿美元/天,8.1短路的基本概念,停电前后卫星拍到的美国上空照片,8.1短路的基本概念,电力系统要采取适当的措施降低短路故障的发生概率，如：,采用合理的防雷设施，加强运行维护管理等。

通过采用继电保护装置，迅速作用于切除故障设备，保证无故障部分的安全运行 架空线路普遍采用自动重合闸装置，发生短路时断路器迅速跳闸，经一定时间（0.4~1s）断路器自动合闸 线路上的电抗器，通常也是为限制短路电流而装设的8.1 短路的基本概念,短路计算目的：,选择有足够电动力稳定和热稳定性的电气设备 合理的配置继电保护及自动装置，并正确整定其参数 选择最佳的主接线方案 进行电力系统暂态稳定的计算 确定电力线路对邻近通信线路的干扰等8.1 短路的基本概念,电力系统的短路故障也称为横向故障，因为它是相间或相对地的故障； 一相或两相断线的情况，为断线故障，也称纵向故障8.1 短路的基本概念,8.2 无限大功率电源供电系统的 三相短路分析,8.2.1 无限大功率电源 8.2.2 暂态过程分析 8.2.3 短路电流及短路功率的计算,,无限大功率电源是个相对概念 若电源的内阻抗小于短路回路总阻抗的10%，即可以认为电源为无限大电源 例如，多台发电机并联运行或短路点远离电源等情况，都可以看作无限大功率电源供电的系统无限大功率电源：假设电源的容量为无限大，其电压和频率保持恒定，内阻抗为零8.2.1 无限大功率电源,,,,,,,一无限大功率电源供电的三相对称系统，短路发生前，电路处于稳定状态，三相电流对称，,,,,,,假设a相的电源电压为 ，电流为,8.2.2 暂态过程分析,,,,该方程为一阶常系数、线性、非齐次常微分方程。

假设在t=0s时，系统 点发生三相短路,8.2.2 暂 态 过 程 分 析,,短路后回路满足以下方程,,,齐次微分方程的通解,=,非齐次微分方程的解,非齐次微分方程的特解,+,,,,,8.2.2 暂 态 过 程 分 析,,,,,,稳态分量：电路达到稳态时的短路电流 又称交流分量、强制分量或周期分量 ，与所在相的电源电压有相同的变化规律，即：,8.2.2 暂 态 过 程 分 析,,,暂态分量：（又称自由分量或非周期分量）是按指数规律不断衰减的电流，衰减的速度与时间常数成正比A为待定积分常数，由电路的初始条件决定短路全电流表达式为：,8.2.2 暂 态 过 程 分 析,,,,,A值的确定,代入通解得到：,由于电感电流不能突变，因此有：,8.2.2 暂 态 过 程 分 析,所以,,不衰减！,衰减！,,,稳态分量交流分量 周期分量 强制分量,暂态分量 直流分量 非周期分量 自由分量,8.2.2 暂 态 过 程 分 析,,短路全电流为：,,,8.2.2 暂 态 过 程 分 析,,8.2.2 暂 态 过 程 分 析,短路全电流为：,,,8.2.2 暂 态 过 程 分 析,,,短路冲击电流,,,短路电流最大可能的瞬时值称为短路冲击电流，以 表示。

8.2.3 短路电流及短路功率的计算,,,,短路冲击电流,,,,,,,,o,t,,周期分量,非周期分量,8.2.3 短路冲击电流及短路功率的计算,,短路冲击电流,,冲击电流主要用于检验电气设备和载流导体的动稳定性,8.2.3 短路冲击电流及短路功率的计算,,冲击电流：,,,,,o,t,,,T/2,,iim,式中 称为冲击系数，即冲击电流值相对于故障后周期电流幅值的倍数 其值与时间常数 有关，通常取为1.8~1.9短路冲击电流，在短路发生后约半个周期，即 （设频率为50Hz）出现短路全电流有效值,,在三相短路的暂态过程中，任一时刻t的短路电流有效值 ，是指以时刻t为中心的一个周期内瞬时电流的均方根值假设周期分量 在计算周期内幅值恒定，t时刻的周期电流有效值为,假设非周期分量 在以时间t为中心的一个周期内不变，因此其有效值等于瞬时值，即,因此t时刻短路全电流的有效值为：,8.2.3 短路电流及短路功率的计算,,短路全电流有效值,,=,短路全电流的最大有效值也是发生在短路后半个周期，其值为：,短路全电流有效值用来校验设备的热稳定,8.2.3 短路电流及短路功率的计算,,短路功率,,,短路功率也称短路容量，等于短路电流有效值与短路点处的正常工作电压（一般用平均额定电压）的乘积，,用标么值表示时，有,在短路电流的实用计算中，常用短路周期分量电流的初始有效值来计算短路功率。

