试论电力系统三相短路的暂态过程.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,5.1 短路普通概念,第五章 电力系统三相短路暂态过程,故障:普通指短路和断线，分为简单故障和复杂故障,简单故障:电力系统中单一故障,复杂故障:同时发生两个或两个以上故障,短路:指一切不正常相与相之间或相与地之间（对于中性点接地系统）发生通路情况。,试论电力系统三相短路的暂态过程,第1页,一、短路类型,短路类型,符号,示意图,特点,三相短路,f,(3),对称,故障,两相短路,f,(2),非对称,故障,单相接地,短路,f,(1),非对称,故障,两相接地,短路,f,(1,1),非对称,故障,试论电力系统三相短路的暂态过程,第2页,元件损坏,：,如绝缘材料自然老化，设计、安装及维护不良所带来设备缺点发展成短路。,气象条件恶化：如雷击造成闪络放电或避雷器动作，架空线路因为大风或导线覆冰引发电杆坍毁等。,违规操作：如运行人员带负荷拉刀闸，线路或设备检修后未拆除地线就加上电压引发短路。,其它：如挖沟损伤电缆，鸟兽跨接在裸露载流部分等。,二、短路主要原因,试论电力系统三相短路的暂态过程,第3页,(1)电流剧增：设备发烧增加，若短路连续时间较长，可能使设备过热甚至损坏;因为短路电流电动力效应，导体间还将产生很大机械应力，致使导体变形甚至损坏。,(2)电压大幅度下降，对用户影响很大。,(3)当短路发生地点离电源不远而连续时间又较长时，并列运行发电机可能失去同时，破坏系统运行稳定性，造成大面积停电，这是短路最严重后果。,(4)发生不对称短路时,三相不平衡电流会在相邻通讯线路感应出电动势,影响通讯.,三、短路危害,试论电力系统三相短路的暂态过程,第4页,四、计算短路电流目标,短路电流计算结果,是选择电气设备（断路器、互感器、瓷瓶、母线、电缆等）依据；,是电力系统继电保护设计和整定基础；,是比较和选择发电厂和电力系统电气主接线图依据，依据它能够确定限制短路电流办法。,用于进行电力系统暂态稳定计算，研究短路对用户工作影响。,试论电力系统三相短路的暂态过程,第5页,5.2 恒定电势源电路三相短路,恒定电势源,（又称,无限大功率电源,），是指端电压幅值和频率都保持恒定电源，其内阻抗为零。,一、三相短路暂态过程,试论电力系统三相短路的暂态过程,第6页,短路前,电路处于,稳态,：,a相微分方程式以下：,其解就是短路全电流，它由两部分组成：,周期分量,和,非周期分量,。,假定,t0时刻发生短路,发生短路时微分方程,试论电力系统三相短路的暂态过程,第7页,短路电流周期分量和非周期分量,短路电流强制分量,并记为,短路电流自由分量,记为,（C为由初始条件决定积分常数）,特征方程 根。,非周期分量电流衰减时间常数。,试论电力系统三相短路的暂态过程,第8页,短路全电流,电流不突变,短路前电流,积分常数求解,试论电力系统三相短路的暂态过程,第9页,短路电流关系相量图表示,在时间轴上投影代表各量瞬时值,试论电力系统三相短路的暂态过程,第10页,指短路电流最大可能瞬时值，用 表示。,其主要作用是校验电气设备电动力稳定度。,(1)相量差 有最大可能值；,(2)相量差 在t0时与时间轴平行。,普通电力系统中，短路回路感抗比电阻大得多，即 ，故可近似认为 。所以，非周期电流有最大值条件为：短路前电路空载（,I,m,=0),而且短路发生时，电源电势过零（,0）。