【正文】 1 第五章 電力系統(tǒng)三相短路 的暫態(tài)過程 51 短路的一般概念 52 恒定電勢(shì)源電路的三相短路 53 同步電機(jī)突然三相短路的物理分析 54 無阻尼繞組同步電機(jī)三相短路電流計(jì)算 55 有阻尼繞組同步電機(jī)的突然三相短路 56 強(qiáng)行勵(lì)磁對(duì)短路暫態(tài)過程的影響 2 51 短路的一般概念 一、短路原因、類型及后果 ① 電力系統(tǒng)的故障 ——正常運(yùn)行狀態(tài)受到破壞 故障類型 短路原因 (1) 元件損壞、絕緣老化； (2) 氣象條件惡化； (3) 違規(guī)操作； (4) 其他。 注意： 短路是嚴(yán)重故障，可能對(duì)電力系統(tǒng)及設(shè)備造成嚴(yán)重破壞！與之比較 斷相故障相對(duì)輕微； 短路分析是故障分析的重點(diǎn)！ 故障簡(jiǎn)單故障復(fù)雜故障 ： 2 或多出同時(shí)發(fā)生簡(jiǎn)單故障短路 ： 相 相 、 相 地 絕緣破壞而短接而形成通路斷線 ： 一相 、 或兩相斷開( 斷相 )縱 向 故 障 橫 向 故 障3 短路類型 符號(hào) 示意圖 特點(diǎn) 三相短路 f (3) 對(duì)稱 故障 兩相短路 f (2) 非對(duì)稱 故障 兩相 接地短路 f (1,1) 非對(duì)稱 故障 單相 接地短路 f (1) 非對(duì)稱 故障 51 短路的一般概念 一、短路原因、類型及后果② 短路的類型 4 51 短路的一般概念 一、短路原因、類型及后果 ③ 短路的類型 ——注意的幾個(gè)基本概念 (1) 對(duì)稱、不對(duì)稱短路； (2) 金屬性、非金屬性； (3) 短路發(fā)生的幾率 —— 幾率 大 → 小 依次為： 單相接地短路、兩相短路、兩相接地短路；三相短路 (4) 危害程度：一般，與 (3)相反！ 5 51 短路的一般概念 一、短路原因、類型及后果 ④ 短路的危害 短路后的基本現(xiàn)象 ——電流急劇大幅增大；電壓急劇大幅下降！ (1) 短路電流 使設(shè)備電動(dòng)力穩(wěn)定破壞； (2) 短路電流 使設(shè)備熱效應(yīng)穩(wěn)定破壞，嚴(yán)重者因其火災(zāi)； (3) 影響用戶正常生產(chǎn)、設(shè)置損壞用戶設(shè)備； (4) 引起電力系統(tǒng)穩(wěn)定性破壞，甚至造成系統(tǒng)瓦解、大面積停電； (5) 負(fù)序電流引起同步發(fā)電機(jī)等設(shè)備損壞； (6) 零序電流干擾電力線路周圍的通訊線路 6 51 短路的一般概念 二、短路計(jì)算的目的 短路計(jì)算是電力系統(tǒng)故障分析的主要內(nèi)容之一！ (1) 選擇電氣設(shè)備時(shí)的熱穩(wěn)定、動(dòng)穩(wěn)定、斷路器開斷能力等的校驗(yàn)； (2) 繼電保護(hù)、安全自動(dòng)裝置的整定； (3) 發(fā)電廠等重要負(fù)荷母線短路殘壓校驗(yàn)，確定限制短路電流的措施； (4) 短路計(jì)算是暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算中的基本內(nèi)容之一； (5) 校驗(yàn)對(duì)通訊線路的干擾程度。 短路計(jì)算的基本前提 ——短路計(jì)算條件： (1) 短路前的系統(tǒng)條件（正常運(yùn)行狀態(tài)） ——包括 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、投入設(shè)備、變壓器中性點(diǎn)運(yùn)行方式、負(fù)荷水平、潮流計(jì)算結(jié)果等； (2) 短路位置、類型、繼電保護(hù)與重合閘方式及其有關(guān)時(shí)限等短路計(jì)算控制信息。 7 三、故障分析中的基本假設(shè) 假定同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速維持不變：由于電磁暫態(tài)過程的時(shí)間很短，系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)變化非常微?。ㄓ袘T性）； 各發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)間的相位角 ―相對(duì)功率角變； 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率保持不變。 不考慮機(jī)電的相互作用！ 51 短路的一般概念 8 51 短路的一般概念 四、短路故障的基本分析方法 短路后的瞬間、暫態(tài)過程起始階段： 電氣量劇烈變化，采用微分方程分析，即：建立系統(tǒng)的微分方程模型（暫態(tài)模型），根據(jù)短路條件求解微分方程組。（以發(fā)電機(jī)機(jī)端三相短路為例進(jìn)行分析） 短路后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)： 各電氣量幅值、相位、頻率均不再變化，采用相量分析（類似于穩(wěn)態(tài)計(jì)算），求解代數(shù)方程組。（對(duì)稱分量法） 9 52 無限大功率電源供電系統(tǒng)的三相短路分析 一、無限大功率電源的概念 理想無限大功率電源 電源功率為無限大。外電路發(fā)生任何擾動(dòng) ——即使是短路等大擾動(dòng)，電源的電壓和頻率（對(duì)應(yīng)于同步機(jī)的轉(zhuǎn)速）保持恒定。 