電力系統(tǒng)故障分析的基本知識.ppt
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電力系統(tǒng)分析基礎(chǔ)PowerSystemAnalysisBasis(七),主講人:栗然,第一章電力系統(tǒng)故障分析的基本知識,本章主要內(nèi)容:,1、短路的一般概念,3、無窮大功率電源供電的三相短路電流分析,2、標(biāo)么制的近似計算法,第一節(jié)短路的一般概念,故障:一般指短路和斷線,分為簡單故障和復(fù)雜故障簡單故障:電力系統(tǒng)中的單一故障復(fù)雜故障:同時發(fā)生兩個或兩個以上故障短路:指一切不正常的相與相之間或相與地之間(對于中性點(diǎn)接地的系統(tǒng))發(fā)生通路的情況。,表1-1各種短路的示意圖和代表符號,一、短路的類型,絕緣材料的自然老化,設(shè)計、安裝及維護(hù)不良所帶來的設(shè)備缺陷發(fā)展成短路。惡劣天氣:雷擊造成的閃絡(luò)放電或避雷器動作,架空線路由于大風(fēng)或?qū)Ь€覆冰引起電桿倒塌等。人為誤操作,如運(yùn)行人員帶負(fù)荷拉刀閘,線路或設(shè)備檢修后未拆除地線就加上電壓引起短路。挖溝損傷電纜,鳥獸跨接在裸露的載流部分等。,二、短路的主要原因,(1)電流劇增:設(shè)備發(fā)熱增加,若短路持續(xù)時間較長,可能使設(shè)備過熱甚至損壞;由于短路電流的電動力效應(yīng),導(dǎo)體間還將產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力,致使導(dǎo)體變形甚至損壞。(2)電壓大幅度下降,對用戶影響很大。(3)當(dāng)短路發(fā)生地點(diǎn)離電源不遠(yuǎn)而持續(xù)時間又較長時,并列運(yùn)行的發(fā)電機(jī)可能失去同步,破壞系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性,造成大面積停電,這是短路最嚴(yán)重的后果。(4)發(fā)生不對稱短路時,三相不平衡電流會在相鄰的通訊線路感應(yīng)出電動勢,影響通訊.,三、短路的危害,(1)限制短路電流(加電抗器)。(2)繼電保護(hù)快切。(3)結(jié)線方式。(4)設(shè)備選擇.,四、減少短路危害的措施,五、計算短路電流的目的,短路電流計算結(jié)果是選擇電氣設(shè)備(斷路器、互感器、瓷瓶、母線、電纜等)的依據(jù);是電力系統(tǒng)繼電保護(hù)設(shè)計和整定的基礎(chǔ);是比較和選擇發(fā)電廠和電力系統(tǒng)電氣主接線圖的依據(jù),根據(jù)它可以確定限制短路電流的措施。,第二節(jié)標(biāo)么制,一、計算短路電流的基本假設(shè),1、以電網(wǎng)的平均電壓取代元件的額定電壓,同一電壓級中各元件的額定電壓可能不一樣,線路首端,升壓變壓器二次側(cè)高出10%,線路末端,降壓變壓器一次側(cè)UN,發(fā)電機(jī)高出5%,簡化計算同一電壓級中各元件的額定電壓相同,數(shù)值上=平均電壓,Uav=(1.1UN+UN)/2=1.05UN,2、高壓電網(wǎng)只計及電抗,當(dāng)RdXd/3時,忽略Rd,二、具有變壓器的多電壓級網(wǎng)絡(luò)標(biāo)幺值等值電路的建立(近似法),1、發(fā)電機(jī),采用平均電壓后簡化計算,無需考慮變壓器變比歸算,取U4為基本級,2、變壓器,3、輸電線,恒定電勢源(又稱無限大功率電源),是指端電壓幅值和頻率都保持恒定的電源,其內(nèi)阻抗為零。一、三相短路的暫態(tài)過程,第三節(jié)恒定電勢源電路的三相短路,圖1-2簡單三相電路短路,短路前電路處于穩(wěn)態(tài):,a相的微分方程式如下:,其解就是短路的全電流,它由兩部分組成:周期分量和非周期分量。,假定t0時刻發(fā)生短路,短路電流的強(qiáng)制分量,并記為,周期分量:,非周期電流:短路電流的自由分量,記為,特征方程,的根。,非周期分量電流衰減的時間常數(shù),(C為由初始條件決定的積分常數(shù)),短路的全電流可表示為:,短路電流不突變,短路前電流,積分常數(shù)的求解,短路電流關(guān)系的相量圖表示,在時間軸上的投影代表各量的瞬時值,指短路電流最大可能的瞬時值,用表示。其主要作用是校驗(yàn)電氣設(shè)備的電動力穩(wěn)定度。,(1)相量差有最大可能值;(2)相量差在t0時與時間軸平行。一般電力系統(tǒng)中,短路回路的感抗比電阻大得多,即,故可近似認(rèn)為。因此,非周期電流有最大值的條件為:短路前電路空載(Im0=0),并且短路發(fā)生時,電源電勢過零(0)。