,二、短路冲击电流,非周期电流有最大初值条件应为：,试论电力系统三相短路的暂态过程,第11页,非周期分量有最大可能值条件,非周期电流有最大值条件为,（1）,短路前电路空载（I,m,=0)；,（2）短路发生时，电源电势过零（,0）。,试论电力系统三相短路的暂态过程,第12页,将 ，和 0代入式短路全电流表示式：,短路电流最大瞬时值在短路发生后约半个周期时出现。若 Hz，这个时间约为0.01秒，将其代入上式，可得短路冲击电流：,k,im,为冲击系数,实用计算时，短路发生在,发电机电压母线,时k,im,1.9；短路发生在,发电厂高压母线,时k,im,1.85；在,其它地点,短路k,im,1.8。,试论电力系统三相短路的暂态过程,第13页,非周期分量有最大可能值时短路电流波形图,试论电力系统三相短路的暂态过程,第14页,在短途经程中，任意时刻t,短路电流有效值,，是指以时刻t为中心一个周期内瞬时电流均方根值，即,为了简化计算，通常,假定,：,非周期电流,在以时间,t,为中心一个周期内恒定不变，因而它在时间,t,有效值就等于它瞬时值，即,三、短路电流有效值,试论电力系统三相短路的暂态过程,第15页,对于,周期电流,，认为它在所计算周期内是幅值恒定，其数值即等于由周期电流包络线所确定,t,时刻幅值。所以，,t,时刻周期电流有效值应为,短路电流有效值确定,试论电力系统三相短路的暂态过程,第16页,依据上述假定条件，公式就能够简化为：,短路电流最大有效值：,短路电流最大有效值惯用于校验一些电气设备,断流能力或耐力强度,。,短路电流最大有效值出现在第一周期，其中心为：t=0.01s,试论电力系统三相短路的暂态过程,第17页,短路功率,也称为短路容量，它等于短路电流有效值同短路处正常工作电压（普通用平均额定电压）乘积，即,用标幺值表示时,短路容量,主要用来,校验开关切断能力。,四、短路功率,试论电力系统三相短路的暂态过程,第18页,5.3 同时电机突然三相短路物理分析,对称稳态,运行时，电枢磁势大小不随时间而改变，在空间以同时速度旋转，它同转子没有相对运动，所以不会在转子绕组中感应电流。,突然短路,时，定子电流在数值上发生急剧改变，电枢反应磁通也伴随改变，并在转子绕组中感应电流，这种电流又反过来影响定子电流改变。这种,定子和转子绕组电流相互影响,就是突然短路暂态过程特点。,一、突然短路暂态过程特点,试论电力系统三相短路的暂态过程,第19页,超导体,：电阻为零导体。,超导体磁链守恒标准,：超导体回路能永久维持磁链不变。,超导体磁链守恒标准,数学描述,：,若回路为超导体，则R=0，便有,同时电机绕组电阻相对电抗很小，在分析时假定电阻为零，即,作为超导体闭合回路来分析,。,二、超导体闭合回路磁链守恒标准,试论电力系统三相短路的暂态过程,第20页,三、无阻尼绕组同时电机突然三相短路物理分析,无阻尼绕组同时发电机,正常稳态运行,时,磁链分解,示意图,试论电力系统三相短路的暂态过程,第21页,1、短路前（,空载,）,有：,定子绕组,总磁链,：,定子,三相绕组磁链,分别为：,假设,t=0,时发生短路，为维持磁链初值 不变，在定子三相绕组中将出现电流，其所产磁链,必须满足：,2、短路后,试论电力系统三相短路的暂态过程,第22页,基频电流,：以,抵消,转子主磁场交变磁链；,直流分量,：,维持,磁链初始值；,倍频分量,：,3、短路后定子绕组中电流分量,自由直流 ：,维持,转子中磁链初始值；,基频电流 ：,抵消,定子直流和倍频电路电枢反应,4、短路后转子中电流分量,试论电力系统三相短路的暂态过程,第23页,短路瞬间，外接阻抗减小,产生定子基频电流增量,电枢反应增强，转子磁链减小,为保持磁链守恒，转子中产生自由直流分量,定子绕组产生自由基频电流分量,电枢反应增强，定子磁链增大,定子直流分量,恒定直流,倍频分量,转子基频分量,产生脉动磁链分解为正反两个方向以同时速旋转磁链,试论电力系统三相短路的暂态过程,第24页,定子方面,转子方面,强制分量,自由分量,定子和转子电流相互关系示意图,稳态,短路电流,励磁电流,基频,电流,非周期,电流,倍频,电流,直流电流,基频交流,试论电力系统三相短路的暂态过程,第25页,5.4 无阻尼绕组同时电机三相短路电流计算,一、暂态电势和暂态电抗,无阻尼绕组,同时电机磁链平衡方程,试论电力系统三相短路的暂态过程,第26页,无阻尼绕组发电机磁链平衡等值电路,消去,试论电力系统三相短路的暂态过程,第27页,假如定义：,则,暂态电势，不突变,暂态电抗,当变压器电势 时，忽略电阻则有：,试论电力系统三相短路的暂态过程,第28页,暂态电势和暂态电抗等值电路,相量形式,试论电力系统三相短路的暂态过程,第29页,等值隐极机法,用电势 和 作等值电路。令,不论是凸极机还是隐极机，普通都有 ，为便于工程运算，惯用,等值隐极机法,进行处理：,用电势 和电抗 作等值电路。假想电势 为：,则,采取,暂态参数,时，同时电机相量图,试论电力系统三相短路的暂态过程,第30页,二、不计衰减时短路电流算式,假设在,空载,下发生,机端短路,1、定子,基频电流,和转子绕组,直流,计算,定子基频电流和转子绕组直流共同作用，使定子各相绕组磁链为零，转子绕组磁链保持初值 。,磁链平衡等值电路,假设在,空载,下发生,机端短路,短路前,定子电流为零,，故,试论电力系统三相短路的暂态过程,第31页,因 ，位于转子d轴负方向，故产生去磁性电枢反应；故同原有励磁电流同方向。,2、定子基频电流另一计算法,由稳态参数电势方程计算。短路时 ，故,注意,：由励磁绕组全部直流（强制分量 和自由分量 ）产生，即,再由短路前后暂态电势 不变标准，即 ，可直接用于短路后瞬间计算。,试论电力系统三相短路的暂态过程,第32页,短路稳定后，若励磁电压无改变，励磁电流将恢复初值，则有,基频电流自由分量为,3、定子,直流,、,倍频,分量和转子绕组,基频电流,计算,定子直流分量和倍频分量以及转子绕组基频电流共同作用，使定子三相绕组磁链保持初值，转子绕组磁链为零。,试论电力系统三相短路的暂态过程,第33页,定子三相绕组,磁链初值：,磁链平衡等值电路,短路前,空载,，故,试论电力系统三相短路的暂态过程,第34页,3、定子d、q轴,全电流,试论电力系统三相短路的暂态过程,第35页,4、定子a、b、c坐标系,全电流,试论电力系统三相短路的暂态过程,第36页,5、励磁绕组,全电流,试论电力系统三相短路的暂态过程,第37页,标准2：计算绕组时间常数，,只考虑绕组电阻,，而,忽略其它绕组电阻,。,1、定子直流和倍频分量以及转子电流基频分量按照定子绕组时间常数 衰减。,三、自由电流衰减,标准1：为了维持绕组磁链不变而产生自由电流，假如该,自由电流产生磁势相对于绕组静止,，那么这个电流将,按照该绕组时间常数衰减,，同时，,与该自由电流相依存电流也按时间常数衰减,；,试论电力系统三相短路的暂态过程,第38页,：定子绕组开路时励磁绕组时间常数。