第005章 五章 电力系统三相短路的暂态过程(三).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,一、,磁链方程和等值电路,作出磁链等值电路,纵轴向等值电路,横轴向等值电路,5-4,无阻尼同步发电机突然三相短路电流计算,1,二、暂态电势和暂态电抗,暂态电势的重要特性是短路前后不跃变，因为它和励磁绕组的总磁链成正比,希望用定子量,消去,i,f,定义暂态电势,暂态电抗,2,三、,交流等效电路相量图,定子磁链方程变成定子电势方程,适用于稳态和暂态过程的基频分量,写成交流相量的形式,不计变压器电势,q,3,四、不计衰减的电流算式,1.,定子交流和转子直流电流,磁链方程,消去励磁电流，定子基频交流（,dq0,直流）,4,q,向,dq,轴投影,abc,坐标下,磁链初值,a,b,c,d,t,0,q,确定,的值，空载,2.,定子直流和转子交流电流,对于转子交流和定子非周期电流磁链方程为,a,d,b,c,0,5,由方程组或等值电路可得,全电流公式,(,变换回到,abc,系统）,整理，得,变换出二倍频率的电流，也满足电流不跃变,6,自由分量由于电阻的耗能将衰减至零，由于绕组间的磁耦合的关系，衰减的时间常数与其他绕组的参数有关,一切互相依存的自由分量电流（本绕组和外绕组）按同一时间常数衰减，且主要受直流分量所在绕组的电阻的影响。,空载短路,定子直流分量按定子的时间常数,T,a,衰减到零，与它有依存关系的定子,2,倍频交流分量和转子励磁绕组基频交流按此时间常数衰减到零,励磁绕组自由直流分量按时间常数 衰减，定子基频电流自由分量也按这个时间常数衰减。,五、计及衰减的电流算式,定子电流（,abc,坐标）,定子电流,（,dq0,坐标）,转子励磁绕组电流,7,时间常数的计算,定子绕组的时间常数,励磁绕组的时间常数,从转子看进去,8,计及衰减的电流算式,9,6.,负载条件下短路,突然短路，定子电流增加，,转子磁链守恒，只不过短路前的初值不同,(1),定子基频电流,10,(2),定子直流和二倍频电流,b,c,a,q,d,a,11,0,dq0,坐标下,abc,坐标下,dq0,坐标下的,磁链表达式,b,c,a,q,d,U,0,12,由方程或等值电路可得,和空载情况比较,短路电流公式,13,(3)abc,坐标短路,电流公式,14,二、阻尼同步发电机突然三相短路,（一）突然短路的物理分析,与无阻尼比较，结构上看,纵轴三个闭合绕组，,横轴两个闭合绕组,A),横轴与无阻尼的纵轴类似,不同的是，阻尼绕组中没有电源，产生的电流都是自由分量,B),纵轴三个绕组产生自由电流，共同维持磁链守恒,15,1.,空载短路前转子阻尼绕组磁链,纵轴阻尼绕组,D,其轴线,d,轴与励磁绕组轴线相同，励磁电流的主磁链与阻尼绕组,D,交链,这两个绕组相对静止，阻尼绕组中没有电源,横轴阻尼绕组,Q,其轴线,q,轴与励磁绕组轴线垂直,+,+,+,d,D,D,q,Q,Q,D,D,f,+,16,突然短路后定子三相对称基频电流产生的电枢旋转磁势,F,a,对转子相对静止，不计定子绕组电阻，对转子上各绕组产生纯,d,轴的去磁电枢反应，为抵消这一电枢反应，保持转子各绕组磁链守恒，励磁绕组中产生自由直流,i,fa,，,D,轴阻尼绕组中将产生直流分量电流,i,Da,，,维持其初始磁链不变，这一,d,轴阻尼绕组电流的磁链与主磁链一样与定子绕组交链，激起定子电流进一步增大。,定子基频交流分量记为,定子的,d,轴去磁磁链与转子,q,轴阻尼绕组与不交链，,q,轴阻尼绕组,Q,的磁链没有变化，无直流分量产生，,i,Qa,，,=0,。