,二、短路沖擊電流,非周期電流有最大初值的條件應(yīng)為:,圖1-3短路電流非周期分量有最大可能值的條件圖,非周期電流有最大值的條件為(1)短路前電路空載(Im0=0);(2)短路發(fā)生時,電源電勢過零(0)。,將,和0代入式短路全電流表達(dá)式:,短路電流的最大瞬時值在短路發(fā)生后約半個周期時出現(xiàn)(如圖1-4)。若Hz,這個時間約為0.01秒,將其代入式(6-8),可得短路沖擊電流:,kM為沖擊系數(shù),實(shí)用計算時,短路發(fā)生在發(fā)電機(jī)電壓母線時kM1.9;短路發(fā)生在發(fā)電廠高壓母線時kM1.85;在其它地點(diǎn)短路kM1.8。,圖1-4非周期分量有最大可能值時的短路電流波形圖,三、短路電流的有效值在短路過程中,任意時刻t的短路電流有效值,是指以時刻t為中心的一個周期內(nèi)瞬時電流的均方根值,即,為了簡化計算,通常假定:非周期電流在以時間t為中心的一個周期內(nèi)恒定不變,因而它在時間t的有效值就等于它的瞬時值,即,對于周期電流,認(rèn)為它在所計算的周期內(nèi)是幅值恒定的,其數(shù)值即等于由周期電流包絡(luò)線所確定的t時刻的幅值。因此,t時刻的周期電流有效值應(yīng)為,圖1-5短路電流有效值的確定,根據(jù)上述假定條件:,短路電流的最大有效值:,短路電流的最大有效值常用于校驗(yàn)?zāi)承╇姎庠O(shè)備的斷流能力或耐力強(qiáng)度。,短路電流最大有效值出現(xiàn)在第一周期,其中心為:t=0.01s,短路容量也稱為短路功率,它等于短路電流有效值同短路處的正常工作電壓(一般用平均額定電壓)的乘積,即,用標(biāo)幺值表示時,短路容量主要用來校驗(yàn)開關(guān)的切斷能力。,四、短路容量,1、繪制計算電路圖,用單相節(jié)線圖表示計算電路圖,標(biāo)明各元件額定參數(shù),各元件均按順序編號,1,2,3,4,5,6,6.3KV,37KV,0.4/km15km,27.5MVAUk%=7.5,215MVA,6KV,400A,XR%=4,第四節(jié)短路回路總阻抗求取,2、短路計算點(diǎn)和系統(tǒng)運(yùn)行方式確定,短路點(diǎn)按,選擇電氣設(shè)備,整定繼電保護(hù),高、低壓母線,電氣設(shè)備接線端處,運(yùn)行方式,最大:選擇電氣設(shè)備,最小:校驗(yàn)繼電保護(hù),并列運(yùn)行處理,電源按最大容量處理,單列運(yùn)行處理,3、繪制等值電路圖,對應(yīng)每一個短路點(diǎn)作出一個等值電路圖,任一短路點(diǎn)對應(yīng)等值電路中,只要求表示該點(diǎn)短路時,短路電流通過的元件電抗,分子為順序號,分母為該元件的電抗標(biāo)幺值,4、等值電路圖歸并與簡化,串聯(lián),并聯(lián),Y,利用網(wǎng)絡(luò)的對稱性,對稱性,網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)相同,電源一樣,電抗參數(shù)相等,短路電流流向一致,例:d1,d2發(fā)生短路時,計算短路回路的總電抗標(biāo)幺值,第五節(jié)無限大容量電源供電系統(tǒng)三相短路電流計算,一、基本概念,那種故障短路電流最大,中性點(diǎn)接地:三相或單相,中性點(diǎn)不接地:三相,短路電流計算值,次暫態(tài)短路電流:周期分量起始(t=0)的有效值,用途:保護(hù)整定計算及校驗(yàn)斷路器的額定斷流容量,短路全電流的最大有效值,用途:校驗(yàn)電氣設(shè)備的動穩(wěn)定和斷路器的額定斷流量,三相短路沖擊電流,用途:校驗(yàn)電氣設(shè)備的動穩(wěn)定,三相短路電流穩(wěn)態(tài)有效值,用途:校驗(yàn)電氣設(shè)備和載流體的熱穩(wěn)定性,在無限大容量,二、有名制法,適用于:1KV以下的低壓系統(tǒng)和電壓等級少、接線簡單的高壓系統(tǒng),短路點(diǎn)所在電壓級作為基本級,各元件的阻抗用變壓器的近似變比歸算到基本級,求出電源至短路點(diǎn)的總阻抗Z,計及電阻時,不計電阻,計算沖擊電流、最大有效值、斷路器的短路容量,kM=1.8時,IM=1.52Idz,kM=1.8時,iM=2.55Idz,三、標(biāo)幺值法,適用于:多電壓等級、接線復(fù)雜的高壓系統(tǒng),取基準(zhǔn)值SB,Uav,計算短路電流周期分量標(biāo)幺值,計算三相短路容量的標(biāo)幺值,計算有名值,四、例題,如圖所示電路發(fā)生三相短路,試分別用有名制法和標(biāo)幺制法計算Idz、iM、IM和Sd(KM=1.8),解:有名制法:取10.5KV電壓級為基本級,等值電路,標(biāo)幺制法:取SB=100MVA,UB=Uav,等值電路,回路總阻抗,周期分量有效值,沖擊電流,全電流最大有效值,短路容量,回路總阻抗標(biāo)幺值,周期分量有效值,沖擊電流,全電流最大有效值,短路容量,標(biāo)幺值,有名值,第二章電力系統(tǒng)三相短路的實(shí)用計算,由于多電源復(fù)雜系統(tǒng)中,不能將所有電源均視為無限大功率電源,精確計算出三相短路電流比較困難,故工程上采用一些簡化計算。