《電力系統(tǒng)暫態(tài)分析》課程教學大綱(第一章)

1、【精品文檔】如有侵權，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除，僅供學習與交流電力系統(tǒng)暫態(tài)分析課程教學大綱(第一章).精品文檔.第一章 電力系統(tǒng)故障分析的基本知識第一節(jié) 故障概述一、故障的分類在電力系統(tǒng)的運行過程中，不可避免地會出現(xiàn)故障。凡造成電力系統(tǒng)運行不正常的任何連接或情況均稱為電力系統(tǒng)故障。電力系統(tǒng)故障有多種類型，如短路、斷線或它們的組合。短路又稱為橫向故障，斷線又稱為縱向故障。短路又可分為單相接地短路、兩相短路、兩相接地短路和三相短路，分別記為、和。三相短路時三相回路仍然是對稱的，故稱為對稱短路；其他幾種短路均使三相回路不對稱，因此稱為不對稱短路。斷線故障又可分為單相斷線和兩相斷線，分別記為和。三相斷線如同開斷

2、一條支路，一般不作為故障處理。斷線又稱為非全相運行，也是一種不對稱故障。大多數(shù)情況下在電力系統(tǒng)中一次只有一處故障，稱為簡單故障或單重故障。但有時可能有兩處或兩處以上同時發(fā)生故障，稱為復雜故障或多重故障。由此，將電力系統(tǒng)故障分類歸納如下：1）從形式上分為：短路故障和斷線故障，或簡單故障和復雜故障；2）從分析方法上分為：對稱故障和不對稱故障；3）從計算方法上分為：并聯(lián)型故障（復合序網(wǎng)并聯(lián)的情況）和串聯(lián)型故障（復合序網(wǎng)串聯(lián)的情況）。二、短路故障電力系統(tǒng)中最常發(fā)生、危害最嚴重的是短路故障。因此故障計算的重點是短路，也常稱為短路計算。1. 短路的定義短路是電力系統(tǒng)最常見、也是最嚴重故障。所謂短路，是指電

3、力系統(tǒng)正常運行情況之外的一切相與相或相與地（對于中性點接地的系統(tǒng)）之間的短接。電力系統(tǒng)正常運行時，相與相及相與地之間是不直接相連的，或者說是相互絕緣的。如果由于某種原因使絕緣破壞，形成了相互間的通路，就發(fā)生了短路。2. 短路的原因由上述定義可知，導致短路發(fā)生的根本原因是電氣設備載流體部分相與相之間或相與地之間的絕緣損壞。引起絕緣破壞的很多，包括客觀原因和主觀原因。客觀原因有：絕緣材料自然老化、污穢或機械損傷，雷擊過電壓造成的閃絡放電或避雷器動作；污染造成絕緣子在正常工作電壓下放電；大風或覆冰引起電桿倒塌或斷線，動物跨接，樹枝碰線等。主觀原因有：設計、安裝及維護所帶來的設備缺陷，挖溝損傷電纜，人

4、為誤操作（如檢修后未拆接地線就合閘，或者帶負荷拉隔離刀閘等）等。運行經(jīng)驗和統(tǒng)計資料表明，各類短路發(fā)生的幾率不同，其中單相接地短路發(fā)生得最多，三相短路發(fā)生得最少。在所有短路故障短路故障中，三相短路約占5%，單相接地短路約占65%，兩相短路約占10%，兩相接地短路約占20%。雖然三相短路發(fā)生的幾率最小，但其產(chǎn)生的后果最嚴重，同時它又是分析不對稱故障的基礎，因此應重點進行研究。3. 短路的危害（或后果）短路故障對電力系統(tǒng)的正常運行和電氣設備有很大的危害。短路類型、發(fā)生的地點和持續(xù)時間不同，其后果也不相同。可能只破壞局部地區(qū)的正常供電，也可能威脅整個系統(tǒng)的安全運行。短路的危害（或造成的后果）可以從短路