,：定子绕组短路时励磁绕组时间常数；,2、转子绕组直流以及定子基频电流按照转子绕组时间常数 衰减。,确定 等值电路,试论电力系统三相短路的暂态过程,第39页,计及自由电流衰减电流表示式,试论电力系统三相短路的暂态过程,第40页,计及自由电流衰减电流波形,试论电力系统三相短路的暂态过程,第41页,四、负载状态下突然短路,由磁链平衡等值电路可得：,1、定子,基频电流,和转子绕组,直流,计算,试论电力系统三相短路的暂态过程,第42页,2、定子,直流,、,倍频,分量和转子绕组,基频电流,计算,定子三相绕组,磁链初值：,试论电力系统三相短路的暂态过程,第43页,3、定子d、q轴,电流,试论电力系统三相短路的暂态过程,第44页,4、定子a、b、c坐标系,电流,5、励磁绕组,电流,试论电力系统三相短路的暂态过程,第45页,假如短路不是直接发生在发电机端，而是在有外接电抗 之后，可认为是在发电机定子绕组漏电抗增大了 。在计算电流或时间常数时，只要用 、和 去分别代替 、和 就可。因为外接电抗 已计入定子漏抗，则电压 将不再是机端电压，而应取为,短路点,电压。,试论电力系统三相短路的暂态过程,第46页,5.5 有阻尼绕组同时电机三相短路,与无阻尼绕组电机相比,相同之处,：,定子电流分量：基频分量，直流分量，倍频分量,转子电流分量：基频分量，值流分量,不一样之处,：因为存在阻尼绕组，突然短路时，为保持磁链不变，阻尼绕组中会感应直流电流。,一、突然短路物理过程,二、次暂态电势和次暂态电抗,磁链平衡等值电路,试论电力系统三相短路的暂态过程,第47页,1、纵轴向等值电路,应用戴维南定理能够导出：,次暂态电势和暂态电抗等值电路,式中:,试论电力系统三相短路的暂态过程,第48页,其中：称为横轴次暂态电势；,称为纵轴次暂态电抗。,2、横轴向等值电路,一样可得,试论电力系统三相短路的暂态过程,第49页,其中：称为纵轴次暂态电势；,称为横轴次暂态电抗。,试论电力系统三相短路的暂态过程,第50页,当电机处于稳态或忽略变压器电势时，定子电势方程：,引入次暂态电势和次暂态电抗以后，同时电机磁链平衡方程：,磁链平衡方程和定子电势方程,试论电力系统三相短路的暂态过程,第51页,相量形式：,其中：称为次暂态电势。,相量图：,试论电力系统三相短路的暂态过程,第52页,采取等值隐极机处理,简化次暂态参数等值电路,略去右端第三项,普通地，当转子各回路磁链守恒时，宜采取暂态（次暂态）参数列写电势方程；当励磁绕组电流不变时，则采取稳态参数电势方程。,各电势之间关系：,试论电力系统三相短路的暂态过程,第53页,三、有阻尼绕组电机短路电流,分析方法：,应用磁链守恒标准确定各绕组电流各种分量,确定自由电流衰减时间常数,得到各绕组总电流计算式,定子基频电流和转子绕组直流共同作用，使定子绕组交变磁链为零，转子绕组磁链保持初值不变；,定子直流分量和倍频分量以及转子绕组基频电流共同作用，使定子各绕组磁链保持初值不变，转子各绕组交变磁链为零。,试论电力系统三相短路的暂态过程,第54页,利用磁链平衡等值电路图，分别作出计算定子电流基频分量和转子直流分量等值电路以及计算定子直流分量（包含倍频分量）和转子基频分量等值电路。阻尼绕组电流强制分量为零。