電力系統(tǒng)故障分析

優(yōu)選電力系統(tǒng)故障分析本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第1頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分個(gè)人簡(jiǎn)介工學(xué)博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師山東大學(xué)電氣工程學(xué)院繼電保護(hù)研究所副所長(zhǎng)1996年考入山東工業(yè)大學(xué)，2005年12月博士畢業(yè)留校2009年開(kāi)始獨(dú)立招收研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)承擔(dān)國(guó)家級(jí)課題2項(xiàng)，省級(jí)課題2項(xiàng)，國(guó)家電網(wǎng)公司重大科技項(xiàng)目1項(xiàng)，重點(diǎn)科技項(xiàng)目10余項(xiàng)本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第2頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分主要內(nèi)容故障分析的基本知識(shí)簡(jiǎn)單不對(duì)稱故障的分析計(jì)算不對(duì)稱故障時(shí)電力系統(tǒng)中各電氣量值的分布計(jì)算本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第3頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分涉及的基本概念：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(guò)程的方法5.故障計(jì)算的基本假設(shè)本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第4頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分

1.什么是暫態(tài)？

正常情況下電力系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，此時(shí)發(fā)電廠中原動(dòng)機(jī)的輸入功率和發(fā)電機(jī)的輸出功率相平衡，系統(tǒng)的頻率和電壓都是穩(wěn)定的。當(dāng)系統(tǒng)受到某種擾動(dòng)時(shí)，上述功率平衡被打破，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化不可能瞬時(shí)完成，而必須經(jīng)歷一個(gè)過(guò)渡狀態(tài)，這種過(guò)渡狀態(tài)就稱為暫態(tài)。本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第5頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分

2.什么是電磁暫態(tài)？

在暫態(tài)過(guò)程剛開(kāi)始的一段時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)以及其它轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的轉(zhuǎn)速由于慣性作用還來(lái)不及變化，暫態(tài)過(guò)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)。

本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第6頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分

3.故障類型：

常見(jiàn)的對(duì)電力系統(tǒng)危害比較嚴(yán)重的有：短路、斷相以及各種復(fù)雜故障等。短路故障是電力系統(tǒng)中危害最嚴(yán)重的故障。短路的概念：指電力系統(tǒng)正常運(yùn)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(guò)電壓、絕緣材料的自然老化、臟污、直接機(jī)械損傷等；運(yùn)行人員帶負(fù)荷拉刀閘或線路檢修后未拆除地線就加電壓等誤操作；鳥(niǎo)獸跨接在裸露的載流部分以及自然災(zāi)害等。本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第7頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分短路的種類：各種短路的示意圖和代表符號(hào)

本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第8頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分短路的基本現(xiàn)象：電流劇烈增加，電壓大幅度下降。短路的后果：（1）長(zhǎng)時(shí)間的短路電流會(huì)使設(shè)備過(guò)熱而損壞；（2）電壓大幅度下降會(huì)造成產(chǎn)品報(bào)廢及設(shè)備損

壞；（3）有可能使并列運(yùn)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；本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第9頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分

4.斷相故障及復(fù)雜故障：

斷相故障：指電力系統(tǒng)一相斷開(kāi)或兩相斷開(kāi)的情況。屬于不對(duì)稱性故障。復(fù)雜故障：指在電力系統(tǒng)中的不同地點(diǎn)（兩處或兩處以上）同時(shí)發(fā)生不對(duì)稱故障的情況。又稱復(fù)故障。本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第10頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分

5.研究電力系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程的方法：

物理模擬法數(shù)學(xué)模擬法：

（1)建立數(shù)學(xué)模型；

（2）求解數(shù)學(xué)模型；

（3）結(jié)果分析。

本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第11頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分

6.故障計(jì)算的基本假設(shè)：

（1）磁路的飽和、磁滯忽略不計(jì)，（2）系統(tǒng)中除不對(duì)稱故障處以外都可當(dāng)

作是對(duì)稱的。（3）各元件的電阻略去不計(jì)。（4）短路為金屬性短路。本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第12頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分故障分析的基本知識(shí)