5、時的現(xiàn)象來說明，有以下幾個方面：1）短路電流急劇增大。由于電源供電回路的總阻抗突然減小以及由此產(chǎn)生的暫態(tài)過程，使短路電流急劇增大，可能超過額定電流許多倍。短路點距發(fā)電機的電氣距離越近，短路電流越大。短路電流流過電氣設備時，使發(fā)熱增加，若持續(xù)時間較長，可能使電氣設備過熱甚至損壞。由于短路電流的電動力效應，導體間還將產(chǎn)生很大的機械應力，可能使導體變形甚至損壞。2）短路點產(chǎn)生電弧。電弧的高溫可能燒壞電氣設備。3）電網(wǎng)電壓大幅度下降，影響用戶正常工作。三相短路時，短路點電壓為零，短路點附近的電壓也明顯下降。系統(tǒng)中最主要的電力負荷是異步電動機，它的電磁轉矩與其端電壓的平方成正比。電壓下降時，異步電動機的

6、電磁轉矩顯著減小，轉速隨之下降；當電壓大幅下降時，異步電動機甚至可能停轉。造成用戶減產(chǎn)、停產(chǎn)、產(chǎn)品質量下降或報廢、設備損壞等嚴重后果。4）可能使電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性遭到破壞。短路相當于改變了電網(wǎng)結構，必然引起系統(tǒng)中功率分布的變化，使發(fā)電機的輸出功率也相應地變化。但是發(fā)電機的輸入功率是由原動機決定的，由于響應速度較慢，不可能立即發(fā)生相應的變化，因而發(fā)電機的輸入和輸出功率出現(xiàn)不平衡，使發(fā)電機轉子加速；有的發(fā)電機加速快、有的加速慢，從而使發(fā)電機相互之間的相角差越來越大，可能引起并列運行的發(fā)電機失去同步，造成系統(tǒng)穩(wěn)定破壞，進而系統(tǒng)解列，造成大面積停電。這是短路造成的最嚴重危害。大面積停電事故被喻為國民

7、經(jīng)濟的災難。5）不對稱接地短路時系統(tǒng)中流過的不平衡電流產(chǎn)生的不平衡磁通，會在鄰近平行的通訊線路上感應出很大的電動勢，對通訊產(chǎn)生干擾，甚至危及設備和人身的安全。4. 限制短路電流的措施為了減少短路故障的發(fā)生，電力系統(tǒng)必須采取合理的防雷措施、降低過電壓水平，采取合適的配電裝置，以及加強對運行、維護的管理等。為了減少短路故障對電力系統(tǒng)的危害，可以采取限制短路電流的措施。1）最主要措施：迅速隔離短路部分，即繼電保護斷開短路點兩端斷路器。由于大部分屬瞬時故障，因此廣泛采用自動重合閘措施。所謂自動重合閘：短路后斷路器迅速斷開，使故障部分與系統(tǒng)隔離，經(jīng)一定時間再合上斷路器。對于瞬時性故障，重合成功，系統(tǒng)恢復

8、正常運行；如果是永久性故障，合上后短路仍存在，則須通過“后加速”再次快速斷開斷路器。由于多數(shù)故障是瞬時性故障，所以重合閘成功率很高，達到90%以上。2）線路上裝設電抗器。5. 計算短路電流的目的計算短路時系統(tǒng)電壓、電流分布。它是解決發(fā)電廠、變電站及整個電力系統(tǒng)的設計、運行等一系列電力技術問題所不可缺少的一種基本計算。是1）選擇和校驗電氣設備，如斷路器、互感器、瓷瓶、母線、電纜等的依據(jù)。2）比較和選擇發(fā)電廠和電力系統(tǒng)電氣主接線的供依據(jù)。4）繼電保護設計和整定的基礎。5）確定限制短路電流措施的根據(jù)。6）事故分析的依據(jù)。第二節(jié) 標幺值一、標幺值的概念1. 標幺值的定義2. 對標幺值的理解1）并非新鮮