,2.,突然短路后转子阻尼绕组中产生的电流分量,（,1,）直流分量的产生,17,（,2,）交流分量的产生,定子三相直流电流产生静止磁场，相对于转子为转速,-,的旋转磁场，倍频电流产生二倍同步转速的磁场，相对于转子为转速,+,的旋转磁场，,抵消定子的电枢反应，励磁绕组中产生基频交流电流,i,f,，,在阻尼绕组中产生,i,D,和,i,Q,，,空载机端突然三相短路各绕组电流,强制分量,自由分量,定子,i,abc,稳态短路电流,i,基频自由电流,直流电流,i,ap,倍频交流,i,2,i,f,励磁直流,i,f0,自由直流,i,f,基频交流,i,f,i,D,自由直流,i,D,基频交流,i,D,i,Q,自由直流,i,Q,0,基频交流,i,Q,18,3.,负载条件下短路的不同,短路前有负荷，有横轴基频电流,I,q0,，在阻尼绕组中有初始磁链,短路后忽略定子电阻，基频电流强制分量基本上是纯感性的,i,，,q,轴分量基本上为零。,q,轴定子基频电流的变化改变了,q,轴阻尼绕组,Q,的磁链，为维持,Q,绕组磁链初值，阻尼绕组产生自由直流分量,i,Qa,，引起定子,q,轴基频自由交流的产生,q,这两个电流 按阻尼绕组,Q,时间常数 衰减,由于负载短路定子电流和磁链的初始值与空载不同，各短路电流分量的初值也与空载时不同。,19,（二）,次暂态电势和次暂态电抗,作出磁链等值电路，由戴维南等值电路,20,q,轴相当于无阻尼的,d,轴，有两个绕组,21,（三）交流相量图,不计变压器电势,q,22,（四）定子短路电流基频分量,23,abc,坐标系统,dq0,坐标系统,dq0,坐标系统,（五）,自由电流衰减的时间常数,24,1.,定子绕组的时间常数,25,2.q,轴,阻尼绕组的时间常数,26,3.d,轴的两个时间常数,定子电流分成按两个时间常数衰减的分量,一个分量按暂态时间常数衰减,衰减得慢,一个分量按次暂态时间常数衰减,衰减得快,27,28,29,比较无阻尼同步机短路电流,（六）短路电流,公式,有阻尼同步机短路电流,30,短路前空载运行电流,公式,d,q,q,31,无阻尼同步机空载短路电流,短路前空载运行电流,公式,有阻尼同步机空载短路电流,32,（七）同步机外部三相短路,如果三相短路不是发生在机端，而是发生在发电机外接电抗,x,e,之后，可以认为发电机定子漏抗增大了，以上所有电流计算公式和时间常数计算公式中电抗 都 相应的加上,x,e,，即,电流计算公式中的电压,U,0,为短路前短路点的电压，角度,0,为短路点电压和空载电势的夹角。,33,【7-3】,已知同步发电机参数为：,若在发电机空载、端电压为额定电压下，端点发生突然三相短路，且 。试计算,t,=0.01s,和,t,=0.11s,时,a,相短路电流。额定满载负荷短路电流是多少？,解：,（,1,）计算各衰减时间常数,近似计算纵轴时间常数,34,精确计算纵轴时间常数,35,（,2,）,a,相空载短路电流,36,在例,3-2,中已算出该发电机额定满负荷运行时的电势,E,Q,、,E,q,（忽略定子电阻,R,），用标幺值计算，额定满负荷时,U,=,1.0,，,I,=1.0,由相量图可得,或由相量计算,j,j,（,3,）负载短路,37,可以算出,q,38,负载短路,a,相电流,39,7-5,强行励磁对短路电流和机端电压的影响,实际上同步机都配有自动励磁调节装置。,40,强行励磁是自动励磁调节系统的组成部分，当发生短路或其他原因使机端电压显著下降，强励装置动作，电势,E,q,增大了发电机端电压将逐渐恢复。