1-1對(duì)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(luò)的構(gòu)成本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第13頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分

對(duì)稱分量法

一、

對(duì)稱分量法

將一組不對(duì)稱的三相量看成是三組不同的對(duì)稱三相量之和，在線性電路中，應(yīng)用疊加原理，對(duì)這三組對(duì)稱分量分別按對(duì)稱三相電路去解，然后將其結(jié)果疊加起來(lái)。這種方法就叫做對(duì)稱分量法。本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第14頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分

（a）正序分量

（b）負(fù)序分量

（c）零序分量

圖3-1三相不對(duì)稱相量所對(duì)應(yīng)的三組對(duì)稱分量

本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第15頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第16頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第17頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分二、對(duì)稱分量法在不對(duì)稱故障計(jì)算中的應(yīng)用本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第18頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分圖3-5利用對(duì)稱分量法分析電力系統(tǒng)的不對(duì)稱短路本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第19頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分

對(duì)正序網(wǎng)絡(luò)：對(duì)負(fù)序網(wǎng)絡(luò)：

對(duì)零序網(wǎng)絡(luò)：

本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第20頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分

各序一相等值網(wǎng)絡(luò)為：（a）正序等效網(wǎng)絡(luò)；（b）負(fù)序等效網(wǎng)絡(luò)；（c）零序等效網(wǎng)絡(luò)圖3-6正序、負(fù)序和零序等效網(wǎng)絡(luò)本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第21頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分

對(duì)任意系統(tǒng)，其短路點(diǎn)各序電壓和電流均滿足以下關(guān)系式：

該式說(shuō)明了各種不對(duì)稱故障時(shí)出現(xiàn)的各序電流和電壓之間的相互關(guān)系，表示了不對(duì)稱故障的共性。

對(duì)各種不對(duì)稱故障都適用。本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第22頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分三、

應(yīng)用對(duì)稱分量法計(jì)算電力系統(tǒng)不對(duì)稱故障的步驟

（1）計(jì)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(luò)；

（3）由各序網(wǎng)絡(luò)和故障條件列出對(duì)應(yīng)方程；

（4）從聯(lián)立方程組解出故障點(diǎn)電流和電壓的各序分量，將相應(yīng)的各序分量相加，以求得故障點(diǎn)的各相電流和各相電壓；

（5）計(jì)算各序電壓和各序電流在網(wǎng)絡(luò)中的分布，進(jìn)而求出各指定支路的各相電流和指定節(jié)點(diǎn)的各相電壓。本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第23頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分

在制定各序網(wǎng)絡(luò)時(shí)，必須先了解系統(tǒng)的接線，接地中性點(diǎn)的分布狀況以及各元件的各序參數(shù)和等值電路；進(jìn)而再分別各序，由短路點(diǎn)開(kāi)始，查明序電流在網(wǎng)絡(luò)中的流通情況，以確定各序網(wǎng)絡(luò)的組成元件及其網(wǎng)絡(luò)的具體連接。1-4電力系統(tǒng)相序網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成

本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第24頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分

一、

正序網(wǎng)絡(luò)

正序網(wǎng)絡(luò)就是通常用以計(jì)算對(duì)稱三相短路時(shí)的網(wǎng)絡(luò)，流過(guò)正序電流的全部元件的阻抗均用正序阻抗表示。正序電動(dòng)勢(shì)就是發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)。

二、

負(fù)序網(wǎng)絡(luò)

組成負(fù)序網(wǎng)絡(luò)的元件與組成正序網(wǎng)絡(luò)的元件完全相同，各元件的阻抗要用負(fù)序參數(shù)表示。發(fā)電機(jī)及各種旋轉(zhuǎn)電機(jī)的負(fù)序阻抗與正序阻抗不同，其他靜止元件的負(fù)序阻抗等于正序阻抗。本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第25頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分三、零序網(wǎng)絡(luò)（1）

不包含電源的電動(dòng)勢(shì)。各元件的阻抗均應(yīng)以零序參數(shù)