9、事物，日常生活經(jīng)常使用。例如：今年產(chǎn)量同比增長10%，意思是把去年的產(chǎn)量當作1來看，今年產(chǎn)量增加0.1（即10%）。2）用標幺值來表示一個量，是把這個量和一個基準量去比較，并把基準量當作1個衡量單位來看待。3）對于同一個實際有名值，基準值選得不同，其標幺值也不同。因此，當我們說一個量的標幺值時，須同時說明它的基準值；否則，標幺值的意義不明確。3. 采用標幺值的優(yōu)點1）易于比較電力系統(tǒng)各元件的特性及參數(shù)。例如：一臺額定值為110kV、10MVA的變壓器，短路電壓為。另一臺額定值為10.5kV、7.5MVA的變壓器，短路電壓為。 兩臺變壓器的短路電壓實際值相差很大，不好比較。如果都取它們各自的額定

10、電壓作為基準值，則標幺值為說明它們的短路電壓都是額定電壓的10%左右。2）便于判斷電氣設備的特性和參數(shù)的好壞。例如：如果運行中的發(fā)電機端電壓是10.5kV，相電流是1kA，從這些數(shù)值不能斷定運行情況是否正常。但如果得到的數(shù)據(jù)是以發(fā)電機額定值作為基準值的標幺值，則立即可斷定發(fā)電機運行完全正常。3）簡化計算。二、標幺值的基本公式設電阻、電抗、阻抗的基準值為。則 ； （1-1） 【例1-1】 設電流、電壓、功率的基準值為、。則 ； ； （1-2） 【例1-2】三、基準值的選取三相交流電路短路電流計算中使用的物理量有4個：電壓、電流、功率和阻抗。所以，基準值也有4個，即電壓基值、電流基值、功率基值和阻

11、抗基值。原則上基準值可隨意選取，但實際上為了計算的方便，基準值的選擇必須遵守一定的約束。具體而言，對于三相交流短路， 、和之間有如下關系 （1-3） （1-4）如果選定各量基準值滿足以下約束關系 （1-5） （1-6）則有 （1-7） （1-8）即在標幺值條件下，三相電路的關系式類似于單相電路。其意義：只要遵守式（1-5）、式（1-6）的約束關系，雖然計算用的是一相的等值電路，其中某點的電壓和功率本來只代表該點的相電壓和一相的功率標幺值，但同時又代表該點的線電壓和三相總功率的標幺值，只不過在換算成有名值時要注意它們的基準值是不一樣的。這樣就給三相系統(tǒng)的計算帶來很大的方便。由于必須滿足式（1-5

12、）、式（1-6）的約束關系，4個物理量基準值中只有2個是獨立的，可以預先任意選定其中2個，另2個須由式（1-5）、式（1-6）導出。在電力系統(tǒng)計算中，習慣上預先選定基準功率和基準電壓，則基準電流和基準阻抗分別為 （1-9） （1-10）工程慣用值：MVA或MVA；或。 四、標幺值的換算電力系統(tǒng)各元件出廠時均會給出參數(shù)的標幺值，這些標幺值是以元件本身的額定值作為基準值來表示的，而在電力系統(tǒng)計算時，必須取統(tǒng)一的基準值。因此必須進行標幺值的換算。1. 換算公式設以元件本身額定值為基準值表示的標幺值電抗為；以統(tǒng)一選取的基準值表示的標幺值電抗為。則按定義有 （1-11） （1-12）可得 （1-13）

