電力系統(tǒng)故障分析

1、電力系統(tǒng)故障分析,山東大學(xué) 電氣工程學(xué)院 叢 偉 2015420,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),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,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),1.什么是暫態(tài)？

2、 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)。,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)。,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

3、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 。,短路的種類：,各種短路的示意圖和代表符號(hào),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；,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

4、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。,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。,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。,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,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

5、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。,（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,二、對(duì)稱分量法在不對(duì)稱故障計(jì)算中的應(yīng)用,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,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)：,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),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

6、故障都適用。,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。,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)

7、絡(luò)的構(gòu)成,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。,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

8、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。,簡(jiǎn)單不對(duì)稱故障的分析計(jì)算,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。 可分為二類： （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)

9、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。,4-2 橫向不對(duì)稱故障的分析計(jì)算,圖 41 系統(tǒng)接線圖,圖 42 正、負(fù)、零序等值網(wǎng)絡(luò)圖,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,（一）故障邊界條件：,轉(zhuǎn)換為對(duì)稱分量：,所以,又,即,所以故障邊界條件方程為,（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：,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),（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 44 兩相短路時(shí)的序網(wǎng)及復(fù)合序網(wǎng)圖,（三）故障點(diǎn)

10、電流電壓向量圖：,圖 45 兩相短路時(shí)短路處的電壓電流相量圖,(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。,二 、 單相接地短路（A相）,圖4-6 單相接地短路時(shí)系統(tǒng)

11、接線圖,（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。,（二）復(fù)合序網(wǎng),短路處各序功率為：,短路點(diǎn)各相電流電壓為：,（三）向量圖：（假定阻抗為純電抗）,圖48 單相接地短路處的電壓電流相量圖,（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,三、 兩相接地短路（bc相接地）,圖 49 兩相接地短路時(shí)的系統(tǒng)接線圖,（一）故障

12、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。,（二）復(fù)合序網(wǎng),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：,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,（三）向量圖：,圖 4-11 兩相接地短路處電壓電流相量圖,（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

13、而不同。 (4) 流入地中的電流等于兩故障電流之和,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：,；,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

14、表達(dá)式中下腳符號(hào)改變而已。,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。,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。如兩相接地短路故障（兩相短路故障只有兩個(gè)序網(wǎng)）。,【例題4-1】某系統(tǒng)接線如圖所示。當(dāng)k點(diǎn)發(fā)生c相接地短路時(shí)，求故障點(diǎn)各序的電流、電壓、序功率及各相的電流電壓，并畫(huà)出其向量圖。,圖 4-12 例題4-1的系統(tǒng)接線圖,發(fā)電機(jī)：G-1,G-2,變壓器：T-1,T-2,線路：,解：1. 將各元件參數(shù)換