第七章 電力系統(tǒng)故障的基本知識

第七章電力系統(tǒng)故障的基本知識

及三相短路分析本章內(nèi)容第一節(jié)電力系統(tǒng)故障的基本知識；第二節(jié)無限大容量電源供電系統(tǒng)的三相

短路分析；第三節(jié)同步發(fā)電機供電系統(tǒng)的三相短路分

析；

第四節(jié)電力系統(tǒng)三相短路的實用計算。第一節(jié)電力系統(tǒng)故障的基本知識一、故障的分類電力系統(tǒng)短路故障1.三相對稱短路2.單相接地短路

3.兩相短路

4.兩相接地短路

1.斷一相故障2.斷兩相故障電力系統(tǒng)斷線故障又稱橫向故障又稱縱向故障屬不對稱故障電力系統(tǒng)的故障簡單故障復合故障電力系統(tǒng)中某一處發(fā)生短路和斷相故障的情況兩個以上簡單故障的組合電力系統(tǒng)正常運行情況以外的相與相之間或相與地之間的連接?！獧M向故障理解：正常運行之內(nèi)的……連接。

在電力系統(tǒng)中，正常運行時，相與相或相與地之間的連接都要通過用電設備，如電動機、電燈等，不連接用電設備的地方應當是相互絕緣的。二、短路故障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)不對稱短路對稱短路1、短路的分類2、短路的原因外部原因雷擊、風暴、動物污染人為誤操作（如檢修后，不拆地線就接電）

內(nèi)部原因

絕緣老化3、短路的危害

電流危害

機端短路電流：額定電流的10－15倍：

發(fā)熱：線路發(fā)熱、短路點電弧發(fā)熱燒毀設備

電動力：導體變形，損壞設備

電壓危害

電壓降低：短路相短路點附近電壓降低；電壓升高：可能致其他項電壓升高。要求設備有足夠的熱穩(wěn)定度要求設備有足夠的動穩(wěn)定度

穩(wěn)定性危害

短路導致能量送出受限——發(fā)電機的輸入功率和輸出功率不平衡——時間較長，會造成發(fā)電機失步——穩(wěn)定破壞，引起大面積停電。

通訊危害

不對稱接地短路——不平衡電流——不平衡磁通——通信電路感應電動勢——通信干擾4、

短路的應對

快速切除故障（繼電保護設備）

快速恢復線路供電（自動重合閘）降低短路發(fā)生概率（規(guī)程、制度）

及時清理污染，防止誤操作等。5、短路計算的內(nèi)容及意義內(nèi)容：

短路沖擊電流(短路后的最大電流瞬時值)

——檢驗設備動穩(wěn)定性

最大有效值電流（短路后電流的最大有效值）——檢驗斷路器開斷能力、熱穩(wěn)定性意義電力系統(tǒng)設計基礎

選擇電氣接線、電氣設備和載流導體的依據(jù)

配置繼保裝置并整定其參數(shù)的依據(jù)限制短路電流措施的依據(jù)電力系統(tǒng)正常運行情況以外的同相之間斷開連接的故障。——縱向故障正常運行斷線運行（非全相運行）分析方法與短路分析相似！三、斷線故障第二節(jié)無限大容量電源供電系統(tǒng)的三相短路分析；一、短路的一般化理解電力系統(tǒng)抽象：G~G~G~…………電網(wǎng)發(fā)電機負荷一、短路的一般化理解若系統(tǒng)任意某點f發(fā)生短路：KZaZbZc三相短路：f點短路可看作在f點接一特殊的用電設備：兩相（B、C相）短路：fG~G~G~…………fKZaZbZcf點短路可看作在f點接一特殊用電設備：兩相（B、C相）短路接地：單相（A相）短路：即：不同類型的短路，相當于在短路點接一各相阻抗值不同，中心點接地方式不同的三相負載！二、無限大容量電源定義：理想交流電源——容量無限大：頻率恒定——內(nèi)阻抗0：短路前后電源端口電壓幅值實際：電力系統(tǒng)中的電源為同步發(fā)電機，并

非理想交流電源。真正的無限大容量

電源在現(xiàn)實中不存在。fG~G~G~…………f對短路而言，短路點以內(nèi)的整個系統(tǒng)可以看作是一個等值電源（戴維南等效）。實際系統(tǒng)近似若：系統(tǒng)中電源很多，且短路點距離各個電源的電氣距離較遠?！喈斢谒须娫床⒙?lián)向短路點供電。則：此時由短路所引起的送出功率的變化量ΔS遠小于總電源的容量S，則可近似認為該系統(tǒng)為無限大容量電源。判斷一個電源（系統(tǒng)）能否作為無限大容量電源的依據(jù)：

