電力系統(tǒng)暫態(tài)分析Chap1重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院趙淵

1、電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析1緒論幾個基本概念電力系統(tǒng)：由生產(chǎn)、變換、輸送、分配、消費(fèi)電能的發(fā)電機(jī)、變壓器、變換器、電力線路和各種用電設(shè)備（一次設(shè)備）以及測量、保護(hù)、控制、通訊等智能裝置（二次設(shè)備）組成的統(tǒng)一整體。運(yùn)行參量：定量地確定了系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，包括功率、電壓、電流、頻率以及角位移等元件參數(shù)：由元件物理特性決定，代表元件特性，直接影響運(yùn)行參量大小，包括阻抗、導(dǎo)納、變比、時間常數(shù)和放大倍數(shù)等2緒論穩(wěn)態(tài)：電力系統(tǒng)正常的相對靜止的運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)參數(shù)不變，運(yùn)行參量不變或在某一均值附近持續(xù)地以較小幅度變化暫態(tài)：受擾后系統(tǒng)參數(shù)改變，系統(tǒng)從原來的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)向新系統(tǒng)參數(shù)對應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)過渡的過程，運(yùn)行參量可能發(fā)生

2、較大變化，例如出現(xiàn)過電壓、過電流、機(jī)組失步穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)的相對性：電力系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)無時無刻不在變化，所以電力系統(tǒng)時刻處于暫態(tài)過程中，但如果系統(tǒng)參數(shù)變化較小，過渡過程中運(yùn)行參量的變化很小，就稱為穩(wěn)態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變化很大時（如短路時），過渡過程中運(yùn)行參量變化大，稱為暫態(tài)。3緒論暫態(tài)過程分類波過程與運(yùn)行操作或雷擊時的過電壓有關(guān)，涉及電流、電壓波的傳播。波過程的計算不能用集中參數(shù) , 而要用分布參數(shù)，過渡過程很短暫，為微秒級機(jī)電暫態(tài)大擾動引起發(fā)電機(jī)等轉(zhuǎn)動元件的輸出電功率突變造成機(jī)械和電磁轉(zhuǎn)矩不平衡，引起轉(zhuǎn)子的搖擺、振蕩過程稱為機(jī)電過程，重點(diǎn)分析發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動規(guī)律，討論電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，可對一些電磁運(yùn)

3、行參量作近似假設(shè)。機(jī)電暫態(tài)過程既依賴于發(fā)電機(jī)電氣參數(shù) , 也依賴于發(fā)電機(jī)的機(jī)械參數(shù)，并且電氣運(yùn)行狀態(tài)與機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)相互關(guān)聯(lián) , 是一種機(jī)電聯(lián)合的一體化的動態(tài)過程。這類過程的持續(xù)時間最長 ，為秒級（1-10S） 4緒論暫態(tài)過程分類電磁暫態(tài)變壓器、線路等靜止元件短路后引起的電流、電壓突變及其后在電感、電容型儲能元件及電阻型耗能元件中引起的過渡過程稱為電磁過程。重點(diǎn)分析短路故障后網(wǎng)絡(luò)中電流、電壓變化，可不計機(jī)組間角位移的變化電磁暫態(tài)過程 主要與短路和自勵磁有關(guān)，計算要應(yīng)用磁鏈?zhǔn)睾阍?, 引出暫態(tài)、次暫態(tài)電勢、電抗及時間常數(shù)等參數(shù) , 據(jù)此算出各階段短路的起始值及衰減時間特性。持續(xù)時間較波過程長 ，

4、為毫秒級（10-21S） 5緒論本課程的任務(wù)電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析：電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的分析計算電力系統(tǒng)暫態(tài)分析：電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)過程和機(jī)電暫態(tài)過程的分析計算電磁暫態(tài)過程分析又稱為電力系統(tǒng)故障分析（第一篇）電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)過程分析主要討論電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，所以又稱為電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析（第二篇） 高電壓技術(shù)波過程的分析計算6課程內(nèi)容電磁暫態(tài)分析的主要內(nèi)容：電力系統(tǒng)故障分析的基礎(chǔ)知識（第一章）同步發(fā)電機(jī)突然三相短路分析（第二章）電力系統(tǒng)三相短路電流的實用計算（第三章）對稱分量法與電力元件的各序參數(shù)和等值電路（第四章）不對稱故障的分析計算（第五章）7課程考試及答疑平時成績 20 平時作業(yè)及課堂表現(xiàn) 出席

5、情況 答疑安排：時間待定地點(diǎn)待定考試安排： 初步定在課程結(jié)束后1周內(nèi)8教材及參考資料李光琦，電力系統(tǒng)暫態(tài)分析，中國電力出版社何仰贊等，電力系統(tǒng)分析（上冊），華中理工大學(xué)出版社91011第一章電力系統(tǒng)故障分析的基礎(chǔ)知識第一節(jié) 故障概述第二節(jié) 標(biāo)幺制第三節(jié) 無限大功率供電的三相短路電流分析學(xué)時：4本章作業(yè)：見教師個人主頁12第一節(jié) 故障概述一、短路故障短路概念 一切不正常的相與相或相與地之間的連接稱為短路，又叫橫向故障短路類型（short-circuitfault ） 三相短路（5） 兩相短路（10） 單相接地短路（65） 兩相短路接地（20） f（3） f（1） f（2） f（1,1） 不對稱故