,發(fā)電機(jī)參數(shù)用次暫態(tài)參數(shù)表示,忽略較小的負(fù)荷,忽略線路對地電容和變壓器的勵磁支路,變壓器的變比用平均電壓之比,短路電流的計算主要是求短路電流周期分量的起始值,即次暫態(tài)電流,計算方法主要有,等值法,疊加原理法,運(yùn)算曲線法,轉(zhuǎn)移阻抗法,高壓電網(wǎng)忽略電阻的影響,第一節(jié)交流電流初始值計算,一、簡單系統(tǒng)計算等值法,計算故障前正常運(yùn)行時的潮流分布。首先求得各發(fā)電機(jī)(包括短路點(diǎn)附近得大型電動機(jī))的端電壓和定子電流,然后計算它們的次暫態(tài)電動勢。,近一步簡化計算時可認(rèn)為:,以短路點(diǎn)為中心,將網(wǎng)絡(luò)化簡為用等值電動勢和等值電抗表示的等值電路,由此求出起始暫態(tài)電流。,二、多電源系統(tǒng)系統(tǒng)計算疊加原理法,圖(a)所示系統(tǒng)K點(diǎn)發(fā)生短路時,短路點(diǎn)電壓為零,可等值為圖(b)。利用疊加原理可將圖(b)分解為:正常運(yùn)行等值電路(c)故障分量等值電路(d),分別求解可得最終結(jié)果。,由正常運(yùn)行等值電路(c),求出網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的正常電壓和各支路的正常電流,如:,利用疊加原理的解題步驟:,由故障分量等值電路(d),求出網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)電壓變化量和各支路電流的變化量,如:,將正常和故障分量相疊加,可得故障后各節(jié)點(diǎn)電壓和各支路電流,如:,計算曲線的概念,定義計算電抗,則,在發(fā)電機(jī)的參數(shù)和運(yùn)行初態(tài)給定后,短路電流僅是電源到短路點(diǎn)的距離和時間的函數(shù)。,第二節(jié)應(yīng)用運(yùn)算曲線求任意時刻短路點(diǎn)的短路電流,2.計算曲線的制作,汽輪發(fā)電機(jī)(18種):12MW200MW,水輪發(fā)電機(jī)(17種):12.5MW225MW,制作計算曲線的典型接線圖,當(dāng)Xjs3.45時,3.應(yīng)用計算曲線法的步驟(1)繪制等值網(wǎng)絡(luò);(2)求轉(zhuǎn)移電抗:Xif(i=1,2,g)、Xsf;(3)求計算電抗;,(4)查表:Ipt1*,Ipt2*,Iptg*。,(5)無限大功率電源供給的短路周期電流,第i臺等值發(fā)電機(jī)提供的短路電流為:,無限大功率電源提供的短路電流為:,短路點(diǎn)周期電流的有名值為:,(6)計算短路電流周期分量的有名值,例題,4.計算曲線的應(yīng)用,電源合并的原則:把短路電流變化規(guī)律大體相同的發(fā)電機(jī)合并起來。,(3)遠(yuǎn)離短路點(diǎn)的同類型發(fā)電廠合并;,(4)無限大功率電源(如果有的話)合并成一組。,(1)與短路點(diǎn)電氣距離相差不大的同類型發(fā)電機(jī)合并;,(2)直接接于短路點(diǎn)的發(fā)電機(jī)(或發(fā)電廠)單獨(dú)考慮;,轉(zhuǎn)移阻抗Zif的定義:任一復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),經(jīng)網(wǎng)絡(luò)化簡消去了除電源電勢和短路點(diǎn)以外的所有中間節(jié)點(diǎn),最后得到的各電源與短路點(diǎn)之間的直接聯(lián)系阻抗為轉(zhuǎn)移阻抗。,轉(zhuǎn)移阻抗Zif的物理意義:除Ei外,其余電動勢均為零(短路接地),則Ei與此時f點(diǎn)電流之比值即為電源i與短路點(diǎn)f之間的轉(zhuǎn)移阻抗。,(1)、網(wǎng)絡(luò)化簡法,消去了除電源電勢和短路點(diǎn)以外的所有中間節(jié)點(diǎn),最后得到的各電源與短路點(diǎn)之間的直接聯(lián)系阻抗為轉(zhuǎn)移阻抗,5、轉(zhuǎn)移阻抗的求取,(2)、單位電流法,對輻射形網(wǎng)絡(luò),用該方法最好,- 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