三相短路故障分析課件

1、(最新整理)三相短路故障分析2021/7/261(最新整理)三相短路故障分析2021/7/261 本章主要內容有：關于短路的一些基本概念，同步發(fā)電機的基本方程，以及三相短路的實用計算方法。第七 章電力系統(tǒng)三相短路的分析計算2021/7/262 本章主要內容有：關于短路的一些基本概念，同步發(fā)電機的基本第一節(jié) 短路的一般概念故障:一般指短路和斷線,分為簡單故障和復雜故障簡單故障:電力系統(tǒng)中的單一故障復雜故障:同時發(fā)生兩個或兩個以上故障短路:指一切不正常的相與相之間或相與地之間（對于中性點接地的系統(tǒng)）發(fā)生通路的情況。2021/7/263第一節(jié) 短路的一般概念故障:一般指短路和斷線,分為簡單故障和表7

2、-1 各種短路的示意圖和代表符號 短路種類 示意圖 代表符號三 相 短 路 f(3) 兩 相 短 路 接 地 f(1,1)兩 相 短 路 f(2) 單 相 短 路 f(1)一、短路的類型 發(fā)生機率5%20%10%65%2021/7/264表7-1 各種短路的示意圖和代表符號 絕緣材料的自然老化，設計、安裝及維護不良所帶來的設備缺陷發(fā)展成短路。惡劣天氣：雷擊造成的閃絡放電或避雷器動作，架空線路由于大風或導線覆冰引起電桿倒塌等。人為誤操作，如運行人員帶負荷拉刀閘，線路或設備檢修后未拆除地線就加上電壓引起短路。挖溝損傷電纜，鳥獸跨接在裸露的載流部分等。二、短路的主要原因2021/7/265絕緣材料的

3、自然老化，設計、安裝及維護不良所帶來的設備缺陷發(fā)(1)電流劇增：設備發(fā)熱增加，若短路持續(xù)時間較長，可能使設備過熱甚至損壞;由于短路電流的電動力效應，導體間還將產生很大的機械應力，致使導體變形甚至損壞。(2)電壓大幅度下降，對用戶影響很大。(3)當短路發(fā)生地點離電源不遠而持續(xù)時間又較長時，并列運行的發(fā)電機可能失去同步，破壞系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，造成大面積停電，這是短路最嚴重的后果。(4)發(fā)生不對稱短路時,三相不平衡電流會在相鄰的通訊線路感應出電動勢,影響通訊.三、短路的危害2021/7/266(1)電流劇增：設備發(fā)熱增加，若短路持續(xù)時間較長，可能使設備四、短路產生的現象電流劇烈增加。例如發(fā)電機端發(fā)生

4、短路時，電流的最大瞬時值可能高達額定電流的1015倍，在大容量系統(tǒng)中短路電流可達幾千安培甚至十幾千安培。系統(tǒng)中的電壓大幅度下降。例如三相短路時，短路點的電壓將降為零，短路點附近各點電壓也將明顯下降。2021/7/267四、短路產生的現象電流劇烈增加。例如發(fā)電機端發(fā)生短路時，電流五 、計算短路電流的目的短路電流計算結果是選擇電氣設備（斷路器、互感器、瓷瓶、母線、電纜等）的依據；是電力系統(tǒng)繼電保護設計和整定的基礎；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，根據它可以確定限制短路電流的措施。2021/7/268五 、計算短路電流的目的短路電流計算結果2021/7/268無限大功率電源是個相對概

5、念。真正的無限大功率電源是不存在的。根據等值電源的內阻抗與短路回路總阻抗的相對大小來判斷該電源是否看作無限大功率電源。若電源的內阻抗小于短路回路總阻抗的10%，即可以認為電源為無限大電源。以下情況也可以看作無限大功率電源系統(tǒng)：（1）多臺發(fā)電機并聯運行；（2）短路點遠離電源等情況。第二節(jié) 恒定電勢源電路的三相短路恒定電勢源（又稱無限大功率電源），是指端電壓幅值和頻率都保持恒定的電源，其內阻抗為零。一、恒定電勢源的概念2021/7/269無限大功率電源是個相對概念。真正的無限大功率電源是不存在的。短路前電路處于穩(wěn)態(tài)： 二、三相短路的暫態(tài)過程分析圖7-1 簡單三相電路短路2021/7/2610短路前