13、額定容量小，則電抗大：小機組、小變壓器的電抗大；大機組、大變壓器的電抗小。簡單網(wǎng)絡計算，若選取，則可減少參數(shù)計算量。2. 系統(tǒng)主要元件電抗標幺值換算公式各元件給出的形式不同，從而轉換公式的形式也不同。1）發(fā)電機：已知 （1-14）2）變壓器：已知，為短路電壓百分值 （1-15）3）電抗器：已知，為電抗百分值 （1-16）4）輸電線：已知每公里電抗值，線路長度 （1-17）五、多級電壓系統(tǒng)中元件參數(shù)標幺值的計算電力系統(tǒng)有多個電壓等級，通過變壓器互聯(lián)。由于各級電壓不同，在統(tǒng)一選定某一電壓等級電網(wǎng)基準電壓后，各級的基準電壓、從而各級的基準電流和基準阻抗也不同，它們與變壓器的變比有關。根據(jù)選用的變壓器

14、變比的方式不同，元件參數(shù)標幺值的計算方法分為準確計算法和近似計算法。1. 準確計算法采用變壓器的實際變比。一般用于潮流計算、穩(wěn)定計算和要求準確的故障計算。計算步驟如下：1）選定基準功率。2）選定某一電壓等級電網(wǎng)的基準電壓。3）按變壓器的實際變比計算各電壓等級電網(wǎng)的基準電壓、。4）計算各電壓等級電網(wǎng)的基準電流和基準阻抗（5）按各電壓等級的基準阻抗，計算各電壓等級電網(wǎng)元件阻抗的標幺值。2. 近似計算法采用變壓器的平均變比。一般用于短路電流實用計算。（1）平均（額定）電壓和平均變比的概念平均（額定）電壓。一般取接在某級電網(wǎng)的升壓變壓器和降壓變壓器額定電壓的平均值。通常升壓變壓器額定電壓比電網(wǎng)額定電壓

15、高10%，降壓變壓器額定電壓為電網(wǎng)額定電壓。所以，如果設為電網(wǎng)的額定電壓，則平均電壓表1-1 我國電力系統(tǒng)中常用的各電壓等級的平均電壓3610351102203305003.156.310.537*115*230*345*525平均變比。兩電壓等級的額定電壓的平均值（稱為平均額定電壓，簡稱平均電壓）之比。（2）計算步驟采用平均變比后，當基準段的基準電壓取該段的平均電壓時，任何一段的基準電壓就等于該段的平均電壓，從而不必再折算各段的基準電壓。計算步驟如下：1）選定基準功率。2）計算各電壓等級電網(wǎng)的基準電流和基準阻抗3）按各電壓等級的基準阻抗，計算各電壓等級電網(wǎng)元件阻抗的標幺值。（3）系統(tǒng)主要元件

16、電抗標幺值換算公式的簡化近似計算法中，當某一電壓級采用平均（額定）電壓時，就認為這一電壓級內所有元件的額定電壓都等于平均（額定）電壓，而不管其實際額定電壓的數(shù)值是多少。變壓器的變比就認為等于它所聯(lián)接的兩側電網(wǎng)的平均（額定）電壓之比。這樣一來，系統(tǒng)主要元件電抗標幺值換算公式也得到簡化，即1）發(fā)電機 （1-18）2）變壓器 （1-19）由式（1-18）、式（1-19）可見：發(fā)電機、變壓器容量越大，則電抗越小。3）電抗器：電抗器作為限制短路電流用，為保證其參數(shù)的準確性，仍采用準確計算公式，這是一個特例。即 （1-20）4）輸電線 （1-21）由式（1-21）可見：輸電線路電壓越高，則電抗越小。電抗與

17、電壓的平方成反比?！纠?-3】如圖1-1所示輸電系統(tǒng)，試畫出其等值電路并計算各元件參數(shù)的標幺值。（a）(b)(c)圖1-1 例1-3圖（a）接線圖；（b）準確計算等值電路圖；（c）近似計算等值電路圖解：（1）準確計算法。選第段為基本段，并取、。則其他兩段的基準電壓為各段的基準電流為各元件電抗標幺值為發(fā)電機：變壓器：線路： 變壓器：電抗器： 電纜： 電源電動勢標幺值為（2）近似計算法。仍取。則各段的基準電壓和基準電流為各元件電抗標幺值為發(fā)電機： 變壓器： 線路： 變壓器：電抗器： 電纜： 電源電動勢標幺值為六、頻率、角速度和時間的基準值1）頻率：。2）角速度：rad/s。3）時間：s。其物理意義

