1、主講人：朱曉榮第一章 電力系統故障分析的基本知識本章主要內容：本章主要內容：1 1、短路的一般概念短路的一般概念 3、無窮大功率電源供電的三相短路電流分析與無窮大功率電源供電的三相短路電流分析與計算計算2、標么制的近似計算法、標么制的近似計算法第一節 短路的一般概念l故障故障: :一般指短路和斷線一般指短路和斷線, ,分為簡單故障和復雜故障分為簡單故障和復雜故障l簡單故障簡單故障: :電力系統中的單一故障電力系統中的單一故障l復雜故障復雜故障: :同時發生兩個或兩個以上故障同時發生兩個或兩個以上故障l短路短路: :指一切指一切不正常不正常的相與相之間或相與地之間的相與相之間或相與地之間（對于中

2、性點接地的系統）發生通路的情況。（對于中性點接地的系統）發生通路的情況。表1-1 各種短路的示意圖和代表符號 短路種類 示意圖 代表符號三 相 短 路 f(3) 5 兩 相 短 路 接 地 f(1,1) 20 兩 相 短 路 f(2) 10 單 相 短 路 f(1) 65一、短路的類型 絕緣材料的絕緣材料的自然老化自然老化，設計、安裝及維護不良所帶，設計、安裝及維護不良所帶來的來的設備缺陷設備缺陷發展成短路。發展成短路。惡劣天氣：雷擊造成的惡劣天氣：雷擊造成的閃絡放電或避雷器閃絡放電或避雷器動作，架動作，架空線路由于大風或導線覆冰引起電桿倒塌等。空線路由于大風或導線覆冰引起電桿倒塌等。人為誤操

3、作，如運行人員帶負荷拉刀閘，線路或設人為誤操作，如運行人員帶負荷拉刀閘，線路或設備檢修后未拆除地線就加上電壓引起短路。備檢修后未拆除地線就加上電壓引起短路。挖溝損傷電纜，鳥獸跨接在裸露的載流部分等。挖溝損傷電纜，鳥獸跨接在裸露的載流部分等。二、短路的主要原因二、短路的主要原因(1)(1)電流電流劇增：設備發熱增加，若短路持續時間較長，可劇增：設備發熱增加，若短路持續時間較長，可能使設備過熱甚至損壞能使設備過熱甚至損壞; ;由于短路電流的由于短路電流的電動力電動力效應，效應，導體間還將產生很大的機械應力，致使導體變形甚至導體間還將產生很大的機械應力，致使導體變形甚至損壞。損壞。(2)(2)電壓電

4、壓大幅度下降，對用戶影響很大。大幅度下降，對用戶影響很大。(3)(3)當短路發生地點離電源不遠而持續時間又較長時，并當短路發生地點離電源不遠而持續時間又較長時，并列運行的列運行的發電機可能失去同步發電機可能失去同步，破壞系統運行的穩定，破壞系統運行的穩定性，造成大面積停電，這是短路最嚴重的后果。性，造成大面積停電，這是短路最嚴重的后果。(4)(4)發生不對稱短路時發生不對稱短路時, ,三相不平衡電流三相不平衡電流會在相鄰的通訊會在相鄰的通訊線路感應出電動勢線路感應出電動勢, ,影響通訊影響通訊. .三、短路的危害三、短路的危害(1)限制短路電流（加電抗器） 。(2)繼電保護快切。(3)結線方式

5、。(4)設備選擇.四、減少短路危害的措施四、減少短路危害的措施五、計算短路電流的目的短路電流計算結果短路電流計算結果是選擇電氣設備（斷路器、互感器、瓷瓶、母線、是選擇電氣設備（斷路器、互感器、瓷瓶、母線、電纜等）的依據；電纜等）的依據；是電力系統繼電保護設計和整定的基礎；是電力系統繼電保護設計和整定的基礎；是比較和選擇發電廠和電力系統電氣主接線圖的是比較和選擇發電廠和電力系統電氣主接線圖的依據，根據它可以確定限制短路電流的措施。依據，根據它可以確定限制短路電流的措施。第二節第二節 標幺制標幺制一、計算短路電流的基本假設一、計算短路電流的基本假設1 1、以電網的平均電壓取代元件的額定電壓、以電網

