電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座

第二章電力系統(tǒng)故障分析電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第1頁第一節(jié)標幺制

一、標幺值定義：二、基準值選取選定各基準值之間應符合各種三相電路定律：如：前兩式相除：類似單相電路電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第2頁只需選擇兩個基準值：SB(MVA)、UB(kV)則：三、基準值改變時標幺值換算電力系統(tǒng)各電氣設備阻抗參數是以其本身額定值為基準值標幺值（或百分值）。電力系統(tǒng)計算時，必須取統(tǒng)一基準值。對電抗X：則：電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第3頁四、變壓器聯(lián)絡不一樣電壓等級網絡中各元件參數標幺值計算１．準確計算法選定電網功率基準值SB和基本電壓級電壓基準值UB。方法１：各元件參數有名值歸算至基本電壓級，以SB和UB求各元件標幺值。方法２：由基本電壓級電壓基準值UB，按連接不一樣電壓等級變壓器實際變比，計算出其它各電壓等級電壓基準值，各元件參數無需歸算至基本電壓級，直接以SB和其所在電壓等級電壓基準值，換算到標幺值。推薦使用方法２２．近似計算法忽略變壓器實際變比，假定變壓器變比為各電壓等級平均額定電壓之比。各電壓等級平均額定電壓：（約為電網額定電壓1.05倍）電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第4頁電網額定電壓（kV）361035110220330500平均額定電壓（kV）

3.156.310.537115230345525則：電網中各電壓等級電壓基準值為各自平均額定電壓。對發(fā)電機分析我們得知，采取現在通用方法，發(fā)電機各種電抗只有采取標么值才符合其理論基礎，所以凡包括發(fā)電機電抗時，必須采取標么值計算。在短路時，我們知道電網電壓主要取決于短路種類和距離短路點電氣距離，所以在短路計算中，采取標么值近似計算法。又因為短路電流遠遠遠遠大于對地支路功率造成電流，故對地支路忽略。高壓電網電阻遠小于電抗，高壓電網電阻忽略。電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第5頁系統(tǒng)主要元件電抗標么值計算方法（≈后為近似計算法）１．發(fā)電機：銘牌給出額定電壓UN、額定容量SN、以額定值為基準值電抗標幺值。２．變壓器：銘牌給出額定電壓UN、額定容量SN、短路電壓百分數Us%（Uk%、Ud%）。３．電抗器：銘牌給出額定電壓UN、額定電流IN、電抗電壓百分數XR%。４．線路：普通已知單位長度電抗x，線路長度l。

電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第6頁例：用近似計算法求如圖電力系統(tǒng)等值電路參數標幺值。解：?。喊l(fā)電機：變壓器T-1：

110kV線路：

電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第7頁變壓器T-2：

電抗器：

6kV電纜：電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第8頁無限大系統(tǒng)三相短路無限大系統(tǒng)特點理想電壓源：短路前后電源電壓不變，無內阻抗，無頻率改變，無限容量。系統(tǒng)短路前：

系統(tǒng)短路后：短路后電感電流不能突變電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第9頁短路前空載，時發(fā)生短路，非周期分量起始值到達最大值短路前空載，時發(fā)生短路，非周期分量起始值到達最小值電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第10頁沖擊電流和最大有效值電流：短路前后，交流電流瞬時值普通不一樣，而電感元件電流不能突變。則短路后電路應感應出短路電流非周期分量，該分量按指數衰減。非周期分量起始值越大，短路電流總電流瞬時值越大。非周期分量起始值最大情況下最大瞬時值電流，我們稱為短路沖擊電流；其全電流在以沖擊電流為中心一個周期內有效值，我們稱之為最大有效值電流。在工程計算中：沖擊電流：（KM：沖擊系數，普通取KM=1.8~1.9）當短路發(fā)生在大容量發(fā)電機（12MW以上）供電母線上，KM=1.9；當短路發(fā)生在其它地點，則KM=1.8最大有效值電流：