18、，是以同步轉速旋轉1rad所需要的時間。據(jù)此有，當時，還有以下關系有名值： 標幺值： 第三節(jié) 無限大功率電源供電的三相短路電流分析一、無限大功率電源的概念所謂無限大功率電源是指當電力系統(tǒng)電源距短路點的電氣距離較遠時，由短路引起的電源送出功率的變化量遠小于電源的功率，即。無限大功率電源的特點：1）由于，所以認為在短路過程中電源的頻率恒定，即。2）由于，所以認為在短路過程中電源的端電壓恒定，即。3）功率無窮大，即。4）內阻抗等于零，即。實際上不存在無限大功率電源，這是一個相對的概念。一般在或的情況下，即可認為電源是無限大功率電源。二、暫態(tài)過程分析圖1-2 無限大功率電源供電的三相電路突然短路三相短

19、路是對稱性短路，因此可僅取一相（例如相）進行分析。由短路后相電路列寫出微分方程式 （1-22）應用經(jīng)典法進行求解。第一步，求短路時的a相電流 （1-23） 式中， 為短路后回路的電流幅值；為短路后回路的功率因數(shù)角；為短路后回路的時間常數(shù)；為非周期分量初始值，是一個待定常數(shù)。小貼士： 表1-2對和的理解（下標pparticular，aa相）（下標aalways，aa相）微分方程的特解微分方程的通解短路電流穩(wěn)態(tài)分量短路電流暫態(tài)（衰減）分量周期分量（基頻交流分量）非周期分量（直流分量）強迫（制）分量自由分量一定產(chǎn)生，由短路后回路電動勢和回路阻抗決定為了保持感性回路磁鏈不突變而產(chǎn)生第二步，求短路前的相

20、電流 （1-24） 式中， 為短路前回路的電流幅值；為短路前回路的功率因數(shù)角。第三步，求常數(shù)根據(jù)楞次定律，短路瞬間電感回路磁鏈（從而回路電流）不能突變。則 （1-25）所以，三相短路電流為三、短路電流波形解析圖1-3 短路電流波形圖由圖1-3可見：1）短路電流有兩個分量：周期分量和非周期分量。周期分量是短路電流的穩(wěn)態(tài)分量（基頻交流分量），是強制分量，由短路后電路的電源強制產(chǎn)生。非周期分量是短路電流的暫態(tài)分量（衰減直流分量），是自由分量，是為了保持短路瞬間感性回路磁鏈不變而產(chǎn)生。當時，非周期分量為零；當 時，非周期分量不衰減，即變成直流分量，超導體就會出現(xiàn)這種情況。2）由于非周期分量的存在，波形

21、出現(xiàn)不對稱，而非周期分量曲線本身即為波形對稱軸。因此，非周期分量起始值越大，短路電流瞬時值就越大。3）非周期分量起始值。在電源電壓幅值與短路回路阻抗恒定的情況下，與電源電壓的初始相角（相當于在時刻發(fā)生短路）和短路前回路電流值有關。小貼士：時a相的電源電壓、短路前的電流和短路電流交流分量的相量關系如圖1-4所示。圖1-4 初始狀態(tài)電流相量圖圖中，和在時間軸上的投影分別為和，它們的差值為。 如果改變，使相量差與時間軸平行，則a相非周期分量起始值的絕對值最大；如果改變，使相量差與時間軸垂直，則a相非周期分量起始值的絕對值為零，這時a相電流由短路前的穩(wěn)態(tài)電流直接變?yōu)槎搪泛蟮姆€(wěn)態(tài)電流，而不經(jīng)過暫態(tài)過程。