以供電電源的內(nèi)阻抗與短路回路的總阻抗的相對大小來判斷。通常，當二者的比值小于10%時，可認為該供電電源（系統(tǒng)）為無限大容量電源。三、無限大容量電源三相短路暫態(tài)過程分析（1）簡單無限大電源供電系統(tǒng)三相電源三相線路三相負載（2）短路前（穩(wěn)態(tài)運行時）電流分析電流：其中：（2）三相短路過程中電流分析

特征：對于無限大容量電源系統(tǒng)，發(fā)生短路過程中，由于電源端口的電壓和頻率保持不變，因此，可忽略電源內(nèi)部的暫態(tài)過程。ia=？ib=？ic=？直流分量交流分量短路后全電流A相全電流波形圖短路前全電流C直流分量初始值C等于短路前交流分量初始值減去短路后交流分量初始值，以保證短路前后電流恒定短路后電流最大值？短路后電流波形是什么樣的？I短路后電流的數(shù)學分析：①因三相對稱，取A相分析：②利用微分方程定義瞬態(tài)：ia=？該式描述了電流隨時間的變化關系。③求解該微分方程，可得：全電流表達式：其中：特解：通解：強制分量(交流分量)自由分量(直流分量)未知量短路前后電流不突變④

求解C？假定t0＝0時刻發(fā)生短路依據(jù)：可得：含義：短路前電流強制分量的瞬時值和短路后電流強制分量的瞬時值之差⑤寫出全電流形式全電流表達式：強制分量(交流分量)自由分量(直流分量)只與A相相差240度⑥三相全電流表達式全電流表達式：只與A相相差120度⑦Ta的數(shù)量級由于：直流分量大約3~5個波形周期即衰減至0.故：直流分量經(jīng)過3*0.02=0.06秒左右即衰減完畢。II短路后電流的圖形分析：以A相為例：ia=？電路圖：全電流表達式：直流分量交流分量短路后全電流A相全電流波形圖短路前全電流C直流分量初始值C等于短路前交流分量初始值減去短路后交流分量初始值，以保證短路前后電流恒定III短路沖擊電流分析①定義：在最嚴重短路情況下的短路電流最大瞬時值直流分量短路后全電流短路前全電流C交流分量判斷：由上圖可看出，直流分量初始值越大，短路后的電流瞬時值越大根據(jù),直流分量初始值公式：

②產(chǎn)生條件：可知，|C|最大的條件：

短路前空載由于X>>R，故,得：意味著：此時電壓過零。也是，沖擊電流產(chǎn)生的條件！②產(chǎn)生條件：全電流短路后半個周期：T/2短路前空載電壓過零點③短路沖擊電流發(fā)生的時間點：全電流表達式：沖擊電流的條件：

④短路沖擊電流的數(shù)學描述：把條件帶入全電流表達式，可得沖擊電流表達式：

沖擊電流表達式：

其中：

稱之為沖擊系數(shù)

可看出，該系數(shù)由Ta決定，也就是與線路回路中的電抗與電阻的相對值大小有關。

在實際系統(tǒng)中：

一般取1.8~1.9，

1）發(fā)電機低壓母線短路2）發(fā)電廠高壓母線后短路3）其他地點短路：短路沖擊電流的作用：檢驗設備動穩(wěn)定性IV短路電流的最大有效值結(jié)論：由上圖（沖擊電流示意圖）可看出，短路后第

一個周期內(nèi)的電流有效值最大。因此，短路電流的最大有效值即為短路后第一個周期內(nèi)的電流有效值全電流短路后半個周期：T/2短路前空載電壓過零點計算公式如下：短路電流最大有效值作用：檢驗電氣設備的斷流能力。V例題分析①沖擊電流和短路電流最大有效值的計算，參閱教材例8-1②A、B、C三相是否會同時發(fā)生沖擊電流？

答：不會。因為三相直流分量的初始值不會同時最大。③三相短路后，中心點如果接地，是否會有電流？

答：在中心點和地之間，任一時刻均沒有對地電流。

即任一時刻，三相全電流之和為0。④三相短路后，A、B、C三相直流分量之和是否為0？

答：在任一時刻均為0。因為系統(tǒng)三相對稱，三相全電流之和為零，而其中周期分量之和也為零，故三相直流分量之和也為0。第三節(jié)同步發(fā)電機端口突然三相