6、的平均電壓取代元件的額定電壓同一電壓級中各元件的額定電壓可能不一樣同一電壓級中各元件的額定電壓可能不一樣線路首端，升壓變壓器二次側高出線路首端，升壓變壓器二次側高出10%線路末端，降壓變壓器一次側線路末端，降壓變壓器一次側UN發電機高出發電機高出5%簡化計算簡化計算同一電壓級中各元件的額定電壓相同，同一電壓級中各元件的額定電壓相同，數值上數值上=平均電壓，平均電壓，Uav=(1.1UN+UN)/2=1.05UN2 2、高壓電網只計及電抗、高壓電網只計及電抗, ,當當R Rdd X Xdd/3/3時時, ,忽略忽略R Rdd二、具有變壓器的多電壓級網絡標幺值等值電路的建立二、具有變壓器的多電壓級

7、網絡標幺值等值電路的建立( (近似法近似法) )1 1、發電機、發電機T1T2 x4x2x3x5T3 x6x1GU1U2U3U4x1*jx2*jx3*jx4*jx5*jx6*j采用平均電壓后簡化計算采用平均電壓后簡化計算, ,無需考慮變壓器變比歸算無需考慮變壓器變比歸算取取U U4 4為基本級為基本級SUGN21 N*d1xx 有有名名值值2342312GN21 N*d1UUUUUUSUxx 歸歸算算到到基基本本級級2 2、變壓器、變壓器223124112212344*BBjdNG NBdNG NxxxxUSUUUSSUUUUUSS22324363100100*%kkBBjjTNTNTxTxU

8、USSSS3 3、輸電線、輸電線2455522343*BBjxxxUSSUUU段112213124222341 0 01 0 0*%kkBBjT NT NUUUUUSSxSUUSU234333222342*BBjxxxUUSSUUUU 無限大功率電源：無限大功率電源：是指端電壓幅值和頻率都保持恒定的是指端電壓幅值和頻率都保持恒定的電源，其內阻抗為零。電源，其內阻抗為零。一、三相短路的暫態過程一、三相短路的暫態過程 第三節第三節 無限大功率電源供電的三相短路過渡過程分析無限大功率電源供電的三相短路過渡過程分析圖圖1-2 1-2 簡單三相電路短路簡單三相電路短路短路前短路前電路處于電路處于穩態穩態

9、： 0sin()sin()mmeEtiIt 0222()()mmEIRRLLRRLLtg)(1)sin( tEdtdiLRim其解就是短路的全電流，它由兩部分組成：其解就是短路的全電流，它由兩部分組成：周期分量周期分量和和非周期分量非周期分量。 22()mmEIRLRLtg1sin()2sin()dzamdziItIt短路電流的強制分量短路電流的強制分量, , 并記為并記為 周期分量：周期分量：dzai非周期電流非周期電流 ：短路電流的自由分量短路電流的自由分量, ,記為記為 atTptdfaiCeCe0 pLR 特征方程特征方程 p的根。的根。LRpaT 非周期分量電流衰減的時間常數非周期分

10、量電流衰減的時間常數 RLpTa1短路的全電流可表示為短路的全電流可表示為： /sin()at TdzadfamiiiItCe0sin()sin()mmIIC0sin()sin()mmCII/0sin() sin()sin()at TmmmiItIIe 0sin()miIt 指短路電流最大可能的瞬時值，用指短路電流最大可能的瞬時值，用 表示。表示。其主要作用是校驗電氣設備的電動力穩定度。其主要作用是校驗電氣設備的電動力穩定度。(1) (1) 相量差相量差 有最大可能值；有最大可能值； (2) (2) 相量差相量差 在在t t0 0時與時間軸平行。時與時間軸平行。一般電力系統中，短路回路的感抗比