6、電路處于穩(wěn)態(tài)： 二、三相短路的暫態(tài)過程分析圖7-1 a相的微分方程式如下：其解就是短路的全電流，它由兩部分組成：(1)周期分量（交流分量或強制分量）；(2)非周期分量（直流分量或自由分量）。 假定t0時刻發(fā)生短路2021/7/2611a相的微分方程式如下：其解就是短路的全電流，它由兩部分組成：（1）周期分量（交流分量或強制分量）短路電流的強制分量記為： 2021/7/2612（1）周期分量（交流分量或強制分量）短路電流的強制分量記為：（2）非周期電流 （直流分量或自由分量）短路電流的自由分量,記為 特征方程 的根。 非周期分量電流衰減的時間常數 （C為由初始條件決定的積分常數）2021/7/2

7、613（2）非周期電流 （直流分量或自由分量） 特征方程 的短路后的全電流可表示為： 短路電流不突變短路前電流：積分常數的求解2021/7/2614短路后的全電流可表示為： 短路電流不突變短路前電流：積分常數三相短路電流的特點三相短路電流中含有一個穩(wěn)態(tài)分量 , 它們組成一組對稱的正序電流,其幅值恒定不變。顯然它們大于短路前的穩(wěn)態(tài)電流。2021/7/2615三相短路電流的特點三相短路電流中含有一個穩(wěn)態(tài)分量 短路電流關系的相量圖表示在時間軸上的投影代表各量的瞬時值2021/7/2616短路電流關系的相量圖表示在時間軸上的投影代表各量的瞬時值20(1) 相量差 有最大可能值； (2) 相量差 在t0

8、時與時間軸平行。一般電力系統(tǒng)中，短路回路的感抗比電阻大得多，即 ，故可近似認為 。因此，非周期電流有最大值的條件為：短路前電路空載（Im=0), 而且短路發(fā)生時，電源電勢過零（0）。指短路電流最大可能的瞬時值，用 表示。其主要作用是校驗電氣設備和載流導體的電動力穩(wěn)定度。三、短路沖擊電流非周期電流有最大初值的條件應：(僅為a,b,c中某一相)2021/7/2617(1) 相量差 有最大可能值； 指短路電流最大可圖7-3 短路電流非周期分量有最大可能值的條件圖 非周期電流有最大值的條件為：（1）短路前電路空載（m=0)；（2）短路發(fā)生時，電源電勢過零（0）。（）短路后短路回路為純感性回路，即。20

9、21/7/2618圖7-3 短路電流非周期分量有最大可能值的條件圖 非周期電將 ， 和 0代入式短路全電流表達式： 短路電流的最大瞬時值在短路發(fā)生后約半個周期時出現（如圖7-4）。若 Hz，這個時間約為0.01秒，將其代入式（-8），可得短路沖擊電流 ：kim為沖擊系數,實用計算時，短路發(fā)生在發(fā)電機電壓母線時kim1.9；短路發(fā)生在發(fā)電廠高壓母線時kim1.85；在其它地點短路kim1.8。P1002021/7/2619將 ， 和 0代入式短路全電流表達式： 圖7-4 非周期分量有最大可能值時的短路電流波形圖 2021/7/2620圖7-4 非周期分量有最大可能值時的短路電流波形圖 202四、

10、短路電流的有效值在短路過程中，任意時刻t的短路電流有效值，是指以時刻t為中心的一個周期內瞬時電流的均方根值，即 為了簡化計算，通常假定：非周期電流在以時間t為中心的一個周期內恒定不變，因而它在時間t的有效值就等于它的瞬時值，即2021/7/2621四、短路電流的有效值為了簡化計算，通常假定：非周期電流在以時對于周期電流，認為它在所計算的周期內是幅值恒定的，其數值即等于由周期電流包絡線所確定的t時刻的幅值。因此，t時刻的周期電流有效值應為 圖7-5 短路電流有效值的確定 2021/7/2622對于周期電流，認為它在所計算的周期內是幅值恒定的，其數值即等根據上述假定條件，公式(-10)就可以簡化為

