電力系統(tǒng)故障分析課件

電力系統(tǒng)故障分析

叢

偉2015－4－20電力系統(tǒng)故障分析個人簡介工學(xué)博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師山東大學(xué)電氣工程學(xué)院繼電保護研究所副所長1996年考入山東工業(yè)大學(xué)，2005年12月博士畢業(yè)留校2009年開始獨立招收研究生，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護承擔(dān)國家級課題2項，省級課題2項，國家電網(wǎng)公司重大科技項目1項，重點科技項目10余項電力系統(tǒng)故障分析主要內(nèi)容故障分析的基本知識簡單不對稱故障的分析計算不對稱故障時電力系統(tǒng)中各電氣量值的分布計算電力系統(tǒng)故障分析涉及的基本概念：1.什么是暫態(tài)？2.什么是電磁暫態(tài)？3.故障類型4.研究電力系統(tǒng)暫態(tài)過程的方法5.故障計算的基本假設(shè)電力系統(tǒng)故障分析

1.什么是暫態(tài)？

正常情況下電力系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運行，此時發(fā)電廠中原動機的輸入功率和發(fā)電機的輸出功率相平衡，系統(tǒng)的頻率和電壓都是穩(wěn)定的。當(dāng)系統(tǒng)受到某種擾動時，上述功率平衡被打破，系統(tǒng)的運動狀態(tài)也隨之發(fā)生了變化。由于系統(tǒng)中包含有慣性元件，運動狀態(tài)的變化不可能瞬時完成，而必須經(jīng)歷一個過渡狀態(tài)，這種過渡狀態(tài)就稱為暫態(tài)。電力系統(tǒng)故障分析

2.什么是電磁暫態(tài)？

在暫態(tài)過程剛開始的一段時間內(nèi)，系統(tǒng)中的發(fā)電機以及其它轉(zhuǎn)動機械的轉(zhuǎn)速由于慣性作用還來不及變化，暫態(tài)過程主要的決定于各元件的電磁參數(shù)，這一階段稱為電磁暫態(tài)。

電力系統(tǒng)故障分析

3.故障類型：

常見的對電力系統(tǒng)危害比較嚴(yán)重的有：短路、斷相以及各種復(fù)雜故障等。短路故障是電力系統(tǒng)中危害最嚴(yán)重的故障。短路的概念：指電力系統(tǒng)正常運行情況以外的一切相與相之間或相與地之間的“短接”。產(chǎn)生的原因：各種形式的過電壓、絕緣材料的自然老化、臟污、直接機械損傷等；運行人員帶負(fù)荷拉刀閘或線路檢修后未拆除地線就加電壓等誤操作；鳥獸跨接在裸露的載流部分以及自然災(zāi)害等。電力系統(tǒng)故障分析短路的種類：各種短路的示意圖和代表符號

電力系統(tǒng)故障分析短路的基本現(xiàn)象：電流劇烈增加，電壓大幅度下降。短路的后果：（1）長時間的短路電流會使設(shè)備過熱而損壞；（2）電壓大幅度下降會造成產(chǎn)品報廢及設(shè)備損

壞；（3）有可能使并列運行的發(fā)電廠失去同步，破壞系統(tǒng)穩(wěn)定，造成大面積停電；電力系統(tǒng)故障分析

4.斷相故障及復(fù)雜故障：

斷相故障：指電力系統(tǒng)一相斷開或兩相斷開的情況。屬于不對稱性故障。復(fù)雜故障：指在電力系統(tǒng)中的不同地點（兩處或兩處以上）同時發(fā)生不對稱故障的情況。又稱復(fù)故障。電力系統(tǒng)故障分析

5.研究電力系統(tǒng)暫態(tài)過程的方法：

物理模擬法數(shù)學(xué)模擬法：

（1)建立數(shù)學(xué)模型；

（2）求解數(shù)學(xué)模型；

（3）結(jié)果分析。

電力系統(tǒng)故障分析

6.故障計算的基本假設(shè)：

（1）磁路的飽和、磁滯忽略不計，（2）系統(tǒng)中除不對稱故障處以外都可當(dāng)