11、電阻大得多，一般電力系統中，短路回路的感抗比電阻大得多，即即 ，故可近似認為，故可近似認為 。因此，非周期電。因此，非周期電流有最大值的條件為：短路前電路空載（流有最大值的條件為：短路前電路空載（I Im0m0=0),=0),并并且短路發生時，電源電勢過零（且短路發生時，電源電勢過零（0 0）。）。Mi0mmII90RL 非周期電流有最大初值的條件應為：非周期電流有最大初值的條件應為：0mmII00sin()mIi0sin()mPIi00iiP圖圖1-3 1-3 短路電流非周期分量有最大可能值的條件圖短路電流非周期分量有最大可能值的條件圖 非周期電流有最非周期電流有最大值的條件為大值的條件為（

12、1）短路前電路空載短路前電路空載（Im0=0)；（2）短路發生時，）短路發生時，電源電勢過零電源電勢過零（0）。）。將將 ， 和和 0 0代入式短路全電流表達式：代入式短路全電流表達式： 00mI90/cosat TmmiItI e 短路電流的最大瞬時值在短路發生后約半個周期時出現短路電流的最大瞬時值在短路發生后約半個周期時出現（如圖（如圖1-41-4）。若。若 HzHz，這個時間約為，這個時間約為0.010.01秒，將其代秒，將其代入式上式，可得短路沖擊電流入式上式，可得短路沖擊電流 ：50f0.01/aTMmmiII e0.01/(1)aTmM meIk I 0.01/1aTMke 圖圖1

13、-4 1-4 非周期分量有最大可能值時的短路電流波形圖非周期分量有最大可能值時的短路電流波形圖 三、短路電流的有效值三、短路電流的有效值在短路過程中，任意時刻在短路過程中，任意時刻t t的的短路電流有效值短路電流有效值，是指以時刻是指以時刻t t為中心的一個周期內瞬時電流的均為中心的一個周期內瞬時電流的均方根值，即方根值，即 2 /2 /22 /2 /211 ()t Tt Tttdztdftt Tt TIi dtiidtTT為了簡化計算，通常為了簡化計算，通常假定假定：非周期電流非周期電流在以時間在以時間t t為為中心的一個周期內恒定不變，因而它在時間中心的一個周期內恒定不變，因而它在時間t

14、t的有效的有效值就等于它的瞬時值，即值就等于它的瞬時值，即dftdftIi對于對于周期電流周期電流，認為它在所計算的周期內是幅值恒，認為它在所計算的周期內是幅值恒定的，其數值即等于由周期電流包絡線所確定的定的，其數值即等于由周期電流包絡線所確定的t t時時刻的幅值。因此，刻的幅值。因此，t t時刻的周期電流有效值應為時刻的周期電流有效值應為 圖圖1-5 1-5 短路電流有效值的確定短路電流有效值的確定 2mdzII根據上述假定條件：根據上述假定條件：22tdzdftIII短路電流的最大有效值：短路電流的最大有效值： 222(1) 21 2(1)MdzMdzdzMIIkIIk短路電流的最大有效值

15、常用于校驗某些電氣設備的短路電流的最大有效值常用于校驗某些電氣設備的斷流能力斷流能力或耐力強度或耐力強度。 0.01/(1)aTdftmMmII ekI0.01/1aTMke 短路容量短路容量也稱為短路功率，它等于短路電流有效也稱為短路功率，它等于短路電流有效值同短路處的正常工作電壓（一般用平均額定電值同短路處的正常工作電壓（一般用平均額定電壓）的乘積，即壓）的乘積，即3davdzSV I用標幺值表示時用標幺值表示時 33avdzdztdzBBBV IISIIV I短路容量短路容量主要用來主要用來校驗開關的切斷能力。校驗開關的切斷能力。 四、短路容量四、短路容量1 1、繪制計算電路圖、繪制計算