,强行励磁对短路的影响,只要发电机的端电压一经恢复到额定值，自动调节励磁装置即将机端电压维持在额定值上。所以短路电流的稳态值不会大于,U,N,/,x,e,.,短路过程中，端电压能否恢复到额定值，同短路点的远近有关。,x,e,很大，短路对发电机的影响就比较小，端电压的下降不很大，强励动作后，在暂态过程的某一时间,t,cr,，端电压即恢复,到额定值。这个,时间,t,cr,称为临界时间。,如果短路发生在近处，即,x,e,很小，短路电流很大，在整个暂态过程中强行励磁的作用始终不能克服短路电流的去磁作用，端电压就一直不能恢复到额定值。,在上述两种情况之间，可,找到一个电抗值，在这个电抗值下发生短路时，机端电压刚好在暂态过程结束时恢复到额定值，这个电抗就称为临界电抗,x,cr,。,41,强行励磁对短路电流和机端电压的影响,42,第六章 电力系统三相短路电流的实用计算,6-1,短路电流计算的基本原理和方法,电力系统三相短路主要是短路电流周期分量的计算，工程中着重实用，电力系统三相短路电流计算可采用实用的计算方法，采用一定的简化和假设,一、短路计算的基本假设,不计发电机、变压器、输电线路的电阻,不计线路电容，略去变压器的励磁电流（三相三柱式变压器的零序等值电路除外）,负荷当作恒定电抗，或某种附加电源，近似估计或忽略不计,变压器变比取,1,，,U,N,=,U,av,三相系统是对称的,所有发电机的电势同相位,元件用电抗表示，没有复数运算，把短路电流的计算简化为直流电路的求解,金属性短路，短路处的过渡电阻等于零。过渡电阻指短路处的接触电阻，如电弧电阻或外物电阻，接地电阻,43,例,6-2,在例,2-8,中，已知发电机电势为,10.5kV,，分别按元件标幺参数的精确只和近似值计算电路电流,解,(,一,),对各元件参数作精确计算,选准功率,S,B,=100MVA,发电机电势的标幺值,E=,10.5,/,10.5=1.0,44,(,二,),对各元件参数作近似计算,选基本段,S,B,=,100MVA,U,B,=,U,av,发电机,变压器,不考虑精确计算公式中电压的差别,线路,电抗器,45,两个结果的比较,精确计算,近似计算,46,二、三相短路计算原理和方法,(,一）叠加原理的应用,对于一个多电源的线性网络根据叠加原理总可以把节点,f,的短路电流表示成,G,是有源支路的集合，,E,i,为第个有源支路的电势，,z,f,i,便称为电势源对短路点的转移阻抗,对于不太复杂的电力系统，在制订等值电路并完成元件参数计算后，可以直接对原网络进行等值变换求得转移阻抗,可以保留电势源节点和短路点，通过原网络的等值变换逐步消去一切中间节点，形成以电势源节点和短路点为顶点的全网形电路，这个最终电路中联接电势源节点和短路点的支路阻抗即为该电源对短路点的转移阻抗,47,星型网络,（二）星网变换,变换成网型网络,48,实用计算：满足工程需要的，可以节省大量时间的简化算法,起始次暂态电流：短路电流周期分量（指基频分量）的初始值有效值,-,等值电路问题：元件用次暂态参数计算，次暂态电流的计算和稳态电路中电流的计算相同,系统中的元件可分为两类：静止元件和旋转元件,7-7,起始次暂态电流和冲击电流,的实用计算,49,一、同步机提供的起始次暂态电流,在突然短路瞬间，同步电机的次暂态电势保持短路前瞬间的值，,j,j,汽轮机和有阻尼的凸极发电机次暂态电抗可取,x,=,x,d,假定发电机在短路前满载运行，,算出短路后的短路电流,发电机运行参数不确知，可取,不计负荷，取,50,正常运行情况，异步电动机的转差很小（,s=2%5%,），可以近似当作依同步转速运行。