作是對稱的。（3）各元件的電阻略去不計。（4）短路為金屬性短路。電力系統(tǒng)故障分析故障分析的基本知識

1-1對稱分量法1-2序阻抗的基本概念1-3電力系統(tǒng)相序網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成電力系統(tǒng)故障分析

對稱分量法

一、

對稱分量法

將一組不對稱的三相量看成是三組不同的對稱三相量之和，在線性電路中，應(yīng)用疊加原理，對這三組對稱分量分別按對稱三相電路去解，然后將其結(jié)果疊加起來。這種方法就叫做對稱分量法。電力系統(tǒng)故障分析

（a）正序分量

（b）負(fù)序分量

（c）零序分量

圖3-1三相不對稱相量所對應(yīng)的三組對稱分量

電力系統(tǒng)故障分析電力系統(tǒng)故障分析電力系統(tǒng)故障分析二、對稱分量法在不對稱故障計算中的應(yīng)用電力系統(tǒng)故障分析圖3-5利用對稱分量法分析電力系統(tǒng)的不對稱短路電力系統(tǒng)故障分析對正序網(wǎng)絡(luò)：對負(fù)序網(wǎng)絡(luò)：

對零序網(wǎng)絡(luò)：

電力系統(tǒng)故障分析

各序一相等值網(wǎng)絡(luò)為：（a）正序等效網(wǎng)絡(luò)；（b）負(fù)序等效網(wǎng)絡(luò)；（c）零序等效網(wǎng)絡(luò)圖3-6正序、負(fù)序和零序等效網(wǎng)絡(luò)電力系統(tǒng)故障分析

對任意系統(tǒng)，其短路點各序電壓和電流均滿足以下關(guān)系式：

該式說明了各種不對稱故障時出現(xiàn)的各序電流和電壓之間的相互關(guān)系，表示了不對稱故障的共性。

對各種不對稱故障都適用。電力系統(tǒng)故障分析三、

應(yīng)用對稱分量法計算電力系統(tǒng)不對稱故障的步驟

（1）計算電力系統(tǒng)各元件的各序阻抗；

（2）制定電力系統(tǒng)的各序網(wǎng)絡(luò)；

（3）由各序網(wǎng)絡(luò)和故障條件列出對應(yīng)方程；

（4）從聯(lián)立方程組解出故障點電流和電壓的各序分量，將相應(yīng)的各序分量相加，以求得故障點的各相電流和各相電壓；

（5）計算各序電壓和各序電流在網(wǎng)絡(luò)中的分布，進而求出各指定支路的各相電流和指定節(jié)點的各相電壓。電力系統(tǒng)故障分析

在制定各序網(wǎng)絡(luò)時，必須先了解系統(tǒng)的接線，接地中性點的分布狀況以及各元件的各序參數(shù)和等值電路；進而再分別各序，由短路點開始，查明序電流在網(wǎng)絡(luò)中的流通情況，以確定各序網(wǎng)絡(luò)的組成元件及其網(wǎng)絡(luò)的具體連接。1-4電力系統(tǒng)相序網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成

電力系統(tǒng)故障分析

一、

正序網(wǎng)絡(luò)

正序網(wǎng)絡(luò)就是通常用以計算對稱三相短路時的網(wǎng)絡(luò)，流過正序電流的全部元件的阻抗均用正序阻抗表示。正序電動勢就是發(fā)電機的電動勢。

二、

負(fù)序網(wǎng)絡(luò)

組成負(fù)序網(wǎng)絡(luò)的元件與組成正序網(wǎng)絡(luò)的元件完全相同，各元件的阻抗要用負(fù)序參數(shù)表示。發(fā)電機及各種旋轉(zhuǎn)電機的負(fù)序阻抗與正序阻抗不同，其他靜止元件的負(fù)序阻抗等于正序阻抗。電力系統(tǒng)故障分析三、零序網(wǎng)絡(luò)（1）

不包含電源的電動勢。各元件的阻抗均應(yīng)以零序參數(shù)

