第八章-電力系統(tǒng)三相短路的暫態(tài)過程

第八章--電力系統(tǒng)三相短路的暫態(tài)過程第一頁，共33頁。提出短路的基本概念、短路造成的危害以及短路計算的目的；假設(shè)發(fā)電機容量為無限大、電壓及頻率為恒定的條件下，對電力系統(tǒng)三相短路的暫態(tài)過程、短路電流及功率進行了分析；實際發(fā)電機突然發(fā)生三相短路，忽略阻尼繞組，分析其暫態(tài)過程；計及阻尼繞組，分析發(fā)電機三相短路的暫態(tài)過程。同步發(fā)電機發(fā)生三相短路，強行勵磁裝置對短路暫態(tài)過程的影響分析。本章提示第二頁，共33頁。短路:是指電力系統(tǒng)正常運行情況以外的相與相之間或相與地（或中性線）之間的連接。產(chǎn)生短路故障的主要原因是：電力設(shè)備絕緣損壞。引起絕緣損壞的原因：各種形式的過電壓（如雷擊過電壓或操作過電壓）引起的絕緣子、絕緣套管表面閃絡(luò)；絕緣材料惡化等原因引起絕緣介質(zhì)擊穿；惡劣的自然條件及鳥獸跨接裸露導(dǎo)體造成短路；運行人員的誤操作等。8.1短路的基本概念第三頁，共33頁。短路故障分為：單相接地短路發(fā)生的幾率達65%左右。短路故障大多數(shù)發(fā)生在架空輸電線路。電力系統(tǒng)中在不同地點發(fā)生短路，稱為多重短路。三相短路兩相短路單相接地短路兩相接地短路。不對稱短路對稱短路第四頁，共33頁。短路對電力系統(tǒng)的正常運行和電氣設(shè)備有很大的危害：

短路回路中的電流大大增加。其熱效應(yīng)會引起導(dǎo)體或其絕緣的損壞；同時電動力效應(yīng)也可能使導(dǎo)體變形或損壞。破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性是短路可能造成的最嚴重后果。

短路還會引起電網(wǎng)中電壓降低，結(jié)果可能使部分用戶的供電受到破壞，用電設(shè)備不能正常工作。

不對稱短路所引起的不平衡電流，產(chǎn)生不平衡磁通，會在鄰近的平行通信線路內(nèi)感應(yīng)出電動勢，造成對通信系統(tǒng)的干擾，威脅人身和設(shè)備安全。

由于短路引起系統(tǒng)中功率分布的變化，發(fā)電機輸出功率與輸入功率不平衡，可能會引起并列運行的發(fā)電機失去同步，使系統(tǒng)瓦解，造成大面積停電。第五頁，共33頁。電力系統(tǒng)要采取適當?shù)拇胧┙档投搪饭收系陌l(fā)生概率，如：采用合理的防雷設(shè)施，加強運行維護管理等。通過采用繼電保護裝置，迅速作用于切除故障設(shè)備，保證無故障部分的安全運行。架空線路普遍采用自動重合閘裝置，發(fā)生短路時斷路器迅速跳閘，經(jīng)一定時間（0.4~1s）斷路器自動合閘。線路上的電抗器，通常也是為限制短路電流而裝設(shè)的。第六頁，共33頁。短路計算目的：選擇有足夠電動力穩(wěn)定和熱穩(wěn)定性的電氣設(shè)備，合理的配置繼電保護及自動裝置，并正確整定其參數(shù)。選擇最佳的主接線方案。進行電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的計算。確定電力線路對鄰近通信線路的干擾等，第七頁，共33頁。電力系統(tǒng)的短路故障也稱為橫向故障，因為它是相間或相對地的故障；一相或兩相斷線的情況，為斷線故障，也稱縱向故障。第八頁，共33頁。8.2無限大功率電源供電系統(tǒng)的

