《電力系統(tǒng)暫態(tài)分析》第一章提綱.docVIP

第一章 電力系統(tǒng)故障分析的基本知識第一節(jié) 概述一、故障1定義：指非正常的運行。2分類第一種分類法，分為 （1）簡單故障：值某一時刻一處發(fā)生故障。（2）復雜故障：指某一時刻兩處及以上同時發(fā)生故障。第二類分類法，分為（1）短路（又稱橫向故障）。又可分為三相短路：屬對稱性故障，用符號表示，發(fā)生概率是5%。兩相短路：屬不對稱性故障，用符號表示，發(fā)生概率是10%。單相接地短路：屬不對稱性故障，用符號表示，發(fā)生概率是65%。兩相接地短路：屬不對稱性故障，用符號表示，發(fā)生概率是20%。（2）斷線（又稱縱向故障，也稱為非全相運行）。又可分為一相斷線：屬不對稱性故障。兩相斷線：屬不對稱性故障。3歸納（1）形式上分：短路故障和斷線故障，或簡單故障和復雜故障。（2）分析方法上分：不對稱故障和對稱故障。（3）計算方法上分：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、短路是電力系統(tǒng)最常見、也是最嚴重的故障。1定義：指正常情況以外的相與相或相與地（對于中性點接地的系統(tǒng)）之間的連接。2原因根本原因：電氣設備載流體部分相與相之間或相與地之間絕緣被損壞。具體原因：包括客觀原因和主觀原因?？陀^原因有：絕緣材料自然老化，雷擊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，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，人為誤操作（如檢修后未拆接地線加壓、帶負荷拉刀閘等）等。3危害（或后果）可以從短路時五個方面的現(xiàn)象來說明。（1）現(xiàn)象：短路電流急劇增大。危害：電氣設備發(fā)熱增加，可能過熱損壞。載流體間機械力加大，變形甚至損壞。（2）現(xiàn)象：短路點產(chǎn)生電弧。危害：高溫，可能燒壞電氣設備。（3）現(xiàn)象：電力網(wǎng)絡電壓下降。危害：系統(tǒng)最主要負荷異步電動機轉矩減小，影響用戶正常工作，造成減產(chǎn)、停產(chǎn)、產(chǎn)品質量下降。（4）現(xiàn)象：電網(wǎng)結構改變，引起功率分布變化。危害：發(fā)電機輸入輸出功率失衡，轉子加速，有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，引起大面積停電。這是短路造成的最嚴重危害。（5）現(xiàn)象：接地短路產(chǎn)生不平衡電流。危害：不平衡電流產(chǎn)生不平衡磁通會在鄰近的通訊線路上感應出很大的電動勢，干擾通訊。甚至危及設備和人身安全。4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。（1）選擇電氣設備。（2）校驗電氣設備。（3）為比較和選擇電氣主接線提供依據(jù)。（4）為繼電保護設計和整定提供依據(jù)。（5）確定限制短路電流的措施。（6）事故分析。第二節(jié) 標幺值一、標幺值的概念1定義：2對標幺值的理解（1）并非新鮮事物，日常生活經(jīng)常使用?！纠?-1】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，就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）同一個實際值，當所選的基準值不同時，標幺值也就不同。所以當我們說一個物理量的標幺值時，必須同時說明是以什么作為基值，否則光說一個標幺值是沒有意義的。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1-2】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電壓作為基準值，則其標幺值為 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?！纠?-3】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 ； 設電流、電壓、功率的基準值為、。則 ； ； 【例1-4】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 （1-4）如果選定各量基準值滿足以下約束關系 （1-5）則有 （1-6）即在標幺值條件下，三相電路的關系式類似于單相電路。意義：只要遵守（1-5）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，只不過要注意換算成有名值時它們的基準值是不一樣的。這樣給三相系統(tǒng)的計算帶來很大的方便。由于必須滿足（1-5）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（1-5）是導出。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 （1-7）工程慣用值：MVA或MVA；或。 四、標幺值的換算1問題的提出 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。2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 （1-8）可得 （1-9）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。3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。發(fā)電機：已知（小數(shù)形式） 變壓器：已知，為短路電壓百分值 電抗器：已知，為電抗百分值 輸電線：已知每公里電抗值，線路長度 五、多級電壓系統(tǒng)中元件參數(shù)標幺值的計算1問題的提出電力系統(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。2計算方法根據(jù)選用的變壓器變比的方式不同，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：選定基準功率。選定某一電壓等級電網(wǎng)的基準電壓。按變壓器的實際變比計算各電壓等級電網(wǎng)的基準電壓、。計算各電壓等級電網(wǎng)的基準電流和基準阻抗 ； ；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。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。平均電壓：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，則平均電壓我國電力系統(tǒng)中常用的各電壓等級的平均電壓規(guī)定如下：3610351102203305003.156.310.537*115*230*345*525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：選定基準功率。計算各電壓等級電網(wǎng)的基準電流和基準阻抗 ； ； ；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。采用平均變比和平均電壓概念后，相當于把各級額定電壓當成平均電壓來對待。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 容量大，則電抗小電抗器：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。即輸電線： 電壓越高，則電抗越小。電抗與電壓的平方成反比?！纠?-5】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?！窘狻浚?）準確計算法。等值電路為選第段為基本段，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。等值電路為仍取。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頻率角速度弧度/秒時間秒，其物理意義是：以同步轉速旋轉一個弧度所需要的時間。 據(jù)此有 當時，還有以下關系 有名值 標么值 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這是一個相對的概念，客觀上不存在無限大功率電源。當一個電源容量比另一個電源容量大810倍以上時，大者可認為是無限大功率電源。無限大功率電源，當外電路發(fā)生短路（一種擾動)所引起的功率改變是微不足道的。即 從而有 ；基于此，無限大功率電源有如下性質：（1）頻率不變。（2）端電壓不變。（3）功率無窮大。（4）內阻抗為零。二、暫態(tài)過程分析討論點發(fā)生三相短路的情況。電源電動勢為式中：電源電勢的初始相角三相短路是對稱性短路，因此可僅取一相（例如相）進行分析。由短路后相電路寫出方程式 應用經(jīng)典法求解微分方程式。第一步：求短路前的相電流 式中： 短路前回路的電流幅值短路前回路的功率因數(shù)角第二步：求短路時的a相電流 式中： 短路后回路的電流幅值； 短路后回路的功率因數(shù)角； 短路后回路的時間常數(shù)； 非周期分量初始值，是一個待定常數(shù)。對和的理解如下：（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。便有所以，三相短路為三、短路電流波形解析 由圖可見：（1）短路電流由兩部分組成：周期分量和非周期分量。（2）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。（3）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。（4）由于非周期分量的存在，波形出現(xiàn)不對稱，而非周期分量曲線本身即為波形對稱軸。這樣，非周期分量起始值越大，短路電流瞬時值就越大。（5）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。（6）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 五、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. 表達式由上圖可知：出現(xiàn)在（即秒）時刻，代入全電流表達式得： 式中：=沖擊系數(shù)； 短路電流周期分量的幅值； 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。六、最大有效值電流1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均方根值。即 （在此，設在該周期內不變，即非周期分量不衰減） 2表達式由上圖可知：最大有效值電流也出現(xiàn)在（即秒）為中心的一個周期內，則 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。七、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 用標幺值