,根据短路瞬间转子绕组磁链守恒的原则，异步电动机也可以用与转子绕组的总磁链成正比的次暂态电势以及相应的次暂态电抗来代表,次暂态电抗,启动电流的标幺值一般为（,47,），可近似取,x,=,0.2,次暂态电势,二、异步机提供的起始次暂态电流,j,j,启动电流,系统发生短路后，只当电动机端的残余电压小于,E,时，,电动机才会暂时地作为电源向系统供给一部分短路电流,。,51,配电网络中电动机数目多，查明短路前运行状态困难,电动机所提供的短路电流数值不大,实用计算中,只对于短路点附近能显著地供给短路电流的大型电动机，将其作为提供短路电流的电源,其它的电动机，则看作是系统中负荷节点的综合负荷的一部分，在短路瞬间，综合负荷也可以近似地用一个含次暂态电势和次暂态电抗的等值支路来表示,暂态电抗,0.35,中包括电动机电抗,0.2,和降压变压器以及馈电线路的估计电抗,0.15,三、综合负荷提供的起始次暂态电流,52,G,四、短路点不在机端,负荷端短路瞬间电压称为残余电压,综合负荷的电流,53,由于异步电动机的电阻较大，在突然短路后，由异步电动机供给的电流的周期分量和非周期分量都将迅速衰减，而且,衰减的时间常数也很接近，其数值约为百分之几秒,实用计算，负荷提供的冲击电流,短路点的冲击电流,对于小容量的电动机和综合负荷，取,K,im.LD,=1,容量为,200kW500kW,的异步电动机，取,K,im.LD,=1.31.5,容量为,500kW1000W,的异步电动机，取,K,im.LD,=1.51.7,容量为,1000kW,以上的异步电动机，取,K,im.LD,=1.71.8,同步电动机和调相机冲击系数之值和相同容量的同步发电机的值大约相等,五、冲击电流,负荷提供的起始,次暂态电流的有效值,54,发电机,G:60MVA,x,d,”=0.12,调相机,SC:5MVA,x”,d,=0.2,变压器,T1:31.5MVA,，,U,k,%=10.5,T2:20MVA,U,k,%=10.5,T3:7.5MVA,U,k,%=10.5,线路,L1:60km,L2:20km,L3:10km,各条线路电抗均为,0.4/km,负荷：,LD1:30MVA,LD2:18MVA,LD3:6MVA,例,7-4,计算,f,点发生短路的冲击电流，系统各元件的参数为,解,：先将全部负荷计入，,以额定标幺电抗为,0.35,，,电势为,0.8,的电源表示,取,S,B,=100MVA,U,B,=,U,av,调相机,发电机,负荷,55,例,7-4,变压器,线路,取发电机的次暂态电势,调相机按短路前额定满负荷运行,j,56,例,7-4,网络化简,57,起始次暂态电流,变压器,T3,方面提供,负荷,LD3,提供,冲击电流,怎么算冲击电流,?,例,7-4,起始次暂态电流和冲击电流的计算,变压器,T3,方面提供,电流,0.523,中有发电机、调相机、和负荷提供的电流,冲击系数分别为,1.8,，,1.8,，,1,58,为把负荷提供的电流分出来,回到等值电路中去计算,a,点残余电压,b,、,c,点残余电压,负荷不提供短路电流,由短路点右侧提供的的短路电流是发电机和调相机发出的,例,7-4,冲击电流的计算,59,短路点,6kV,电压等级的基准电流,冲击电流,短路点远离负荷时，负荷不输出短路电流。