電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第11頁第二節(jié)三相短路

一、次暫態(tài)短路電流（短路電流周期分量起始值）實用計算1．次暫態(tài)短路電流我們結構發(fā)電機次暫態(tài)電勢：認為發(fā)電機在短路前后瞬間保持不變，作為短路計算時發(fā)電機等值電勢。而以發(fā)電機直軸次暫態(tài)電抗xd”作為短路時發(fā)電機等值電抗。發(fā)電機機端至故障點電抗為xe則次暫態(tài)短路電流：電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第12頁對于負荷，我們依據情況有各種處理方式：①電動機負荷作為短路電流提供者當系統(tǒng)負荷為異步電動機時，異步電動機可能向短路點提供短路電流，其機理類似于發(fā)電機或調相機。因為正常運行時，負荷電流總是流向電動機，故：（x”為電動機次暫態(tài)電抗）則只有短路后機端電壓小于E”時電動機才送出短路電流。普通工程中只考慮，當三相短路發(fā)生在大容量電動機機端時，該電動機提供短路電流。電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第13頁②負荷不作為短路電流提供者普通當三相短路不發(fā)生在大容量電動機機端時，均不將負荷作為短路電流提供者。對故障前負荷：考慮：由歐姆定律計算各電源E|0|”，即是考慮了正常情況下負荷影響。不考慮：因正常負荷電流遠遠小于短路電流，則認為故障前空載?？蛰d時，全網各處電壓、電勢相等，則各電源次暫態(tài)電勢等于故障點未故障時電壓。即：更深入假設：正常運行時，各點電壓、電勢均運行于平均額定電壓附近。有：電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第14頁對故障后負荷：考慮：將其作為恒定阻抗，并計入系統(tǒng)總阻抗。如故障前，某負荷為P+jQ，運行電壓為UD|0|。其阻抗：不考慮：認為負荷阻抗為無窮大。（負荷阻抗普通遠大于線路、變壓器等元件電抗）

電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第15頁以下列圖所表示系統(tǒng)在f點三相短路為例：當故障前后均不考慮負荷時，對電網進行化簡：則：當采取假設：，有：即系統(tǒng)中任何一點發(fā)生三相短路，短路電流標幺值為從該點看進去全網總阻抗倒數。上述結論含有普遍意義。

電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第16頁2．短路容量電力系統(tǒng)短路電流水平，通慣用短路容量（短路功率）表示。短路容量定義為：某點發(fā)生三相短路時次暫態(tài)電流乘以該點額定電壓。其有名值公式：用平均額定電壓代替UN：即采取標幺值時：電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第17頁3．沖擊電流和最大有效值電流：短路前后，交流電流瞬時值普通不一樣，而電感元件電流不能突變。則短路后電路應感應出短路電流非周期分量，該分量按指數衰減。非周期分量起始值越大，短路電流總電流瞬時值越大。非周期分量起始值最大情況下最大瞬時值電流，我們稱為短路沖擊電流；其全電流在以沖擊電流為中心一個周期內有效值，我們稱之為最大有效值電流。在工程計算中：沖擊電流：（KM：沖擊系數，普通取KM=1.8~1.9）當短路發(fā)生在大容量發(fā)電機（12MW以上）供電母線上，KM=1.9；當短路發(fā)生在其它地點，則KM=1.8最大有效值電流：

電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第18頁例：電力系統(tǒng)及參數如圖所表示：當電廠110kv高壓母線發(fā)生三相短路時，求故障點次暫態(tài)電流、沖擊電流，以及此時發(fā)電機機端電壓。解：取

電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第19頁二、應用運算曲線求任意時刻短路點短路電流（交流分量有效值）發(fā)電機短路后，因為其內部復雜電樞反應，其短路電流交流分量是衰減，再考慮短路后發(fā)電機強行勵磁使得短路一定時間后，短路電流較無強行勵磁時有增大，故理論計算幾乎不可能。故采取運算曲線方法求任意時刻短路電流。1．運算曲線制作制作運算曲線網絡圖：短路前，發(fā)電機以額定電壓和額定功率運行，50%負荷接在變壓器高壓母線，50%負荷接在短路點外。改變xL模擬不一樣電氣距離時三相短路，統(tǒng)計不一樣時刻短路電流。電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第20頁

對應不一樣時刻，以計算電抗（發(fā)電機額定值為基準標幺值）為橫坐標，以該時刻三相短路電流標幺值If（發(fā)電機額定值為基準值）為縱坐標，得該發(fā)電機運算曲線。按我國電力系統(tǒng)統(tǒng)計汽輪發(fā)電機、水輪發(fā)電機參數，逐臺計算在不一樣xL條件下某時刻t短路電流，然后取平均值，得運算曲線（一套為汽輪發(fā)電機、一套為水輪發(fā)電機）。（見附表）