,计算定子电流基频分量和转子直流分量等值电路,计算定子直流分量（包含倍频分量）和转子基频分量等值电路,试论电力系统三相短路的暂态过程,第55页,负载下突然短路计算,当短路进入稳态后，若有 ，则有,纵轴基频分量自由分量：,横轴基频分量自由分量：,试论电力系统三相短路的暂态过程,第56页,转子各绕组自由电流,励磁绕组和d轴阻尼绕组磁链初值：,试论电力系统三相短路的暂态过程,第57页,q轴方向上：,q轴阻尼绕组磁链初值：,试论电力系统三相短路的暂态过程,第58页,定子三相磁链初值d、q分量：,试论电力系统三相短路的暂态过程,第59页,q轴方向上：,定子电流d、q轴分量：,试论电力系统三相短路的暂态过程,第60页,转子各绕组电流,励磁绕组电流：,纵轴阻尼绕组电流：,横轴阻尼绕组电流：,试论电力系统三相短路的暂态过程,第61页,1、定子直流和倍频分量以及转子电流基频分量按照定子绕组时间常数 衰减。,三、自由电流衰减,2、定子横轴基频电流自由分量同横轴阻尼绕组自由直流按照横轴阻尼绕组时间常数 衰减。,确定 等值电路,：定子绕组,开路时,横轴阻尼绕组时间常数。,试论电力系统三相短路的暂态过程,第62页,3、定子纵轴基频电流自由分量同励磁绕组和纵轴阻尼绕组自由直流按照不一样时间常数衰减。其中次暂态分量时间常数为 ；暂态分量时间常数为 。,注意：,时间常数 和 比较准确数值应由纵轴运算电抗 零点确定。,其中：,试论电力系统三相短路的暂态过程,第63页,时间常数 和 近似计算,突然三相短路时定子基频电流峰值改变曲线,试论电力系统三相短路的暂态过程,第64页,在实际计算中，常,以阻尼绕组电流为零,（相当于阻尼绕组开路或不存在），而对励磁绕组依然以磁链守恒为条件，利用电机暂态参数计算纵轴基频自由电流,暂态分量,。,次暂态分量：,对励磁绕组自由直流，也以阻尼绕组开路为条件，计算其,暂态分量,。,试论电力系统三相短路的暂态过程,第65页,注意：,对于有阻尼绕组同时发电机，在扰动前后不发生突变是次暂态电势 和 。若在阻尼绕组不存在假设按 确定暂态电势 ，则在运行状态突变瞬间 。,次暂态分量：,定子电流d、q轴分量：,试论电力系统三相短路的暂态过程,第66页,定子a相电流：,励磁绕组电流：,试论电力系统三相短路的暂态过程,第67页,有阻尼绕组电机空载突然三相短路电流波形,试论电力系统三相短路的暂态过程,第68页,假如短路不是直接发生在发电机端，而是在有外接电抗 之后，可认为是在发电机定子绕组漏电抗增大了 。在计算电流或时间常数时，只要用 、和 去分别代替 、和 就可。因为外接电抗 已计入定子漏抗，则电压 将不再是机端电压，而应取为,短路点,电压。,试论电力系统三相短路的暂态过程,第69页,5.6 强行励磁对短路暂态过程影响,当发生短路或因为其它原因使机端电压显著下降时，强行励磁装置动作，使施于励磁绕组电压,增大，从而增大励磁电流以恢复极端电压。通常假定励磁电压 从它初值按指数规律上升到某一终值 ，其改变规律为：,试论电力系统三相短路的暂态过程,第70页,定子电流强励增量象函数：,不计阻尼绕组影响，且 ，则有,试论电力系统三相短路的暂态过程,第71页,短途经程中，端电压能否恢复到额定值？何时恢复到额定值？这同短路点远近相关。,1、短路点很远，即 很大，端电压经临界时间 恢复到额定值 。,2、短路点很近，即 很小，端电压不能恢复到额定值 。,3、在临界电抗 下发生短路，端电压刚好在暂态过程结束时恢复到额定值 。,4、若 ，则稳态短路电流值为 ；若 ，则可得到相对应临界时间 ，当 时，短路电流基频分量将保持不变。即,试论电力系统三相短路的暂态过程,第72页,强行励磁对短路电流和机端电压影响,试论电力系统三相短路的暂态过程,第73页,