短路分析A相全電流波形圖短路前全電流波形直流分量交流分量短路后全電流波形一、短路后的電流波形圖及特征（1）定子基頻電流波形：

波形特征分析：

可分解為交流分量（強制分量）和直流分量（自有分量）直流分量的初值為短路前交流分量的瞬時值和短路后交流分量的瞬時值之差，即直流分量的出現(xiàn)是為了保證電流不突變交流分量的幅值隨時間逐步衰減至恒定值。

衰減特征：開始衰減快，后來衰減慢，兩個衰減

時間常數(shù)

（2）轉(zhuǎn)子電流波形：

特征：有交流分量也有直流分量

交流分量的幅值逐漸衰減，直至0：衰減時間常數(shù)與定子直流分量時間常數(shù)相同。

直流分量的衰減過程與定子交流分量幅值的衰減過程相同二、同步發(fā)電機短路后內(nèi)部物理過程（1）正常運行電磁過程分析：

電樞磁動勢的交軸分量體現(xiàn)有功；直軸分量體現(xiàn)無功電樞磁動勢的交軸分量變化不會對勵磁線圈磁通產(chǎn)生影響合成磁場決定了發(fā)電機端口電壓？電壓向量（2）端口三相短路過程中的電磁過程分析：

短路后定子電流突然增大，且其磁場主要為直軸磁場，因此導致穿過轉(zhuǎn)子線圈的磁場突然增大。轉(zhuǎn)子感應電流；阻尼線圈感應電流

I、定子電流波形的解釋：

轉(zhuǎn)子勵磁和阻尼線圈感應電流：

按一個時間常數(shù)衰減按另一個時間常數(shù)衰減定子直流電流合成磁動勢空間方向不變，逐漸衰減II、轉(zhuǎn)子勵磁電流波形的解釋：

（1）同步發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行時的電壓源模型：

三、同步發(fā)電機短路后的等值電路穩(wěn)態(tài)電壓源模型：電樞電壓方程：

若：

有：

短路時的電樞磁場反應：①

q軸磁場突然減小->轉(zhuǎn)子加速②d軸磁場突然加大->轉(zhuǎn)子感應電流、阻尼繞組感應電流->定子交流分量幅值衰減③

定子各繞組中心軸磁場變化->定子感應電流

（2）短路時的電壓源模型：

I.無阻尼繞組同步發(fā)電機：

|0|表示短路前瞬時,與（0-）相同直軸磁路圖電樞等值線圈；此處下標a表示電樞I.無阻尼繞組：

交軸等值電路端口到短路點電抗電樞電壓方程：

短路電流簡化：

由：

故：

?。?/p>

得：

暫態(tài)電抗I.無阻尼繞組發(fā)電機：

交軸等值電路發(fā)電機暫態(tài)等值模型：由于暫態(tài)電流只有直軸分量：

故短路電流：

實際中，取：故，發(fā)電機暫態(tài)等值模型：交軸暫態(tài)電動勢虛擬電動勢II.有阻尼繞組發(fā)電機：

|0|表示短路前瞬時,與（0-）相同直軸磁路圖發(fā)電機次暫態(tài)等值模型：實際中，取：故，發(fā)電機暫態(tài)等值模型：交軸等值電路（3）同步電抗、暫態(tài)電抗和次暫態(tài)電抗關系：

（4）短路前、后的發(fā)電機等值模型：

短路前：穩(wěn)態(tài)電壓源模型：短路后：次暫態(tài)電壓源模型：？①次暫態(tài)電勢是由什么決定的？同一勵磁電勢E下，

不同運行狀態(tài)I下的次暫態(tài)電勢相同么？?②穩(wěn)態(tài)計算時，可否用次暫態(tài)模型？

（1）計算內(nèi)容短路沖擊電流：短路沖擊電流有效值：結(jié)論：對同步發(fā)電機，只需計算基頻交流分量第

一個周波（初始值）的有效值。對應最嚴重情況四、同步發(fā)電機系統(tǒng)短路計算因此，一般所說的短路電流計算，就是指短路電流交流分量的初始有效值的計算起始次暫態(tài)電流（2）計算原理Ia=？Ib=？Ic=？以如下圖所示的簡單系統(tǒng)來分析的計算原理三相同步發(fā)電機三相線路三相負載①因三相對稱，可取A相分析：②短路前發(fā)電機的模型發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)