電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第21頁2．應用運算曲線計算短路電流方法①求各電源對短路點轉移阻抗利用運算曲線計算短路電流時，將各發(fā)電機用xd”作為等值電抗，不計網絡中負荷。（制作運算曲線時已近似考慮負荷影響）。對等值電路圖進行化簡，消去除電動勢節(jié)點和短路點以外全部節(jié)點，而不經任何中間節(jié)點，直接連接發(fā)電機電勢與短路點電抗，即該電源對短路點轉移阻抗。②求各電源計算電抗xjs：轉移阻抗是以系統(tǒng)SB為基準值標幺值。而運算曲線中電抗為以發(fā)電機額定值SN為基準值標幺值，故轉移阻抗需按SN歸算為計算電抗xjs。③查運算曲線，得以發(fā)電機額定值為基準值各電源送至短路點電流標幺值。④上步各電流有名值之和，即為短路點電流。電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第22頁注意：短路計算時，電源分為發(fā)電機（包含有限大系統(tǒng)）與無限大系統(tǒng)兩類。無限大電源含義：電源電壓、頻率恒定；內阻為0（短路時，若電源內阻抗小于短路回路總阻抗10%，可近似認為是無限大電源）。而無限大電源提供短路電流周期分量是不衰減。其計算任意時刻短路電流即次暫態(tài)電流，（xsf：無限大電源至故障點轉移阻抗）。

例：電力系統(tǒng)如圖所表示：當取SB=100MVA、UB=Uav時，各元件電抗標幺值為：

xd”=0.048、xT=0.042，

xL1=0.06，xL2=0.03，求f點發(fā)生三相短路后t=0.4s時故障點短路電流周期分量有名值。

電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第23頁解：查表得t=0.4s時：

電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第24頁第三節(jié)不對稱短路

一、對稱分量法三相不對稱電流、電壓，可將它們分解，有所謂正序、負序、零序電流、電壓。電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第25頁復數運算因子α：有：

電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第26頁二、對稱分量法在不對稱短路中應用以電網f點發(fā)生a相金屬性單相接地為例：故障點有對地不對稱電流、電壓：

電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第27頁任何不對稱短路在故障點均產生不對稱電流、電壓，將其分解為三序分量：

電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第28頁將電網分解為三序網（電源電抗計入電網總阻抗）：正序網：只有正序電流、電壓（電源只有正序電勢）

負序網：只有負序電流、電壓（電源無負序電勢）

電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第29頁零序網：只有零序電流、電壓（電源無零序電勢）正序網中：正序電壓、電流三相對稱，可取其單相等值電路進行分析。另：發(fā)電機電勢在近似分析中，取故障點正常運行時電壓。

電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第30頁負序網中：負序電壓、電流三相對稱，可取其單相等值電路進行分析。另：發(fā)電機無負序電勢，負序網無源。零序網中：零序電壓、電流三相大小相等，方向相同，可取其單相等值電路進行分析。另：發(fā)電機無零序電勢，零序網無源。

電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第31頁三、三序電網

上面xΣ1、xΣ2、xΣ0、為電網三序總電抗，經過作三序網等值電路求取。正序網：對于一個電力系統(tǒng)，故障發(fā)生時，正序電流流通路徑組成了正序網，正序網與三相短路時（正常運行時）等值電路相同，且各元件參數也相同。負序網：故障發(fā)生時負序電流流通路徑組成了負序網，負序網結構與正序網相同（負序網無源）。靜止元件負序參數與正序參數完全相同旋轉元件負序參數與正序參數有所不一樣。

對于一個電力系統(tǒng)而言，往往我們近似認為系統(tǒng)正序總阻抗與負序總阻抗相等，即xΣ1=xΣ2。

電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第32頁零序網：故障發(fā)生時零序電流流通路徑組成了零序網，因為零序電流三相大小相等、方向相同，并非三相對稱交流，故零序網結構與正序網有很大不一樣，只有在中性點有效接地系統(tǒng)，即只有在設備接成星形接地接法時，零序電流才得以流通，而在中性點不接地系統(tǒng)，零序電流沒有流通回路。各元件零序阻抗，也與正序參數不盡相同。電力系統(tǒng)中，變壓器接線形式對零序網結構有很大影響，當然，只有星接地接法變壓器可能流通零序電流。電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第33頁YN,yn變壓器電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第34頁零序總電抗為：非三相三柱式變壓器：

（xm0=∞）

電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第35頁YN,y變壓器

非三相三柱式：

xT0=∞

電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第36頁YN,d變壓器

非三相三柱式：

電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第37頁三繞組變壓器和自耦變壓器（中性點直接接地）能夠看成兩個雙繞組變壓器組合因為三繞組變壓器，為消除三次諧波磁通影響，普通總有一個d繞組，自耦變當連接三個電壓等級時，為YN,a0,d接線，故均能夠不計入xm0。

YN,yn,d：電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第38頁YN,a0,d：

YN,yn,d、YN,a0,d零序電路電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第39頁YN,y,d：零序電路電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第40頁YN,d,d：零序電路電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第41頁變壓器中性點經小阻抗zn接地