近似计算不计负荷，,E,=1,短路点的输入阻抗为,由变压器,T3,方面提供的短路电流,冲击电流,比计及负荷的值小,6%,，这种简化在实际计算中是允许的,60,7-8,短路电流计算曲线及其应用,工程计算中常利用计算曲线来确定短路后任意时刻短路电流的周期分量,一、计算曲线的概念,短路电流周期分量是许多参数的复杂函数,发电机运行参数，励磁系统参数,短路点至机端的距离,x,e,时间,t,当发电机运行参数，励磁系统参数给定后,短路电流与,x,e,和,t,有关,定义计算电抗,则短路电流是时间和计算电抗的函数,反映这一函数关系的一组曲线就称为计算曲线。为了方便应用，计算曲线也常作成数字表,为归算到发电机,额定容量的标幺值,61,二、计算曲线的制作条件,发电机满载,负荷一半在发电厂高压母线,一半经输电线路送出,负荷用恒定阻抗表示,式中,U,=1,，,cos,=,0.9,，,S,LD,=,0.5,计算曲线计及了强行励磁的影响，计及了定子电阻的影响,强行励磁顶值电压为正常运行励磁电压的,1.8,倍。,对于汽轮发电机选取了,12200MW,的,18,种不同型号的发电机作为样机，分别计算每种电机的短路周期电流值，取其算术平均值绘制曲线,;,对于对于水轮发电机选取了,12.5225MW,的,17,种不同型号的发电机作为样机，分别计算短路周期电流值，取其算术平均值绘制曲线,计算电抗算到,3.45,为止,当,x,js,3.45,I=,1,/x,js,因为无穷大电源提供的短路电流是不衰减的,62,三、计算曲线的应用,（一）应用计算曲线的步骤,不计负荷，制作电力网络的等值电路，以统一基值的标幺值表示,网络化简，化成各电源点或等值发电机对短路点的转移阻抗,x,f,i,的形式,由转移阻抗求计算电抗,x,js,.i,=,x,f,i,S,N,i,/S,B,查表，得到一发电机额定功率为基准的短路电流标幺值,对无限大电源，短路电流,I,=1/,x,f,i,化成有名值，然后再相加,不同基值的标幺值不能相加,*容量无限大电源单独考虑,63,（二）对各电源的处理,电力系统中，发电机的数目是很多的，如果每一台发电机都用一个电源点来代表，计算工作将变得非常繁重。因此，在工程计算中常采用合并电源的方法来简化网络。,把短路电流变化规律大体相同的发电机尽可能多地合并起来，同时对于条件比较特殊的某些发电机给以个别的考虑。合并后的发电机叫做等值发电机。这种方法既能保证必要的计算精度，又可大量地减少计算工作量。,是否容许合并发电机的依据是：,估计它们的短路电流变化规律是否相同或相近,影响发电机是否容许合并的主要因素有两个：,一个是发电机的特性（指类型和参数等）,另一个是对短路点的电气距离,64,对各发电机的处理方法,离短路点较近时，发电机本身特性的不同对短路电流的变化规律具有决定性的影响；如果短路点非常遥远，发电机到短路点之间的电抗数值较大，发电机的参数不同所引起的短路电流变化规律的差异将受到极大的削弱,与短路点的电气距离相差不大的同类型发电机可以合并,远离短路点的同类型发电厂可以合并,直接接于短路点的发电机（或发电厂）应予以单独考虑,网络中功率为无限大的电源应单独计算,f,点短路时，发电机,G-1,必须单独计算，发电机,G-2,亦应个别计算，其余的发电厂,B,、,C,、,D,可以按类型进行合并，即火电厂和水电厂分别合并,65,如何做？,怎样查曲线？