6、障13第一節(jié) 故障概述一、短路故障短路原因 載流部分相間絕緣或?qū)Φ亟^緣損壞、鳥獸跨接在裸露載流部分、氣象條件惡化（大風(fēng)、覆冰）引起倒塔、人為事故及其它原因短路后果 1.短路點(diǎn)的電弧高溫使設(shè)備燒壞 2.短路電流的熱效應(yīng)引起的溫度升高加快絕緣老化，甚至燒壞設(shè)備 3.短路電流產(chǎn)生的電動力使設(shè)備導(dǎo)體變形或損壞 4.引起電網(wǎng)中電壓降低，使負(fù)荷運(yùn)行穩(wěn)定性破壞電動機(jī)停轉(zhuǎn) 5.發(fā)電機(jī)輸出電磁功率的改變導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩不平衡，可能失去同步 6.不對稱短路時出現(xiàn)的零序電流將對鄰近通訊線路形成干擾 7.不對稱短路時出現(xiàn)的負(fù)序電流將引起旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的附加發(fā)熱14第一節(jié) 故障概述一、短路故障減少短路電流危害的應(yīng)對措施 1.

7、限制短路電流的數(shù)值（限流電抗器等） 2.限制短路電流存在的時間（繼電保護(hù)切除故障） 3.采用繼電保護(hù)和重合閘相配合短路電流計算的意義 1.為變電站電氣主接線、電氣設(shè)備選擇提供依據(jù) 2.為限制短路電流的措施提供依據(jù) 3.為繼電保護(hù)配置與整定計算提供依據(jù)15第一節(jié) 故障概述二、斷線故障斷線故障概念 不正常的單相或多相斷線導(dǎo)致的非全相運(yùn)行狀態(tài)，又叫縱向故障斷線類型（open conductor Fault） 一相斷線 兩相斷線斷線原因 1.采用分相斷路器的線路發(fā)生單相短路時單相跳閘 2.線路一相或兩相導(dǎo)線斷開斷線影響 造成三相不對稱，產(chǎn)生負(fù)序和零序分量，而負(fù)序和零序分量對電氣設(shè)備和通訊有不良影響16

8、第一節(jié) 故障概述三、故障的其它分類分析方法上：不對稱故障、對稱故障（f(3)）計算方法上：并聯(lián)型故障、串聯(lián)性故障簡單故障：在電力系統(tǒng)中只發(fā)生一個故障。復(fù)雜故障：在電力系統(tǒng)中的不同地點(diǎn)（兩處以上）同時發(fā)生不對稱故障。 17第二節(jié) 標(biāo)幺制標(biāo)么制 （Per-Unit System ）電力系統(tǒng)的計算有兩種計算體系 有名制：采用有單位（ V、A、W、S等）的數(shù)值（有名值）表示物理量和進(jìn)行計算的方法。絕對單位制。標(biāo)么制：采用沒有單位的相對值（標(biāo)么值）表示物理量和進(jìn)行計算的方法。相對單位制。 18第二節(jié) 標(biāo)幺制三相星形接線系統(tǒng)標(biāo)幺制下的基準(zhǔn)值約束關(guān)系ZB、YB ：單相阻抗、導(dǎo)納的基準(zhǔn)值UB、IB ：線電壓、

9、線電流的基準(zhǔn)值UB、SB ：相電壓和單相功率的基準(zhǔn)值SB：三相功率的基準(zhǔn)值在標(biāo)幺制中三相電路的關(guān)系式類似于單相電路19第二節(jié) 標(biāo)幺制三相電氣系統(tǒng)基準(zhǔn)值的一般取法 取線電壓基準(zhǔn)值UB ，一般取網(wǎng)絡(luò)額定電壓取三相功率基準(zhǔn)值SB，一般取100MVA，1000MVA根據(jù)約束關(guān)系計算其它基準(zhǔn)值 ：注意：全網(wǎng)的功率基準(zhǔn)值唯一多電壓級網(wǎng)絡(luò)中，各級電網(wǎng)的電壓基準(zhǔn)值不同20第二節(jié) 標(biāo)幺制基準(zhǔn)值改變時標(biāo)幺值的換算 如果 變壓器 發(fā)電機(jī) 電抗器21第二節(jié) 標(biāo)幺制多電壓網(wǎng)絡(luò)等級中元件參數(shù)標(biāo)么值的計算 參數(shù)歸算法：先將各電壓等級的有名值參數(shù)都?xì)w算到基本級，再除以基本級的基準(zhǔn)值，折算為標(biāo)么值。 基準(zhǔn)值歸算法：先將基本級的