表示；（2）

繪制等值網(wǎng)絡(luò)時(shí)，只能把有零序電流通過(guò)的元件包括

進(jìn)去，而不通過(guò)零序電流的元件，則應(yīng)統(tǒng)統(tǒng)舍去；（3）只有當(dāng)和短路點(diǎn)直接相連的網(wǎng)絡(luò)中至少有一個(gè)接地中

性點(diǎn)時(shí)，才可以形成一個(gè)零序回路。如果與短路點(diǎn)直

接相連的網(wǎng)絡(luò)中有好幾個(gè)接地的中性點(diǎn)，那么便有好

幾個(gè)零序電流的并聯(lián)支路。（4）變壓器繞組的接法對(duì)零序電流的通行路徑有很大影響。（5）連在發(fā)電機(jī)或變壓器中性點(diǎn)的元件，其阻抗值擴(kuò)大為

三倍；（6）平行線路中應(yīng)計(jì)及零序互感的影響。本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第26頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第27頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分簡(jiǎn)單不對(duì)稱故障的分析計(jì)算

本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第28頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分4-1

概述

簡(jiǎn)單不對(duì)稱故障:僅在一處發(fā)生短路或斷線的故障?？煞譃槎悾?/p>

（1）橫向不對(duì)稱故障：兩相短路、單相接地短路、兩相接地短路；其特點(diǎn)為由系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的某一點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)）和公共參考點(diǎn)（接地點(diǎn)）構(gòu)成故障端口。

（2）縱向不對(duì)稱故障：一相斷線、二相斷線；其特點(diǎn)為由電力網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)高電位點(diǎn)之間構(gòu)成故障端口。分析方法：

（1）解析法：聯(lián)立求解三序網(wǎng)絡(luò)方程和故障邊界條件方程；

（2）借助于復(fù)合序網(wǎng)進(jìn)行求解。本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第29頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分4-2

橫向不對(duì)稱故障的分析計(jì)算

圖4－1系統(tǒng)接線圖本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第30頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分

圖4－2正、負(fù)、零序等值網(wǎng)絡(luò)圖

本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第31頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分一、二相短路（bc兩相短路）

圖4-3兩相短路時(shí)的系統(tǒng)接線圖本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第32頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分（一）故障邊界條件：轉(zhuǎn)換為對(duì)稱分量：

所以

本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第33頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分又即

所以故障邊界條件方程為本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第34頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分（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(diǎn)電流、電壓各序分量為：短路點(diǎn)的各序復(fù)數(shù)功率為：本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第35頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分故障處各相電流電壓為：

當(dāng)故障點(diǎn)遠(yuǎn)離發(fā)電機(jī)時(shí)，可認(rèn)為

，此時(shí)

本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第36頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分（2）復(fù)合序網(wǎng)法由故障邊界條件：

可知序網(wǎng)連接方式為：圖4－4兩相短路時(shí)的序網(wǎng)及復(fù)合序網(wǎng)圖本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第37頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分（三）故障點(diǎn)電流電壓向量圖：

圖4－5兩相短路時(shí)短路處的電壓電流相量圖本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第38頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分

(四)兩相短路的基本特點(diǎn)：

（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(duì)值相等，方向相反，數(shù)值上為正序電流的

倍；

（3）當(dāng)在遠(yuǎn)離發(fā)電機(jī)的地方發(fā)生兩相短路時(shí)，可通過(guò)對(duì)序網(wǎng)進(jìn)行三相短路計(jì)算來(lái)近似求兩相短路的電流；

（4）

兩相短路時(shí)的正序電流在數(shù)值上與在短路點(diǎn)加一個(gè)附加阻抗

構(gòu)成一個(gè)增廣正序網(wǎng)而發(fā)生三相短路時(shí)的電流相等。即

（5）

短路點(diǎn)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。本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第39頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分二

、

單相接地短路（A相）

圖4-6單相接地短路時(shí)系統(tǒng)接線圖本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第40頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分（一）故障邊界條件：