11、 ：短路電流的最大有效值： 短路電流的最大有效值常用于校驗斷路器的開斷能力。 （-11）短路電流最大有效值出現在第一周期，其中心為：t=0.01s2021/7/2623根據上述假定條件，公式(-10)就可以簡化為 ：短路電流的短路容量也稱為短路功率，某短路點的短路容量等于該點短路電流有效值同短路處的正常工作電壓（一般用平均額定電壓）的乘積的.732倍，即用標幺值表示時 短路容量主要用來校驗開關設備的切斷能力。 五、短路容量反映了網絡中某點到無限大功率電源間的電氣距離,當知道系統(tǒng)中某點的短路功率時,該點與電源之間的等值電抗即可以求得。2021/7/2624短路容量也稱為短路功率，某短路點的短路容

12、量等于該點短路電流有（1）電勢都同相位：短路過程中各發(fā)電機之間不發(fā)生搖擺，并認為所有發(fā)電機的電勢都同相位。（2）負荷近似估計：或當作恒定電抗，或當作某種臨時附加電源，視具體情況而定。（3）不計磁路飽和：系統(tǒng)各元件的參數都是恒定的，可以應用疊加原理。第三節(jié) 電力系統(tǒng)三相短路的實用計算 一、三相短路實用計算的基本假設 2021/7/2625（1）電勢都同相位：短路過程中各發(fā)電機之間不發(fā)生搖擺，并認為（4）對稱三相系統(tǒng)：除不對稱故障處出現局部的不對稱以外，實際的電力系統(tǒng)通常都當做是對稱的。（5）純電抗表示:忽略高壓輸電線的電阻和電容，忽略變壓器的電阻和勵磁電流（三相三柱式變壓器的零序等值電路除外），

13、加上所有發(fā)電機電勢都同相位的條件，這就避免了復數運算。（6）金屬性短路:短路處相與相（或地）的接觸往往經過一定的電阻（如外物電阻、電弧電阻、接觸電阻等），這種電阻通常稱為“過渡電阻”。所謂金屬性短路，就是不計過渡電阻的影響，即認為過渡電阻等于零的短路情況。2021/7/2626（4）對稱三相系統(tǒng)：除不對稱故障處出現局部的不對稱以外，實際二、網絡變換與化簡 等值化簡目標2021/7/2627二、網絡變換與化簡 等值化簡目標2021/7/26271. 網絡的等值變換 （1）星網變換 圖7-30 星形(a)和三角形(b)接線(a) (b)2021/7/26281. 網絡的等值變換 （1）星網變換 圖

14、7-30 星形(a2021/7/26292021/7/2629多支路星形變?yōu)榫W形 圖7-31 多支路星形變?yōu)榫W形2021/7/2630多支路星形變?yōu)榫W形 圖7-31 多支路星形變?yōu)榫W形2021/可以把該變化推廣到i=n的情況2021/7/2631可以把該變化推廣到i=n的情況2021/7/2631（2）有源支路的并聯 圖7-32 并聯有源支路的化簡 (a) (b)2021/7/2632（2）有源支路的并聯 圖7-32 并聯有源支路的化簡 令 對于兩條有源支路并聯 令 0 由上圖可得由戴維南定理定義計算2021/7/2633令 對于兩條有源支路并聯 令 0 由上圖可得由戴維南定Z6Z5fZ7Z4

15、Z2Z3Z1Z10Z5fZ7Z8Z2Z9Z1fZ13Z11Z12Z2Z1fZ2fZ1ffZfEf輸入阻抗轉移阻抗例:求輸入阻抗和轉移阻抗的過程2021/7/2634Z6Z5fZ7Z4Z2Z3Z1Z10Z52. 分裂電勢源和分裂短路點 圖6-33 分裂電勢源和分裂短路點(a) (b) (c)2021/7/26352. 分裂電勢源和分裂短路點 圖6-33 分裂電勢源3. 利用網絡的對稱性化簡對稱性：指網絡的結構相同，電源一樣，阻抗參數相等（或其比值相等）以及短路電流的走向一致等。在對應的點上，電位必然相同。同電位點之間的電抗可根據需要短接或斷開。以圖6-34為例進行說明。2021/7/26363.