雙繞組及三繞組變壓器

電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第42頁YN,a0,d自耦變中性點經小阻抗zn接地

（UIN，UIIN為變壓器YN側及a側額定電壓）電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第43頁線路零序電抗線路零序電抗，總是大于其正序電抗。建成線路普通經過實測取得。不對稱接地短路發(fā)生在雙回線線中

xI-II0：雙回線單位長度零序互阻抗

xIσ0、xIIσ0：雙回線各自單位長度零序自阻抗電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第44頁舉例說明電網在f點發(fā)生不對稱接地短路時三序網電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第45頁正序網：負序網：電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第46頁零序網：電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第47頁四、不對稱短路分析

依據前述三序網，很方便寫出序網方程三序序網方程

電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第48頁a相金屬性單相接地

邊界條件為：三序條件下邊界條件：電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第49頁復合序網圖故障點三序電流：故障點三序電壓：三序變換為三相求故障點故障相電流和非故障相電壓電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第50頁故障相電流分析：考慮電網有xΣ1=xΣ2，對比單相短路和三相短路故障相電流取

（中性點不接地系統(tǒng)）電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第51頁系統(tǒng)零序總阻抗大于正序總阻抗時，單相接地短路電流小于三相短路；系統(tǒng)零序總阻抗小于正序總阻抗時，單相接地短路電流大于三相短路；電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第52頁非故障相電壓分析：零序總阻抗大于正序總阻抗，非故障相電壓上升零序總阻抗小于正序總阻抗，非故障相電壓下降電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第53頁a相金屬性接地電流、電壓相量圖：電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第54頁兩相短路（bc兩相金屬性短路）

邊界條件為：三序條件下邊界條件：電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第55頁復合序網圖

故障點三序電流：故障點三序電壓：電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第56頁故障相電流分析

考慮電網有xΣ1=xΣ2，并對比兩相短路和三相短路故障相電流則兩相短路電流小于三相短路，為三相短路電流倍。

電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第57頁電壓分析（xΣ1=xΣ2）

非故障相：非故障相電壓故障前后保持不變。故障相：故障相電壓較故障前后降低二分之一。

電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第58頁bc兩相金屬性短路電流、電壓相量圖

電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第59頁兩相短路接地

（bc兩相金屬性短路接地

）

邊界條件為：三序條件下邊界條件：電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第60頁復合序網圖

故障點三序電流：故障點三序電壓：電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第61頁故障相電流分析（當各序阻抗為純電抗，且xΣ1=xΣ2）?。弘娏ο到y(tǒng)故障分析專題知識講座第62頁系統(tǒng)零序總阻抗大于正序總阻抗時，兩相接地短路電流小于三相短路；系統(tǒng)零序總阻抗小于正序總阻抗時，兩相接地短路電流大于三相短路；流入大地電流：

（中性點不接地系統(tǒng)）電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第63頁非故障相電壓分析

系統(tǒng)零序總阻抗大于正序總阻抗時，兩相短路接地后非故障相電壓上升；系統(tǒng)零序總阻抗小于正序總阻抗時，兩相短路接地后非故障相電壓下降；電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第64頁bc金屬性兩相短路接地電流、電壓相量圖

電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第65頁正序增廣網列舉以上四種短路時正序電流公式：

電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第66頁統(tǒng)一以上四種短路正序電流公式：

xΔ：不一樣短路時附加電抗。三相短路f(3)

：xΔ=0單相短路f(1)

：xΔ=xΣ2+xΣ0兩相短路f(2)

：xΔ=xΣ2兩相短路接地f(1,1)：xΔ=xΣ2//xΣ0依據上式可作正序增廣網：

電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第67頁

正序等效標準：電網中f點發(fā)生短路正序電流，相當于正序網中在f點經附加電抗xΔ后發(fā)生三相短路電流。利用正序增廣網能夠應用運算曲線求不對稱短路后任意時刻短路電流。求出正序電流后，可依據：求故障相短路電流。

短路類型

xΔM

三相短路0

1

兩相短路接地xΣ2//xΣ0兩相相間短路xΣ2單相短路xΣ2+xΣ03

電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第68頁非故障處電流、電壓經過求得故障點三序電流，經過三序網等值電路，能夠計算各序網中任意處各序電流、電壓。正序網：故障點正序電壓為全網最低（其中三相短路時為0），而各電源處正序電壓最高。負序網，故障點負序電壓為全網最高點，而在電源處，負序電壓為0。零序網，故障點零序電壓為全網最高點，而在YN,d變壓器d側，零序電壓為0。電力系統(tǒng)故障分析專題知識講座第69頁

若故障點和計算處之間有星形/三角形連接變壓