16、電路圖用單相節線圖表示用單相節線圖表示計算電路圖計算電路圖標明各元件額定參數標明各元件額定參數各元件均按順序編號各元件均按順序編號1234566.3KV37KV0.4/km15km27.5MVAUk%=7.5215MVA6KV400AXR%=4125. 0 x N*d )3(1d)3(2d第四節第四節 短路回路總阻抗求取短路回路總阻抗求取2 2、短路計算點和系統運行方式確定、短路計算點和系統運行方式確定短路點按短路點按選擇電氣設備選擇電氣設備整定繼電保護整定繼電保護高、低壓母線高、低壓母線電氣設備接線端處電氣設備接線端處運行方式運行方式最大：選擇電氣設備最大：選擇電氣設備最小：校驗繼電保護最小

17、：校驗繼電保護并列運行處理并列運行處理電源按最大容量處理電源按最大容量處理單列運行處理單列運行處理121 0 00 1 2 50 8 31 5*.BdNG NxSXXS223461000 872100100330 46 3*%.RNBNBUSXXIU2457 5 1 0 011 0 01 0 07 5*%.kBTNUSXXS226621000 4150 4437*.BSXXU3 3、繪制等值電路圖、繪制等值電路圖對應每一個短路點作出一個等值電路圖對應每一個短路點作出一個等值電路圖任一短路點對應等值電路中，只要求表示該點短路時，短任一短路點對應等值電路中，只要求表示該點短路時，短 路電流通過的元

18、件電抗路電流通過的元件電抗分子為順序號，分母為該元件的電抗標幺值分子為順序號，分母為該元件的電抗標幺值83. 0183. 0283. 03d)3(1G1G283. 0183. 0244. 06d)3(2G1G214154 4、等值電路圖歸并與簡化、等值電路圖歸并與簡化串聯串聯XXi 并聯并聯XXi11 Y Yx12x23x13x1x2x3123XXXXXXXXXXXXXXXXXX132312231331323122312213231212131 XXXXXXXXXXXXXXXXXX231311313232233212112 利用網絡的對稱性利用網絡的對稱性對稱性對稱性網絡的結構相同網絡的結構相

19、同電源一樣電源一樣電抗參數相等電抗參數相等短路電流流向一致短路電流流向一致)3(dd)3(例：例：d d1 1，d d2 2發生短路時，計算短路回路的總電抗標幺值發生短路時，計算短路回路的總電抗標幺值83. 0183. 02872. 03d)3(1G1G2d)3(1872. 03415. 07G d)3(1287. 18G (3)2d4 . 19G d)3(283. 0183. 0215G1G21444. 06(3)2d5 . 08415. 07G 44. 06第五節第五節 無限大容量電源供電系統三相短路電流計算無限大容量電源供電系統三相短路電流計算一、基本概念一、基本概念1.1. 那種故障短

20、路電流最大那種故障短路電流最大中性點接地：三相或單相中性點接地：三相或單相中性點不接地：三相中性點不接地：三相2.2. 短路電流計算值短路電流計算值I 次暫態短路電流：周期分量起始次暫態短路電流：周期分量起始(t=0)(t=0)的有效值的有效值用途：保護整定計算及校驗斷路器的額定斷流容量用途：保護整定計算及校驗斷路器的額定斷流容量MI短路全電流的最大有效值短路全電流的最大有效值用途：校驗電氣設備的動穩定和斷路器的額定斷流量用途：校驗電氣設備的動穩定和斷路器的額定斷流量Mi三相短路沖擊電流三相短路沖擊電流用途：校驗電氣設備的動穩定用途：校驗電氣設備的動穩定I 三相短路電流穩態有效值三相短路電流穩

21、態有效值用途：校驗電氣設備和載流體的熱穩定性用途：校驗電氣設備和載流體的熱穩定性IIIIdz2 . 0 在無限大容量在無限大容量, ,二、有名制法二、有名制法適用于適用于: : 1KV1KV以下的低壓系統和電壓等級少、接線簡單的高壓系統以下的低壓系統和電壓等級少、接線簡單的高壓系統 短路點所在電壓級作為基本級短路點所在電壓級作為基本級 各元件的阻抗用變壓器的近似變比歸算到基本級，求出各元件的阻抗用變壓器的近似變比歸算到基本級，求出電源至短路點的總阻抗電源至短路點的總阻抗Z Z 計及電阻時計及電阻時223avdzddUIRX不計電阻不計電阻3avdzdUIX 計算沖擊電流、最大有效值、斷路器的短