3個(gè)特點(diǎn)： P=∞——f 恒定； Q=∞——V 恒定，內(nèi)阻抗 =0 ； 任何外部電路擾動(dòng)，電源內(nèi)部都不會(huì)有暫態(tài)過程！ 理想的無限大功率電源實(shí)質(zhì)上就是“恒定電勢(shì)源” ——用 S∞ 表示 實(shí)際應(yīng)用 ——利用 S∞ 的概念簡(jiǎn)化分析計(jì)算 (1) 由多個(gè)有限功率電源并聯(lián)組成的等值系統(tǒng)，擾動(dòng)引起的 P、 Q 變化，遠(yuǎn)小于等值系統(tǒng)功率，可以當(dāng)作無限大功率電源； (2) 短路時(shí)，等值系統(tǒng)的等值電源阻抗 (“系統(tǒng)阻抗” ) 外回路阻抗的 10%，外部電路短路時(shí)，等值系統(tǒng)母線電壓近似恒定 ——可以視為 S∞ 。 10 52 無限大功率電源供電系統(tǒng)的三相短路分析 二、 暫態(tài)過程分析 ??ame E sin( ω t α )0bme = E s i n ( ω t+ α 1 2 0 )? 0cme = E s i n ( ω t+ α 1 2 0 )當(dāng)在 f點(diǎn)發(fā)生三相短路時(shí)，電路被分成兩個(gè)獨(dú)立的回路。左邊回路仍與電源連接，右邊回路則沒有電源。 R39。R39。R39。R39。L39。L39。LLLL)3(fRRaibici11 0()()LLa r c t gRR??? ??? ????0 2 2 2( ) ( )mm mEIIR R L L?????? ? ?上圖所示的三相短路，短路發(fā)生前，電路處于穩(wěn)態(tài)，其 a 相的電流表達(dá)式為 s i n ( )mi I t? ? ? ?? ? ? 右邊回路中，電流將從短路發(fā)生瞬間的值不斷衰減，一直到磁場(chǎng)中儲(chǔ)存的能量全部變?yōu)殡娮柚兴牡臒崮?，電流即衰減為零。 左邊回路中，每相阻抗由原來的 (R+R’)+jω (L+L’) 減小為 R+j ωL ，其穩(wěn)態(tài)電流必將增大。 式中 12 短路后回路滿足以下方程 ?tap cei?? RL??s i n ( )p p mi I t? ? ?? ? ?22()mpmEIRL ??? RLa r ct g ?? ?其中 13 由于電感電流不能突變，因此有： ( 0 )i ? ? (0 )i ?.0 s in ( ) s in ( )a p m p mc i I I? ? ? ??? ? ? ? ? C 值的確定 ( 0 ) s i n ( )miI ??? ???( 0 ) s i n ( )pmi I c??? ? ? ?代入通解得到： ?? 0t??0t14 從而，短路全電流： 不衰減！ 衰減時(shí)間常數(shù)： Ta = L/ R 交流分量 衰減的直流分量 sin( ) sin( ) sin( ) tpm m pmi I t I I e ?? ? ? ? ? ? ? ????? ? ? ? ? ? ???由于三相電路對(duì)稱，只要用 (α+120186。) 和 (α120186。 )代替式中的 α就可分別得到 b相和 c相的電流表達(dá)式 15 影響 iap0的因素 —— iap0 取最大值的條件： 由 t=0時(shí)， a相的交流分量的相量圖 a相 短路電流的直流分量最大值的條件： １、 =90186。 ２、 Im[0] =0 ３、 α=0 即短路前為空載 ip 0??mIpmI m pmII?i a p 0i[ 0 ] ???mEtφ最嚴(yán)重的 短路條件 ！ 16 三相短路電流特點(diǎn)總結(jié)： (1) 由于電源為“無限大”，短路后暫態(tài)過程與電源內(nèi)部無關(guān)，僅決定于外部短路回路特性。 (2) 短路后暫態(tài)過程中，每相短路電流有 2種成份： 強(qiáng)制分量：基頻、交流，三相對(duì)稱，幅值由電源電壓決定，恒定不衰減， 其值因短路時(shí)阻抗減小而比短路前正常穩(wěn)態(tài)電流大得多！ 自由分量：直流，三相不相等；由短路瞬間電感電流不能突變而產(chǎn)生！ 以短路回路時(shí)間常數(shù)衰減，穩(wěn)態(tài)短路后衰減為 0 ！ 暫態(tài)過程中，三相電流并不對(duì)稱！ (3) 短路至穩(wěn)態(tài)后，穩(wěn)態(tài)短路電流即為全電流中的強(qiáng)制分量，三相對(duì)稱！ (4) 由于自由直流分量的存在，暫態(tài)過程中的短路全電流波形不對(duì)稱于時(shí)間軸 ——在某一瞬間將出現(xiàn)最大瞬時(shí)值！ 52 無限大功率電源供電系統(tǒng)的三相短路分析 二、 暫態(tài)過程分析 17 無窮大電源供電系統(tǒng)短路全電流波形圖 交 流 分 量 不 衰減！ 18 (一 ) 短路沖擊電流： iim——短路全電流的最大可能瞬時(shí)值 —— 對(duì)應(yīng)最嚴(yán)重短路條件！ 52 無限大功率電源供電系統(tǒng)的三相短路分析 三、短路沖擊電流和短路全電流最大有效值 20 .0 1 ( 1 )TT aim tpmiiIe?????0 . 0 1 /1 aTimke???im im p mi k I?iipia pii[ 0 ]TT / 2ii m 10120 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5Ip m19 R↓→Ta↑→ kim↑ 52 無限大功率電源供電系統(tǒng)的三相短路分析 三、短路沖擊