表示；（2）

繪制等值網(wǎng)絡(luò)時，只能把有零序電流通過的元件包括

進去，而不通過零序電流的元件，則應(yīng)統(tǒng)統(tǒng)舍去；（3）只有當(dāng)和短路點直接相連的網(wǎng)絡(luò)中至少有一個接地中

性點時，才可以形成一個零序回路。如果與短路點直

接相連的網(wǎng)絡(luò)中有好幾個接地的中性點，那么便有好

幾個零序電流的并聯(lián)支路。（4）變壓器繞組的接法對零序電流的通行路徑有很大影響。（5）連在發(fā)電機或變壓器中性點的元件，其阻抗值擴大為

三倍；（6）平行線路中應(yīng)計及零序互感的影響。電力系統(tǒng)故障分析電力系統(tǒng)故障分析簡單不對稱故障的分析計算

電力系統(tǒng)故障分析4-1

概述

簡單不對稱故障:僅在一處發(fā)生短路或斷線的故障?？煞譃槎悾?/p>

（1）橫向不對稱故障：兩相短路、單相接地短路、兩相接地短路；其特點為由系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的某一點（節(jié)點）和公共參考點（接地點）構(gòu)成故障端口。

（2）縱向不對稱故障：一相斷線、二相斷線；其特點為由電力網(wǎng)絡(luò)中的兩個高電位點之間構(gòu)成故障端口。分析方法：

（1）解析法：聯(lián)立求解三序網(wǎng)絡(luò)方程和故障邊界條件方程；

（2）借助于復(fù)合序網(wǎng)進行求解。電力系統(tǒng)故障分析4-2

橫向不對稱故障的分析計算

圖4－1系統(tǒng)接線圖電力系統(tǒng)故障分析

圖4－2正、負(fù)、零序等值網(wǎng)絡(luò)圖

電力系統(tǒng)故障分析一、二相短路（bc兩相短路）

圖4-3兩相短路時的系統(tǒng)接線圖電力系統(tǒng)故障分析（一）故障邊界條件：轉(zhuǎn)換為對稱分量：

所以電力系統(tǒng)故障分析又即

所以故障邊界條件方程為電力系統(tǒng)故障分析（二）求解方法（1）解析法

聯(lián)立求解（1）、（2）二組方程，可得故障點電流、電壓各序分量為：短路點的各序復(fù)數(shù)功率為：電力系統(tǒng)故障分析故障處各相電流電壓為：

當(dāng)故障點遠(yuǎn)離發(fā)電機時，可認(rèn)為

，此時

電力系統(tǒng)故障分析（2）復(fù)合序網(wǎng)法由故障邊界條件：

可知序網(wǎng)連接方式為：圖4－4兩相短路時的序網(wǎng)及復(fù)合序網(wǎng)圖電力系統(tǒng)故障分析（三）故障點電流電壓向量圖：

圖4－5兩相短路時短路處的電壓電流相量圖電力系統(tǒng)故障分析

(四)兩相短路的基本特點：

（1）

短路電壓電流中不存在零序分量；

（2）

兩故障相中的短路電流的絕對值相等，方向相反，數(shù)值上為正序電流的

倍；

（3）當(dāng)在遠(yuǎn)離發(fā)電機的地方發(fā)生兩相短路時，可通過對序網(wǎng)進行三相短路計算來近似求兩相短路的電流；

（4）

兩相短路時的正序電流在數(shù)值上與在短路點加一個附加阻抗

構(gòu)成一個增廣正序網(wǎng)而發(fā)生三相短路時的電流相等。即

（5）

短路點兩故障相電壓總是大小相等，數(shù)值上為非故障相電壓的一半，兩故障相電壓相位上總是相同，但與非故障相電壓方向相反。電力系統(tǒng)故障分析二

、

單相接地短路（A相）

圖4-6單相接地短路時系統(tǒng)接線圖電力系統(tǒng)故障分析（一）故障邊界條件：

轉(zhuǎn)換為對稱分量：

注：A相短路選基準(zhǔn)相為A相，B相短路選基準(zhǔn)相為B相，C相短路選基準(zhǔn)相為C相。電力系統(tǒng)故障分析（二）復(fù)合序網(wǎng)電力系統(tǒng)故障分析短路處各序功率為：