22、4）非周期分量出現(xiàn)最大值的條件是：1）短路前空載，即；2）短路時。此時，全電流表達式為 （1-26）圖1-5 非周期分量最大時的短路電流波形圖小貼士：圖1-4中，如果短路前空載，即，這時在時間軸上的投影即為，顯然比短路前負載時的情況來的大。如果還滿足，則的絕對值達到最大值。對于高壓輸電系統(tǒng)，由于，所以。若系統(tǒng)發(fā)生三相短路，且短路前空載，則非周期分量出現(xiàn)最大值的條件為或，即短路瞬間、三相哪相電源電勢過零點，則該相出現(xiàn)最大短路電流，而其他兩相短路電流較小。四、沖擊電流1. 定義最惡劣條件下最大短路電流瞬時值，以表示。簡言之，短路電流最大可能的瞬時值。2. 表達式由圖1-5可知，出現(xiàn)在（即秒）時刻，

23、代入全電流表達式得： （1-27）式中，為沖擊系數(shù)；為短路電流周期分量的幅值；為短路電流周期分量的有效值。 ，在工程實用計算中，一般取1.81.9。短路點于近電源點時取1.9；遠電源點時取1.8。當時，；當時，。3. 使用場合用于校驗電氣設備和載流體的動穩(wěn)定性。五、最大有效值電流小貼士：正弦量的有效值周期量的大小常采用有效值來表示。以周期電流為例，其有效值定義為可以看出，周期量的有效值等于它的瞬時值在一個周期內積分的平均值取平方根，因此，有效值又稱為方均根值。實際上，有效值是一個在效應上與周期量在一個周期內的平均效應相等的直流量。以周期電流為例，它是指電流流過電阻在一個周期內的熱效應與大小為的

24、直流電流流過電阻的熱效應相等。1. 有效值電流的定義任一時刻的短路電流的有效值，是以該時刻為中心的一個周期內瞬時電流的方均根值。即 （在此，設在該周期內不變，即非周期分量不衰減）2. 表達式由圖1-5可知，最大有效值電流也出現(xiàn)在（即秒）為中心的一個周期內，則 （1-28）當時，；當時，。3. 使用場合用于校驗電氣設備和載流體的熱穩(wěn)定性。六、短路容量1. 定義短路電流有效值與該點短路前電壓（一般取為額定電壓，在近似計算中取為平均額定電壓）的乘積，又稱為短路功率。用有名值表示時為 （1-29）用標幺值表示時為 （1-30）2. 意義短路容量在工程上是一個很有用的概念。它的大小反映了1）該點短路時短

25、路電流的大小。2）該點至恒定電壓點之間總電抗的大小，即該點與電源聯(lián)系的緊密程度。3. 作用當某點到恒定電壓點之間的電抗值未知時，只要知道該點的短路容量（也即短路電流），該電抗值即可得。如果短路容量也不知道，工程近似計算中可以認為接在該點的斷路器的額定切斷容量就等于該點的短路容量。因為選擇斷路器時，要保證斷路器能切斷流過它的短路電流，也即斷路器的額定切斷容量應大于或等于在斷路器后面發(fā)生三相短路的短路容量。4. 使用場合用于校驗開關設備的切斷能力。思考題1電力系統(tǒng)故障如何分類？電力系統(tǒng)短路有哪幾種類型？引起短路的主要原因有哪些？短路有什么危害？為什么說穩(wěn)定破壞是短路造成的最嚴重后果？限制短路電流的措施有哪些？計算短路電流的目的是什么？2三相電力系統(tǒng)標么值計算中，基準值、之間應滿足什么關系？為什么要有這些約束？3三相電路中，已知功率標么值為，電壓標么值為，那么電流標么值為（1）