第1章電力系統(tǒng)故障分析的基本知識(shí)

2024/3/191電力系統(tǒng)故障分析的基本知識(shí)2024/3/192基本概念短路：電力系統(tǒng)正常運(yùn)行情況以外的相與相之間或相與地（或中性線）之間的連接。在正常運(yùn)行時(shí)，除中性點(diǎn)外，相與相或相與地之間是絕緣的。短路的類型：三相短路、兩相短路、單相短路、兩相短路接地。單相短路接地最多。分對稱故障和非對稱故障。2024/3/193短路的基本類型對稱故障三相短路不對稱故障單相短路接地兩相相間短路兩相短路接地2024/3/194故障的嚴(yán)重程度電力系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，單相短路接地占大多數(shù)。三相短路時(shí)三相回路依舊是對稱的，故稱為對稱短路；其他幾種短路均使三相回路不對稱，故稱為不對稱短路。上述各種短路均指在同一地點(diǎn)短路，實(shí)際上也可能是在不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生短路，例如兩相在不同地點(diǎn)接地短路，稱為復(fù)雜故障。2024/3/195產(chǎn)生短路的原因電力系統(tǒng)短路故障發(fā)生的原因很多，既有客觀的，也有主觀的，但都是絕緣遭到破壞引起的。1．自然界的破壞：雷擊閃絡(luò)引起過電壓、空氣污染使絕緣子表面載正常工作電壓下放電、鳥獸跨接在裸露的載流部分以及大風(fēng)或覆冰引起架空線桿塔倒塌。2．人為的破壞：運(yùn)行人員帶負(fù)荷拉刀閘，在線路檢修后未拆除地線就加電壓等誤操作，施工挖溝傷電纜，放風(fēng)箏落到高壓線上。3．設(shè)備自身問題：絕緣材料的自然老化，設(shè)計(jì)、安裝及維護(hù)不良所帶來的設(shè)備缺陷發(fā)展成短路等。2024/3/196短路對電力系統(tǒng)的危害對設(shè)備的危害對系統(tǒng)電壓的影響對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響對通信系統(tǒng)的影響2024/3/197短路對對設(shè)備的危害對設(shè)備的危害短路點(diǎn)的電弧燒壞電氣設(shè)備，甚至引起爆炸。短路電流通過電氣設(shè)備中的導(dǎo)體時(shí)，其熱效應(yīng)會(huì)引起導(dǎo)體或其絕緣的損壞。另一方面，導(dǎo)體也會(huì)受到很大的電動(dòng)力的沖擊，致使導(dǎo)體變形，甚至損壞。對系統(tǒng)電壓的影響對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響對通信系統(tǒng)的影響2024/3/198短路對系統(tǒng)電壓的影響對設(shè)備的危害對系統(tǒng)電壓的影響短路還會(huì)引起電網(wǎng)中電壓降低，對用戶影響很大。系統(tǒng)中最主要的電力負(fù)荷是異步電動(dòng)機(jī)，它的電磁轉(zhuǎn)矩同端電壓的平方成正比，電壓下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩顯著減小，轉(zhuǎn)速隨之下降。當(dāng)電壓大幅度下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)甚至可能停轉(zhuǎn)，造成產(chǎn)品報(bào)廢，設(shè)備損壞等嚴(yán)重后果。對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響對通信系統(tǒng)的影響2024/3/199短路對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響對設(shè)備的危害對系統(tǒng)電壓的影響對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響當(dāng)短路發(fā)生地點(diǎn)離電源不遠(yuǎn)而持續(xù)時(shí)間又較長時(shí)，并列運(yùn)行的發(fā)電廠可能失去同步，破壞系統(tǒng)穩(wěn)定，造成大片地區(qū)停電。這是短路故障的最嚴(yán)重后果。對通信系統(tǒng)的影響2024/3/1910短路對通信系統(tǒng)的影響對設(shè)備的危害對系統(tǒng)電壓的影響對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響對通信系統(tǒng)的影響發(fā)生不對稱短路時(shí)所引起的不平衡電流產(chǎn)生的不平衡磁通，會(huì)在鄰近的平行的通信線路內(nèi)感應(yīng)出相當(dāng)大的感應(yīng)電動(dòng)勢，造成對通信系統(tǒng)和鐵路信號系統(tǒng)的干擾，甚至危及設(shè)備和人身的安全。