16、 利用網絡的對稱性化簡對稱性：指網絡的結構相同，電源一樣網絡接線圖 (b) 等值電路 (c)簡化后的等值電路圖6-34 利用電路的對稱性進行網絡簡化2021/7/2637圖6-34 利用電路的對稱性進行網絡簡化2021/7/26取網絡中各發(fā)電機的電勢為零，并僅在網絡中某一支路（如短路支路）施加電勢 ，在這種情況下，各支路電流與電勢所在支路電流的比值，稱為各支路電流的分布系數，用C表示。 電流分布系數的定義電流分布系數的基本概念4. 電流分布系數法2021/7/2638取網絡中各發(fā)電機的電勢為零，并僅在網絡中某一支路（如短路支路 圖7-35 求電流分布系數示意圖2021/7/2639 圖7-35

17、 求電流分布系數示意圖2021/7/26電流分布系數的特點：所以因為圖6-35 求電流分布系數示意圖2021/7/2640電流分布系數的特點：所以因為圖6-35 求電流分布系數示意(2) 分布系數與轉移阻抗之間的關系 ；2021/7/2641(2) 分布系數與轉移阻抗之間的關系 ；2021/7/2（3）電流分布系數的確定方法 單位電流法 令 2021/7/2642（3）電流分布系數的確定方法 單位電流法 令 2021/7網絡還原法 圖7-37 并聯支路的電流分布系數 兩端同時除以短路電流 2021/7/2643網絡還原法 圖7-37 并聯支路的電流分布系數 兩端同時除對于兩條并聯支路且短路發(fā)生

18、在總支路上時（ ） 2021/7/2644對于兩條并聯支路且短路發(fā)生在總支路上時（ ） 2021/補充例題1圖6-38 網絡及其變換過程 (a) (b) (c) (d)2021/7/2645補充例題1圖6-38 網絡及其變換過程 (a) 補充例題2 圖6-39 網絡的變換過程 (a) (b) (c) (d)2021/7/2646補充例題2 圖6-39 網絡的變換過程 三、起始次暫態(tài)電流和沖擊電流的實用計算 1. 起始次暫態(tài)電流的計算 起始次暫態(tài)電流：短路電流周期分量（基頻分量）的初值。靜止元件的次暫態(tài)參數與穩(wěn)態(tài)參數相同。實用計算：不計負載影響： 發(fā)電機：用次暫態(tài)電勢 和次暫態(tài)電抗 表示。202

19、1/7/26471. 起始次暫態(tài)電流的計算 起始次暫態(tài)電流：短路電流周期分異步電動機： 圖7-40 異步電機簡化相量圖 近似計算：2021/7/2648異步電動機： 圖7-40 異步電機簡化相量圖 近似計算：綜合負荷： 輸電線路和變壓器：次暫態(tài)參數與其穩(wěn) 態(tài)參數相同 。 用次暫態(tài)參數表示的等值電路及次暫態(tài)電流計算2021/7/2649綜合負荷： 輸電線路和變壓器：次暫態(tài)參數與其穩(wěn)用次暫態(tài)參數表2. 沖擊電流的計算異步電機的提供的沖擊電流：沖擊電流對小容量電機和綜合負荷：容量為200500kW的異步電機：容量為1000kW以上的異步電機：例652021/7/26502. 沖擊電流的計算異步電機的

20、提供的沖擊電流：沖擊電流對小容四、短路電流計算曲線及其應用 作用：求任意時刻t的短路電流周期分量。 計算曲線的概念 定義計算電抗 則在發(fā)電機的參數和運行初態(tài)給定后，短路電流僅是電源到短路點的距離 和時間的函數。2021/7/2651四、短路電流計算曲線及其應用 作用：求任意時刻t的短路電流周2. 計算曲線的制作 汽輪發(fā)電機(18種): 12MW 200MW 水輪發(fā)電機(17種): 12.5MW 225MW 制作計算曲線的典型接線圖當Xjs3.45時 2021/7/26522. 計算曲線的制作 汽輪發(fā)電機(18種): 12MW 3. 計算曲線的應用 電源合并的原則：把短路電流變化規(guī)律大體相同的發(fā)電機合并起來 。（3)遠離短路點的同類型發(fā)電廠合并；（4)無限大功率電源（如果有的話）合并成 一組。 （1)與短路點電氣距離相差不大的同類型發(fā) 電機合并； （2)直接接于短路點的發(fā)電機（或發(fā)電廠） 單獨考慮；2021/7/26533. 計算曲線的應用 電源合