22、路容量計算沖擊電流、最大有效值、斷路器的短路容量2MMdzikI21 21MdzMIIkkM=1.8時，時， IM =1.52 IdzkM=1.8時，時， iM =2.55 Idz3dav dzSU I三、標幺值法三、標幺值法適用于適用于: : 多電壓等級、接線復雜的高壓系統多電壓等級、接線復雜的高壓系統取基準值取基準值S SB B，U Uavav 計算短路電流周期分量標幺值計算短路電流周期分量標幺值*313avavddzBdzBdBdBBUUXIUIUXIXZZ3BBBSIU 計算三相短路容量的標幺值計算三相短路容量的標幺值*313davdzdzddzBBdzavBSUIISISIXUI 計

23、算有名值計算有名值*BBdzdddISISXX四、例題四、例題 如圖所示電路發生三相短路，試分別用有名制法和標幺如圖所示電路發生三相短路，試分別用有名制法和標幺制法計算制法計算I Idzdz、i iM M、I IM M和和S Sd d（K KM M=1.8=1.8）解：解：有名制法：取有名制法：取10.5KV10.5KV電壓級為基本級電壓級為基本級3115KV1X=02S=100km0.4/km220MVAUk%=10.510.5KVd(3)334.01155.1040404.0100211XX579.0205.101005.10100%2232TNNkSUUXX334. 01579. 025

24、79. 03d(3)Uav=10.5KV等值電路等值電路標幺制法：取標幺制法：取S SB B=100MVA,U=100MVA,UB B=U=Uavav1*1221000.41000.303115BBSXXU2*3*%10.5 1000.52510010020kBTNUSXXS303. 01525. 02525. 03d(3)U*=1等值電路等值電路回路總阻抗回路總阻抗 623. 0289. 0334. 02/21XXXd周期分量有效值周期分量有效值10.59.73330.623avdzdUIKAX沖擊電流沖擊電流2.552.559.7324.81MdziIKA全電流最大有效值全電流最大有效值1

25、.521.529.7314.79MdzIIKA33 10.59.73176.9davdzSUIMVA短路容量短路容量回路總阻抗標幺值回路總阻抗標幺值566. 02/525. 0303. 02/*2*1*XXXd周期分量有效值周期分量有效值*111.7670.566dzdIX沖擊電流沖擊電流2.552.559.7224.79MdziIKA全電流最大有效值全電流最大有效值1.521.529.7214.77MdzIIKA*1.767 100176.7ddzMSISMVA短路容量短路容量標幺值標幺值有名值有名值*1001.7679.723 10.5dzdzBIIIKA第三章 電力系統三相短路的實用計算

26、 由于多電源復雜系統中，不能將所有電源均視為無限由于多電源復雜系統中，不能將所有電源均視為無限大功率電源，精確計算出三相短路電流比較困難，故工程大功率電源，精確計算出三相短路電流比較困難，故工程上采用一些簡化計算。上采用一些簡化計算。發電機參數用次暫態參數表示發電機參數用次暫態參數表示忽略較小的負荷忽略較小的負荷忽略線路對地電容和變壓器的勵磁支路忽略線路對地電容和變壓器的勵磁支路變壓器的變比用平均電壓之比變壓器的變比用平均電壓之比 短路電流的計算主要是求短路電流周期分量的起始值，短路電流的計算主要是求短路電流周期分量的起始值，即次暫態電流即次暫態電流 I 計算方法主要有計算方法主要有等值法等值