2024/3/1911減少短路對系統(tǒng)的危害措施電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)，采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣斫档桶l(fā)生短路故障的概率加裝繼電保護(hù)裝置自動(dòng)重合閘2024/3/1912措施之降低短路故障概率電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)，都要采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣斫档桶l(fā)生短路故障的概率。例如采用合理的防雷措施、降低過電壓水平、使用結(jié)構(gòu)完善的配電裝置和加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)管理，如在線路上加裝電抗器：可以選用輕型的設(shè)備。加裝繼電保護(hù)裝置自動(dòng)重合閘2024/3/1913措施之加裝繼電保護(hù)裝置電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)，都要采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣斫档桶l(fā)生短路故障的概率。加裝繼電保護(hù)裝置采取減少短路危害的措施，其中，最主要的是迅速將發(fā)生短路的元件從系統(tǒng)中切除，使無故障部分的電網(wǎng)繼續(xù)正常運(yùn)行。自動(dòng)重合閘2024/3/1914措施之自動(dòng)重合閘電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)，都要采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣斫档桶l(fā)生短路故障的概率。加裝繼電保護(hù)裝置自動(dòng)重合閘由于大部分短路不是永久性的而是暫時(shí)性的，就是說當(dāng)短路處和電源隔離后，故障處不再有短路電流流過，因此現(xiàn)在廣泛采用重合閘措施。所謂重合閘就是當(dāng)短路發(fā)生后斷路器迅速斷開，使故障部分與系統(tǒng)隔離，經(jīng)過一定時(shí)間再將斷路器合上。對于暫時(shí)性故障，系統(tǒng)就因此恢復(fù)正常運(yùn)行，如果是永久性故障，斷路器合上后短路仍存在，則必須再次斷開斷路器。裝設(shè)重合閘的成功率，110kv及以上75%~95%；35kv及以上，50%~80%。2024/3/1915故障類型橫向故障短路故障縱向故障斷線故障復(fù)雜故障不同地點(diǎn)，同時(shí)發(fā)生不對稱故障。2024/3/1916短路故障分析的主要內(nèi)容短路故障分析的主要內(nèi)容包括故障后電流的計(jì)算、短路容量（短路電流與故障前電壓的乘積）的計(jì)算、故障后的系統(tǒng)中各點(diǎn)電壓的計(jì)算以及其他的一些分析和計(jì)算，如故障時(shí)線路電流與電壓之間的相位關(guān)系等。2024/3/1917短路故障分析的目的在發(fā)電廠、變電所以及整個(gè)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行工作中，都必須事先進(jìn)行短路計(jì)算，以此作為合理選擇電氣接線、選用有足夠熱穩(wěn)定度和動(dòng)穩(wěn)定度的電氣設(shè)備及載流導(dǎo)體、如開關(guān)電器、串聯(lián)電抗器、母線、絕緣子等電氣設(shè)備，制定限制短路電流的措施和穩(wěn)定性分析，在電力系統(tǒng)中合理地配置各種繼電保護(hù)并整定其參數(shù)等的重要依據(jù)。2024/3/1918無限大功率電源供電系統(tǒng)無窮大電源是一種理想電源，它的特點(diǎn)是：電源功率為無窮大。當(dāng)外電路發(fā)生任何變化時(shí)，系統(tǒng)頻率不變化，保持恒定。電源的內(nèi)阻抗為零。電源內(nèi)部無電壓降，電源的端電壓恒定。實(shí)際上，真正的無窮大電源是沒有的，它只是一個(gè)相對的概念，某一電源（或多個(gè)電源并聯(lián)）其功率大于其他電源10倍以上，就可將此電源近似認(rèn)為是無限大電源。2024/3/1919無限大功率電源供電的三相短路電流分析等值電路2024/3/1920暫態(tài)過程分析短路發(fā)生前，電路處于穩(wěn)態(tài)，其相的電流表達(dá)式為：式中：2024/3/1921故障后電路分析當(dāng)在點(diǎn)突然發(fā)生三相短路時(shí)，這個(gè)電路即被分成兩個(gè)獨(dú)立的回路。左邊的回路仍與電源連接，而右邊的回路則變?yōu)闆]有電源的回路。在右邊回路中，電流將從短路發(fā)生瞬間的值不斷地衰減，一直衰減到磁場中儲(chǔ)存的能量全部變?yōu)殡娮柚兴牡臒崮?，電流即衰減為零。在與電源相連的左邊回路中，每相阻抗由原來的)