,例,7-5,用计算曲线法计算例,7-4,的短路电流,66,例,7-5,查曲线计算短路电流,求计算电抗,查曲线或查表,t=0,时,有名值,总电流,和例,7-5,比较,计及负荷,查曲线差,3%,不计负荷,不计负荷差,5.8%,比不计负荷好，还可同时查出给定时间的电流值,67,7-9,短路电流周期分量的近似计算,一、把某一母线作恒压源处理,所在电厂参数已知，,收集不到整个系统的详细数据，最简单地是把母线,A,作恒压源处理（基频电流不衰减,),，对系统方面提供的短路电流的最大的可能值进行估计,这样算的短路电流略大，随电源到短路点之间距离的增加，差别将下降，因为离短路点越远，电源的电抗相对于短路回路的总电抗越小，可以近似为恒压源,68,系统容量有限，或距离短路点较近，令,A,点为,恒压源误差较大，可表示为由电抗,Xs,接于,A,点的无限大功率电源,二、由短路容量算出系统的等值电抗,若,A,点短路时的短路功率,S,s,或短路,电流,I,s,已知，可推算出系统等值电抗,求出,f,点短路电流,若,A,点短路时的短路功率,S,s,或短路电流,I,s,未知，但可查出断路器的断流容量,S,kd,可推算出系统等值电抗的近似值,69,已知,(1),系统对母线,a,处的短路功率为,1000MVA,(2),母线,a,的电压为恒定值,解：取,S,B,=100MVA,，,U,B,=,U,av,（,1,）第一种情况，系统用电压源表示，它到母线,a,的电抗标幺值,各元件的标幺值为,线路,L,：变压器：,电抗器：电缆：,例,7-6,三相短路分别发生在,f,1,和,f,2,点计算短路电流的周期分量,70,例,7-6,在网络的,6.3kV,电压级的基准电流为,当,f,1,点短路时,当,f,2,点短路时,（,2,）在第二种情况，无限大电源母线接于母线,a,，电抗,X,s,=0,当,f,1,点短路时,当,f,2,点短路时,比较以上的结果可见，如果把无限大母线接于,a,点则短路电流的数值在,f,1,短路时要增加,21%,，在,f,2,短路时，只增大,6%,71,电力系统结构复杂，一般用计算机计算。需要选择数学模型和计算方法，然后编制计算程序。这里讲基本的数学模型和计算方法,一、模型,网络用节点方程描述,发电机用,E,和,r+,j,x,表示，由于节点方程要求已知节点注入电流，所以用电流源表示,负荷用恒定阻抗表示，追加到导纳矩阵中,7-10,计算机计算复杂系统短路电流,交流分量初始值的原理,72,二、用节电阻抗矩阵计算的方法,非金属短路,过度阻抗为,z,f,网络分解,73,戴维南等值电路,Z,ff,网络部分和故障部分（）联合求解,网络中任一点的电压,任一支路的电流,式中所用到的阻抗矩阵元素都带有列标,f,，如果网络在正常状态下的节点电压为已知，为了进行短路计算，只须利用节点阻抗矩阵中与故障点对应的一列元素。一般只需形成网络的节点导纳矩阵，并根据具体要求，求出阻抗矩阵的某一列或某几列元素即可,74,近似计算和程序流程,近似计算不计负荷，短路前电压取,1,金属性短路,z,f,=0,程序流程,（,1,）输入数据,（,2,）形成节点导纳矩阵选择故障点,f,（,3,）计算阻抗矩阵第,f,列元素,（,4,）计算短路电流,I,f,（,5,）计算节点电压,（,6,）计算支路电流,（,7),结束,75,本章小结,无限大功率电源概念，无限大功率电源供电系统的三相短路分析，产生最大短路全电流的条件,短路冲击电流、短路电流的最大有效值、短路功率,派克变换，同步发电机的基本方程,同步发电机突然三相短路的物理过程分析,各电流分量的产生和相互关系,同步发电机突然三相短路电流计算,暂态电势，暂态电抗，次暂态电势，次暂态电抗，时间常数,电力系统三相短路计算原理，叠加原理和转移阻抗,起始次暂态电流和冲击电流实用计算,短路电流计算曲线，计算短路后任意时刻周期电流,短路电流周期分量的近似计算,计算机计算复杂系统短路电流原理,76,