10、基準(zhǔn)值歸算到各電壓等級得到各級的基準(zhǔn)值，再將各級未經(jīng)歸算的有名值除以各級的基準(zhǔn)值，折算為標(biāo)么值。常用的標(biāo)么值歸算法：選擇全網(wǎng)統(tǒng)一功率基準(zhǔn)，選擇各級電網(wǎng)額定電壓為各自基準(zhǔn)電壓將未經(jīng)歸算的各級有名值除以各級的基準(zhǔn)值，折算為標(biāo)么值理想變壓器的變比用標(biāo)幺值變比（實際變比除以基準(zhǔn)變比）表示近似計算法假定變壓器變比為各電壓等級的平均額定電壓之比選取各電壓等級的平均額定電壓為基準(zhǔn)電壓22第二節(jié) 標(biāo)幺制（1）準(zhǔn)確計算法23第二節(jié) 標(biāo)幺制（2）近似計算法24第二節(jié) 標(biāo)幺制頻率、角頻率、電感、時間和磁鏈的基準(zhǔn)值 一般選額定頻率fN為頻率基準(zhǔn)值角頻率的基準(zhǔn)值電感的基準(zhǔn)值時間的基準(zhǔn)值取同步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一弧度所需的時間

11、 磁鏈的基準(zhǔn)值當(dāng)=2fN=B時下標(biāo)s：Synchronous 25第三節(jié) 無限大功率電源的三相短路電流分析本節(jié)一些變量下標(biāo)的說明|0| ：故障前瞬間，相當(dāng)“電路”中的0-0 ：故障后瞬間，相當(dāng)“電路”中的0+ p或：周期分量（period）、：頻率為的分量 ：非周期分量 m ：向量的模值（mode）M ：最大值 （maximum） ：穩(wěn)態(tài)值 （t） 26第三節(jié) 無限大功率電源的三相短路電流分析無限大電源的概念 電壓和頻率保持恒定的電源稱為無限大功率電源電源容量無限大時，外電路發(fā)生短路或其他擾動引起的功率改變相對于電源容量微不足道，故電源頻率（同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速）保持恒定無限大功率電源可看作無限個有

12、限功率電源并聯(lián)而成，根據(jù)戴維南定理其等效內(nèi)阻抗為無限個有限內(nèi)阻抗的并聯(lián)值，故為零。內(nèi)阻抗為零使得負(fù)荷變化時其端電壓總保持不變無限大電源：UG=常數(shù)、xG=0、=常數(shù)當(dāng)電源的內(nèi)阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于短路回路總阻抗 時(10%)，負(fù)荷變化對電源端電壓和頻率的影響很小，可視為不變，此時實際有限容量電源可以視為無限大功率電源27暫態(tài)過程分析 短路前電路處于穩(wěn)定狀態(tài)， ia的表達(dá)式為：其中： 第三節(jié) 無限大功率電源的三相短路電流分析28第三節(jié) 無限大功率電源三相短路電流分析暫態(tài)過程分析 f點(diǎn)發(fā)生三相短路時右側(cè)回路為無源網(wǎng)絡(luò)，L中的電流不能突變，ia 、 ib、ic 將從短路前的數(shù)值逐漸衰減到零左側(cè)每相阻抗減小，穩(wěn)

13、態(tài)電流必將增大 特解為t時方程組的解，即短路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時的電流，又稱為短路電流的穩(wěn)態(tài)分量或周期分量 。其解=特解+齊次方程的通解29暫態(tài)過程分析 ia短路電流的自由分量，又稱為非周期分量，對應(yīng)于上述微分方程的齊次微分方程的解。 C為積分常數(shù)，其值為非周期分量的起始值。短路后的過渡過程中A相電流可以表示為： 短路前后L中的電流不能突變，所以短路前后瞬間電流應(yīng)相等第三節(jié) 無限大功率電源三相短路電流分析30暫態(tài)過程分析較大的周期分量是因電源電勢作用于較小的回路阻抗而產(chǎn)生，非周期分量是回路電感中原儲存的磁場能量釋放而產(chǎn)生，并按回路的時間常數(shù)衰減狀態(tài)突然變化瞬間，電感中合成磁鏈不突變 第三節(jié) 無限大功

14、率電源三相短路電流分析周期分量：ipa 非周期分量：ia 31暫態(tài)過程分析三相短路電流的非周期分量是不相等的非周期分量的起始值越大，短路電流的最大瞬時值越大短路電流的兩根包絡(luò)線的垂直等分線即為直流分量第三節(jié) 無限大功率電源三相短路電流分析32第三節(jié) 無限大功率電源三相短路電流分析暫態(tài)過程分析非周期分量電流取得最大值的條件：1.相量 與縱軸平行2.相量 有盡可能大的幅值，此條件等效于短路前空載結(jié)論：1.短路前空載2.短路發(fā)生時，電壓初相角恰好可以使 與縱軸平行，即有：33第三節(jié) 無限大功率電源三相短路電流分析暫態(tài)過程分析非周期分量電流取得最小值的條件： 相量 與縱軸垂直，此時直流分量為零， A相電流由短路前的穩(wěn)態(tài)電流直接變?yōu)槎搪泛蟮姆€(wěn)態(tài)電流而不經(jīng)過暫態(tài)過程短路時三相電流的非周期分量大小不一樣。至于那一相較