(R+R’)+jω(L+L’)減少為R+jωL，其穩(wěn)態(tài)電流值必將增大。短路暫態(tài)過程的分析與計(jì)算就是針對這一回路的。2024/3/1922短路后的全電流表達(dá)式假定短路在時(shí)發(fā)生，由于電路仍為對稱，可以只研究其中的一相，例如相，其短路的全電流為：直流分量（自由分量）衰減時(shí)間常數(shù)Ta=L/R，C為初值根據(jù)楞次定律，可以求得初值C為：2024/3/1923無限大系統(tǒng)三相短路全電流A相由于三項(xiàng)對稱，只要用(α?120o)和(α+120o)代替上式中的α就可以分別得2024/3/1924結(jié)論（1）無限大功率電源供電的三相系統(tǒng)三相短路電流中包含有兩個(gè)分量，即周期分量（也稱強(qiáng)制分量）和非周期分量（或稱自由分量）。周期分量的幅值取決于電源電壓幅值和短路回路的總阻抗，并在暫態(tài)過程中始終保持不變。周期分量也是短路后回路的暫態(tài)短路電流。非周期分量電流是逐漸衰減的。這是由于在突然短路瞬間前后保持電感性電路電流不能突變而出現(xiàn)的分量，它以時(shí)間常數(shù)T按指數(shù)規(guī)律衰減至零。在t=0，它使短路電流值與短路前瞬間的電流值相等。2024/3/1925結(jié)論（2）A,b,c三相短路電流周期性分量短路沖擊電流和最大有效值電流周期分量分別為三個(gè)幅值相等、相位差120o、對稱的交流正弦電流。而三相短路電流非周期分量每一時(shí)刻都互不相等，都以相同的時(shí)間常數(shù)T進(jìn)行衰減，T越大，衰減就越慢，反之則越快。非周期分量的存在，使短路電流曲線不和時(shí)間軸對稱，而非周期分量電流曲線本身就是短路電流曲線的對稱軸。利用這一特性，可以從短路電流曲線中，把非周期分量分離出來。2024/3/1926結(jié)論（3）在電源電壓幅值和短路回路不變情況下，非周期分量起始值的大小與電源電壓在短路開始時(shí)刻的相角即合閘角α、短路前回路中電流幅值有關(guān)。非周期分量起始值可能為最大值，也可能為零，在同一時(shí)刻只能一相最大或?yàn)榱恪?024/3/1927幾個(gè)定義短路沖擊電流最大有效值電流短路功率2024/3/1928短路條件短路的最惡劣情況的條件：空載，則Im=0一般在短路回路中，感抗值要比電阻值大得多，即ωL>>R，因此可以認(rèn)為0?≈900若初始相角滿足|α??|=900

，在這種情況下，當(dāng)α=0或1800時(shí)，相量與時(shí)間軸平行當(dāng)短路發(fā)生在電感電路中、短路前為空載的情況下直流分量電流最大，則一相短路電流的直流分量起始值的絕對值達(dá)到最大值，即等于穩(wěn)態(tài)短路電流的幅值。2024/3/1929短路沖擊電流短路電流在前敘最惡劣短路情況下的最大瞬時(shí)值，稱為短路沖擊電流。最惡劣條件下的全電流表達(dá)式為：短路電流得最大瞬時(shí)值，即短路沖擊電流，將在短路發(fā)生經(jīng)過約半個(gè)周期后（當(dāng)為50Hz時(shí)，此時(shí)間約為0.01s）出現(xiàn)。由此可得沖擊電流值為：

2024/3/1930沖擊系數(shù)短路沖擊電流：Km稱為沖擊系數(shù)一般取1.8～1.9沖擊電流主要用于檢驗(yàn)電氣設(shè)備和載流導(dǎo)體的動(dòng)穩(wěn)定度。2024/3/1931短路電流有效值電流在短路暫態(tài)過程中，任一時(shí)刻t的短路電流有效值It，是以時(shí)刻為中心的一個(gè)周期內(nèi)瞬時(shí)電流的均方根值。式中假設(shè)在t前后一周期內(nèi)電流瞬時(shí)值iat不變，交流分量一個(gè)周期內(nèi)積分平均值為零，則短路電流的有效值為：2024/3/1932最大有效值電流最大有效值電流也是發(fā)生在短路后半個(gè)周期時(shí)，其值為：短路電流的最大有效值電流用于檢驗(yàn)電氣設(shè)備的熱穩(wěn)定度。2024/3/1933短路功率有時(shí)在選擇某些電氣設(shè)備時(shí)，要用到短路功率（也稱短路容量）的概念。其定義UN為短路處于正常運(yùn)行時(shí)的額定電壓；It為短路電流的有效值。短路功率意味著該電氣設(shè)備既要承受正常工況下的額定電壓，又要能夠開斷短路電流It。由于短路電流可取不同時(shí)刻的值，如t=0.02，0.01等，故短路功率也對應(yīng)于相