三相短路分析8.2.1無限大功率電源8.2.2暫態(tài)過程分析8.2.3短路電流及短路功率的計算第九頁，共33頁。無限大功率電源是個相對概念。若電源的內(nèi)阻抗小于短路回路總阻抗的10%，即可以認為電源為無限大電源。例如，多臺發(fā)電機并聯(lián)運行或短路點遠離電源等情況，都可以看作無限大功率電源供電的系統(tǒng)。無限大功率電源：假設(shè)電源的容量為無限大，其電壓和頻率保持恒定，內(nèi)阻抗為零。8.2.1無限大功率電源第十頁，共33頁。一無限大功率電源供電的三相對稱系統(tǒng)，短路發(fā)生前，電路處于穩(wěn)定狀態(tài)，三相電流對稱，式中：分別為短路前每相的電阻與電感。角為短路（或合閘）前瞬間電壓的相位角，也稱為合閘角。假設(shè)a相的電源電壓為，電流為8.2.2暫態(tài)過程分析第十一頁，共33頁。該方程為一階常系數(shù)、線性、非齊次常微分方程。其解即為短路時的全電流，包括穩(wěn)態(tài)分量與暫態(tài)分量假設(shè)在t=0s時，系統(tǒng)點發(fā)生三相短路與無限大功率電源相連的左側(cè)電路，此時電路仍然為對稱電路以a相為例，滿足以下微分方程：第十二頁，共33頁。穩(wěn)態(tài)分量：電路達到穩(wěn)態(tài)時的短路電流又稱交流分量、強制分量或周期分量，與所在相的電源電壓有相同的變化規(guī)律，即：第十三頁，共33頁。暫態(tài)分量：（又稱自由分量或非周期分量）是按指數(shù)規(guī)律不斷衰減的電流，衰減的速度與時間常數(shù)成正比。A為待定積分常數(shù)，由電路的初始條件決定。電感中的電流不能躍變，短路前后瞬間電流值應(yīng)相等，將t=0代入即有：則短路全電流表達式為：第十四頁，共33頁。短路全電流為：可見：三相短路電流的周期分量是一組對稱正弦量，其幅值由電源電壓幅值及短路回路總阻抗決定，相位彼此互差；各相短路電流的非周期分量具有不同的初始值，并按照指數(shù)規(guī)律衰減，衰減的時間常數(shù)為非周期分量衰減趨于零，表明暫態(tài)過程結(jié)束，電路進入新的穩(wěn)定狀態(tài)。第十五頁，共33頁。短路沖擊電流短路前電路為空載狀態(tài)，。短路回路的感抗遠大于電阻R，

短路沖擊電流出現(xiàn)的條件：最大可能的短路電流瞬時值稱為短路沖擊電流，以表示8.2.3短路電流及短路功率的計算第十六頁，共33頁。短路沖擊電流短路沖擊電流，在短路發(fā)生后約半個周期，即（設(shè)頻率為50Hz）出現(xiàn)。式中稱為沖擊系數(shù)，即沖擊電流值相對于故障后周期電流幅值的倍數(shù)。其值與時間常數(shù)有關(guān)，通常取為1.8~1.9。

沖擊電流主要用于檢驗電氣設(shè)備和載流導(dǎo)體的動穩(wěn)定度。沖擊電流：第十七頁，共33頁。短路全電流有效值在三相短路的暫態(tài)過程中，任一時刻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)瞬時電流的方均根值。假設(shè)周期分量在計算周期內(nèi)幅值恒定，t時刻的周期電流有效值為假設(shè)非周期分量在以時間t為中心的一個周期內(nèi)不變，因此其有效值等于瞬時值，即因此t時刻短路全電流的有效值為：第十八頁，共33頁。短路全電流有效值=

短路全電流的最大有效值也是發(fā)生在短路后半個周期，其值為：短路全電流有效值用來校驗設(shè)備的熱穩(wěn)定第十九頁，共33頁。短路功率

短路功率也稱短路容量，等于短路電流有效值與短路點處的正常工作電壓（一般用平均額定電壓）的乘積，用標么值表示時，有在短路電流的實用計算中，常用短路周期分量電流的初始有效值來計算短路功率。t時刻的短路功率:短路功率主要用于校驗開關(guān)的切斷能力。第二十頁，共33頁。8.3無阻尼繞組同步發(fā)電機突然