短路點各相電流電壓為：

電力系統(tǒng)故障分析（三）向量圖：（假定阻抗為純電抗）圖4－8單相接地短路處的電壓電流相量圖電力系統(tǒng)故障分析（四）基本特點：（1）短路點各序電流大小相等，方向相同。（2）短路點正序電流大小與短路點原正序網(wǎng)絡(luò)上增加一個附加阻抗而發(fā)生三相短路時的電流相等。（3）短路點故障相電壓等于零。（4）若兩非故障相電壓的幅值總相等，相位差的大小決定于。當(dāng)有電力系統(tǒng)故障分析

三、

兩相接地短路（bc相接地）

圖4－9兩相接地短路時的系統(tǒng)接線圖電力系統(tǒng)故障分析（一）故障邊界條件：

轉(zhuǎn)換為對稱分量，有注意：bc相接地短路故障時，a相為基準(zhǔn)相；ca相接地短路故障時，b相為基準(zhǔn)相；ab相接地短路故障時，c相為基準(zhǔn)相。電力系統(tǒng)故障分析（二）復(fù)合序網(wǎng)電力系統(tǒng)故障分析故障點各相電氣量為：

當(dāng)

為純電抗時，兩故障相電流為：

電力系統(tǒng)故障分析將代入上式，并取絕對值，整理后可得：

兩相接地短路時，流入地中的電流為故障處各相電壓為

電力系統(tǒng)故障分析（三）向量圖：

圖4-11兩相接地短路處電壓電流相量圖電力系統(tǒng)故障分析（四）基本特點：(1)短路處正序電流與在原正序網(wǎng)絡(luò)上增接一個附加阻抗

后而發(fā)生三相短路時的短路電流相等；

(2)短路處兩故障相電壓等于零；(3)在假定

阻抗角相等的情況下，兩故障相電流的幅值總相等,其夾角

隨

的不同而不同。(4)流入地中的電流等于兩故障電流之和電力系統(tǒng)故障分析

四、

幾點結(jié)論

1.正序等效定則：不對稱短路故障時故障支路的正序分量電流，等于故障點每相加上一個附加阻抗后發(fā)生三相短路的電流。

其中

故障前故障點基準(zhǔn)相的運行相電壓；

與短路點故障類型有關(guān)的阻抗：；電力系統(tǒng)故障分析

2.關(guān)于基準(zhǔn)相的選擇

在短路故障中，一般選故障時故障處三相中的特殊相作為基準(zhǔn)相。

特殊相指的是故障處與另兩相情況不同的那一相。例如，單相接地短路故障相為特殊相，兩相短路和兩相接地短路選非故障相為特殊相。

選特殊相為基準(zhǔn)相后，同一類型短路故障發(fā)生在不同相上時，基準(zhǔn)相的序分量條件不會改變，于是復(fù)合序網(wǎng)的形式不會改變，計算公式、結(jié)論不會改變，只是表達(dá)式中下腳符號改變而已。電力系統(tǒng)故障分析

例如：b相單相接地短路，b相為特殊相。若選b相為基準(zhǔn)相，則邊界條件為：若仍選a相為基準(zhǔn)相，則邊界條件為：

出現(xiàn)了

，使算式和復(fù)合序網(wǎng)的連接復(fù)雜化。

電力系統(tǒng)故障分析

3.關(guān)于復(fù)合序網(wǎng)

(1)

電力系統(tǒng)某一故障點的正序網(wǎng)絡(luò)、負(fù)序網(wǎng)絡(luò)、零序網(wǎng)絡(luò)，屬于基本序網(wǎng)，與故障類型、相別無關(guān)。但由各序網(wǎng)組合成的復(fù)合序網(wǎng)與短路故障的類型、相別有關(guān)。(2)

串連型故障：其復(fù)合序網(wǎng)由三個獨