27、法疊加原理法疊加原理法運算曲線法運算曲線法轉移阻抗法轉移阻抗法高壓電網忽略電阻的影響高壓電網忽略電阻的影響第一節 交流電流初始值計算一、簡單系統一、簡單系統 計算計算等值法等值法I 1)1)計算故障前正常運行時的潮流分布。計算故障前正常運行時的潮流分布。首先求得各發首先求得各發電機（包括短路點附近得大型電動機）的端電壓和定子電機（包括短路點附近得大型電動機）的端電壓和定子電流，然后計算它們的次暫態電動勢。電流，然后計算它們的次暫態電動勢。XIUEj對對于于發發電電機機XIUEj對對于于電電動動機機近一步簡化計算時可認為：近一步簡化計算時可認為：1E2)2)以短路點為中心，將網絡化簡為用等值電動

28、勢和等以短路點為中心，將網絡化簡為用等值電動勢和等值電抗表示的等值電路，由此求出起始暫態電流。值電抗表示的等值電路，由此求出起始暫態電流。E/jX/K）（3I/XEIj/二、多電源系統系統二、多電源系統系統 計算計算疊加原理法疊加原理法I GMK）（3（a）EG/EM/Uk）（0Uk）（0j0.2j0.1j0.2k(b)(b)EG/EM/Uk）（0j0.2j0.1j0.2k(c)(c)IG)0(IM)0(Uk）（0j0.2j0.1j0.2k(d)(d)IG/IM/ 圖圖(a)所示系統所示系統K 點發生短點發生短路時，短路點電壓為零，可等路時，短路點電壓為零，可等值為圖值為圖(b)。利用。利用疊

29、加原理可將疊加原理可將圖圖(b)分解為：正常運行等值電分解為：正常運行等值電路路(c) 故障分量等值電路故障分量等值電路(d)，分別求解可得最終結果。，分別求解可得最終結果。1)由正常運行等值電路由正常運行等值電路(c) ，求出網絡中各節點的正常，求出網絡中各節點的正常電壓和各支路的正常電流，如：電壓和各支路的正常電流，如：利用疊加原理的解題步驟：利用疊加原理的解題步驟：IIUMGk)0()0()0(、2)由故障分量等值電路由故障分量等值電路(d) ，求出網絡中各節點電壓變，求出網絡中各節點電壓變化量和各支路電流的變化量，如：化量和各支路電流的變化量，如：IIUUMGkk/)0(、3)將正常和

30、故障分量相疊加，可得故障后各節點電壓和將正常和故障分量相疊加，可得故障后各節點電壓和各支路電流，如：各支路電流，如：IIIIIIIIUUMMMGGGKKkk/)0(/)0(/)0(0；1. 計算曲線的概念計算曲線的概念 ),(tXfIef定義計算電抗定義計算電抗 jsXedjsXXX ),(tXfIjsP則則在發電機的參數和運行初態給定后，在發電機的參數和運行初態給定后，短路電流短路電流僅僅是是電源到短路點的距離電源到短路點的距離 和和時間時間的函數。的函數。第二節 應用運算曲線求任意時刻短路點的短路電流2. 計算曲線的制作計算曲線的制作 汽輪發電機汽輪發電機(18(18種種): 12MW):

31、 12MW 200MW200MW 水輪發電機水輪發電機(17(17種種): 12.5MW ): 12.5MW 225MW225MW 制作計算曲線的典型接線圖制作計算曲線的典型接線圖當當X Xjsjs3.453.45時時 jsPXI/1*3.3.應用計算曲線法的步驟應用計算曲線法的步驟（1 1）繪制等值網絡；）繪制等值網絡；（2 2）求轉移電抗：）求轉移電抗：X Xifif( (i i=1,2,=1,2,g) ,g) 、X Xsfsf；（3 3）求計算電抗；）求計算電抗；BNiifjsiSSXX（4 4）查表：）查表： Ipt1*，Ipt2*，Iptg* 。 （5 5）無限大功率電源供給的短路周期電流）無限大功率電源供給的短路周期電流 SfpSXI1第第i i臺等值發電機提供的