三相短路的分析8.3.1無阻尼繞組同步發(fā)電機突然三相短路的物理分析8.3.2無阻尼繞組同步電機三相短路電流計算第二十一頁，共33頁。在實際電力系統(tǒng)中，發(fā)生突然短路時，作為電源，同步發(fā)電機的內(nèi)部也要出現(xiàn)暫態(tài)過程，其機端電壓和頻率都將發(fā)生變化。一般情況下，分析電力系統(tǒng)短路時，必須計及同步電機的暫態(tài)過程。由于同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子慣性較大，可以近似認為轉(zhuǎn)子保持同步轉(zhuǎn)速，頻率恒定。8.3.1無阻尼繞組同步發(fā)電機突然三相短路的分析第二十二頁，共33頁。發(fā)電機三相短路的暫態(tài)過程中，定子繞組電流中含有非周期分量、基頻分量及倍頻分量電流。勵磁繞組中將感應(yīng)出直流分量與基頻交流分量電流。在實際電路中，短路后的定子和轉(zhuǎn)子回路電流分量同時出現(xiàn)，相互影響，而不是單方面的作用?；芈分械淖杂煞至拷?jīng)過衰減后，最終達到穩(wěn)態(tài)。假設(shè)t=0時刻發(fā)電機端發(fā)生三相短路，此時。在短路前后瞬間，磁鏈不能突變。第二十三頁，共33頁。發(fā)電機突然三相短路，其空載電勢發(fā)生突變，因此上式不能用來求解短路電流。為了得到定子短路電流，需要找到一個在短路前、后瞬間不突變的電勢及相應(yīng)的電抗。

暫態(tài)電勢與暫態(tài)電抗無阻尼繞組同步發(fā)電機正常穩(wěn)態(tài)運行，忽略定子繞組電阻，發(fā)電機電壓方程的相量形式為8.3.2無阻尼繞組同步電機三相短路電流計算暫態(tài)電勢與暫態(tài)電抗第二十四頁，共33頁。如果同步電機無阻尼繞組，不存在交軸暫態(tài)電抗和縱軸暫態(tài)電勢。圖中，為暫態(tài)電抗后的電勢，為虛構(gòu)電勢，可以近似認為守恒。暫態(tài)電勢與暫態(tài)電抗第二十五頁，共33頁。8.4計及阻尼繞組的同步電機

突然三相短路分析8.4.1次暫態(tài)電勢與次暫態(tài)電抗8.4.2不計各繞組電阻時的三相短路電流8.4.3計及各繞組電阻時的三相短路電流第二十六頁，共33頁。1.交軸次暫態(tài)電勢與直軸次暫態(tài)電抗2.直軸次暫態(tài)電勢及交軸次暫態(tài)電抗圖8.7有阻尼繞組同步發(fā)電機的相量圖8.4.1次暫態(tài)電勢與次暫態(tài)電抗第二十七頁，共33頁。8.4.2不計各繞組電阻時的三相短路電流忽略定子及轉(zhuǎn)子各繞組電阻即

則：

定子各相電流中包含有三種分量：基頻電流分量、非周期電流分量和倍頻電流分量，與無阻尼繞組電機相似，同樣滿足前面的理論分析。第二十八頁，共33頁。1.定子電流非周期分量和倍頻分量的衰減2.定子交軸基頻電流的衰減3.定子縱軸基頻電流的衰減8.4.3計及各繞組電阻時的三相短路電流第二十九頁，共33頁。同步發(fā)電機發(fā)生三相突然短路的暫態(tài)過程：（1）同步發(fā)電機在三相突然短路后，短路電流中含有基頻交流分量、直流分量和倍頻交流分量。（2）基頻交流分量初始值很大，由次暫態(tài)電動勢和次暫態(tài)電抗或暫態(tài)電動勢和暫態(tài)電抗決定。（3）基頻交流分量的衰減規(guī)律與轉(zhuǎn)子繞組中的直流分量衰減規(guī)律一致。經(jīng)暫態(tài)過程后，短路達到穩(wěn)態(tài)。第三十頁，共33頁。8.5強行勵磁對同步電機三相短路的影響

強行勵磁裝置動作時，勵磁電壓的上升規(guī)律可以近似看作由初值按指數(shù)規(guī)律上升到值，如圖8.9所示。

在強行勵磁裝置的作用下，定子電流將得到相應(yīng)的增量，屬于定子電流的強制分量，而且在不計定子回路電阻時，可以視為基頻電流的一項縱軸分量。圖8.9強行勵磁時的變化曲線第三十一