轉(zhuǎn)換為對(duì)稱分量：

注：A相短路選基準(zhǔn)相為A相，B相短路選基準(zhǔn)相為B相，C相短路選基準(zhǔn)相為C相。本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第41頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分（二）復(fù)合序網(wǎng)本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第42頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分短路處各序功率為：

短路點(diǎn)各相電流電壓為：

本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第43頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分（三）向量圖：（假定阻抗為純電抗）圖4－8單相接地短路處的電壓電流相量圖本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第44頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分（四）基本特點(diǎn)：（1）短路點(diǎn)各序電流大小相等，方向相同。（2）短路點(diǎn)正序電流大小與短路點(diǎn)原正序網(wǎng)絡(luò)上增加一個(gè)附加阻抗而發(fā)生三相短路時(shí)的電流相等。（3）短路點(diǎn)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(dāng)有本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第45頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分

三、

兩相接地短路（bc相接地）

圖4－9兩相接地短路時(shí)的系統(tǒng)接線圖本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第46頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分（一）故障邊界條件：

轉(zhuǎn)換為對(duì)稱分量，有注意：bc相接地短路故障時(shí)，a相為基準(zhǔn)相；ca相接地短路故障時(shí)，b相為基準(zhǔn)相；ab相接地短路故障時(shí)，c相為基準(zhǔn)相。本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第47頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分（二）復(fù)合序網(wǎng)本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第48頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分故障點(diǎn)各相電氣量為：

當(dāng)

為純電抗時(shí)，兩故障相電流為：

本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第49頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分將代入上式，并取絕對(duì)值，整理后可得：

兩相接地短路時(shí)，流入地中的電流為故障處各相電壓為

本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第50頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分（三）向量圖：

圖4-11兩相接地短路處電壓電流相量圖本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第51頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分（四）基本特點(diǎn)：(1)

短路處正序電流與在原正序網(wǎng)絡(luò)上增接一個(gè)附加阻抗

后而發(fā)生三相短路時(shí)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

的不同而不同。(4)流入地中的電流等于兩故障電流之和本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第52頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分

四、

幾點(diǎn)結(jié)論

1.正序等效定則：不對(duì)稱短路故障時(shí)故障支路的正序分量電流，等于故障點(diǎn)每相加上一個(gè)附加阻抗后發(fā)生三相短路的電流。

其中

故障前故障點(diǎn)基準(zhǔn)相的運(yùn)行相電壓；

與短路點(diǎn)故障類型有關(guān)的阻抗：；本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第53頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分

2.關(guān)于基準(zhǔn)相的選擇

在短路故障中，一般選故障時(shí)故障處三相中的特殊相作為基準(zhǔn)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(zhǔn)相后，同一類型短路故障發(fā)生在不同相上時(shí)，基準(zhǔn)相的序分量條件不會(huì)改變，于是復(fù)合序網(wǎng)的形式不會(huì)改變，計(jì)算公式、結(jié)論不會(huì)改變，只是表達(dá)式中下腳符號(hào)改變而已。本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第54頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分

例如：b相單相接地短路，b相為特殊相。若選b相為基準(zhǔn)相，則邊界條件為：若仍選a相為基準(zhǔn)相，則邊界條件為：

出現(xiàn)了

，使算式和復(fù)合序網(wǎng)的連接復(fù)雜化。

本文檔共66頁(yè)；當(dāng)前第55頁(yè)；編輯于星期一\17點(diǎn)39分

3.關(guān)于復(fù)合序網(wǎng)

(1)

電力系統(tǒng)某一故障點(diǎn)的正序網(wǎng)絡(luò)、負(fù)序網(wǎng)絡(luò)、零序網(wǎng)絡(luò)，屬于基本序網(wǎng)，與故障類型、相別無(wú)關(guān)。但由各序網(wǎng)組合成的復(fù)合序網(wǎng)與短路故障的類型、相別有關(guān)。(2)

串連型故障：其復(fù)合序網(wǎng)由三個(gè)獨(dú)立的

序網(wǎng)絡(luò)相串連而成。如單相接地短路。

并聯(lián)型故障：其復(fù)合序網(wǎng)由三個(gè)獨(dú)立的序網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)而成。如