8.2.3 短路电流及短路功率的计算,,t时刻的短路功率:,短路功率主要用于校验开关的切断能力8.3 无阻尼绕组同步发电机突然 三相短路的分析,8.3.1 无阻尼绕组同步发电机突然三相短路的物理分析 8.3.2 无阻尼绕组同步电机三相短路电流计算,,,,,,,,,,,在实际电力系统中，发生突然短路时，作为电源，同步发电机的内部也要出现暂态过程，其机端电压和频率都将发生变化 一般情况下，分析电力系统短路时，必须计及同步电机的暂态过程 由于同步发电机转子惯性较大，可以近似认为转子保持同步转速，频率恒定8.3.1 无阻尼绕组同步发电机突然 三相短路的分析,,,,,,,,,,,,假设短路前发电机处于空载状态,定子绕组总磁链中只含有励磁磁通势基波对定子绕组产生的磁链 ，即,8.3.1 无阻尼绕组同步发电机突然三相短路的分析,,,,,,,,,,,定子各绕组磁链,8.3.1 无阻尼绕组同步发电机突然三相短路的分析,,,,,,,,,假设t=0时刻发电机端发生三相短路，此时 在短路前后瞬间，磁链不能突变,,短路后瞬间定子各相绕组的磁链,,,,,,,,,假设t=0时刻发电机端发生三相短路，此时 在短路前后瞬间，磁链不能突变,,短路后,由励磁电流产生并交链到定子绕组的磁链,,,,,,,,,,为保证短路前后磁链初值不变,定子三相绕组产生电流,,恒定分量,交变分量,定子绕组电流的非周期分量,基频分量,,,定子绕组电流中的非周期分量在空间形成恒定的磁通势，由于转子直轴、交轴方向的磁阻不同，转子每转过1800 ，磁阻变化一个周期，故将在定子绕组中感应出一个适应磁阻变化的倍频电流。

发电机三相短路的暂态过程中，定子绕组电流中含有非周期分量、基频分量及倍频分量电流 定子绕组电流中的基频分量合成为一个与转子同步旋转的电枢反应磁通势，在励磁绕组中将感应出一个直流电流分量；定子绕组电流中的非周期电流分量产生在空间静止的磁场，它和倍频分量产生的磁场与转子的相对转速均为同步转速，在励磁绕组中将感应出基频电流分量8.3.1 无阻尼绕组同步发电机突然三相短路的分析,,在实际电路中，短路后的定子和转子回路电流分量同时出现，相互影响，而不是单方面的作用 回路中的自由分量经过衰减后，最终达到稳态8.3.1 无阻尼绕组同步发电机突然三相短路的分析,,8.3.2 无阻尼绕组同步电机三相短路电流计算,,,,由第7章得无阻尼绕组同步电机电压与磁链方程,,三相短路时 故 保持短路前的值不变，计及各电流和磁链的初始值后求解 经派克变换即可得三相短路电路发电机突然三相短路，其空载电势发生突变，因此上式不能用来求解短路电流 为了得到定子短路电流，需要找到一个在短路前、后瞬间不突变的电势及相应的电抗无阻尼绕组同步发电机正常稳态运行，忽略定子绕组电阻，发电机电压方程的相量形式为,8.3.2 无阻尼绕组同步电机三相短路电流计算,,,,暂态电势 与暂态电抗,8.3.2 无阻尼绕组同步电机三相短路电流计算,,,,,交轴暂态电动势,,,消去if,直轴暂态电抗,励磁绕组的磁链 不突变，交轴暂态电动势 也不会突变。

8.3.2 无阻尼绕组同步电机三相短路 电流计算,,如果同步电机无阻尼绕组，不存在交轴暂态电抗和纵轴暂态电势图中， 为暂态电抗后的电势，为虚构电势，可以近似认为守恒暂态电势 与暂态电抗,,2. 不计各绕组电阻时的三相短路电流,,a相电流,励磁绕组的电流,,8.3.2 无阻尼绕组同步电机三相短路电流计算,3. 计及各绕组电阻时的三相短路电流,计及各绕组电阻时，电流中的部分分量要发生衰减 （1）定子电流非周期分量和倍频分量 衰减的时间常数取决于定子绕组的等值电感和等值电阻之比2）定子电流周期分量的衰减 由励磁电流的非周期分量产生，按励磁绕组的时间常数衰减8.3.2 无阻尼绕组同步电机三相短路。