第八章--电力系统不对称短路的分析与计算

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,绕组为,C,相。,即:先设定其中一相,则其他两相即可确定,若:,ZZ,绕组为,A,相,则显然,XX,绕组为,B,相,,YY ,绕组为,C,相。,电力系统在正常运行时的电流、电压均为正序!,正序三相向量的数学描述,:,下标,(1),表示正序,定义:,显然,只需知道其中一相的值,即可计算出其他两相,2.3,三相,负序,交流电压、电流的向量表示,则,新接入的电压源相对于线路为:负序电压,向量,若接入的电压源,2.3,三相,负序,交流电压、电流的向量表示,相序:,A,C,B,:,120,0,负序电压,波形图,三相,负序电压,向量,A,C,B,理解:,正序和负序时相对而言的!,若为发电机,如:取,XX,绕组为,A,相,则必取,YY,绕组为,B,相,,ZZ ,绕组为,C,相,则,转子逆时针旋转,时产生的电压、电流的相序为,A,B,C,:,120,0,则:此时,若转子反转,产生的电压和电流的相序为:,A,C,B,:,120,0,则,此时电压和电流为负序,理解:,正序和负序时相对而言的!,若为电动机,注:,电力系统中,认为发电机正常运行时产生的电压和电流为正序!即使用发电机定义、,B,、,C,三相,如:取,XX,绕组为,A,相,则必取,YY,绕组为,B,相,,ZZ ,绕组为,C,相,则在定子上加正序电压时,,转子,逆时钟旋转,A,B,C,:,120,0,则:,此时,在定子上加,负序电压,是,,,转子,反向旋转,。,A,C,B,:,120,0,负序三相向量的数学描述,:,下标,(2),表示负序,定义:,显然,只需知道其中一相的值,即可计算出其他两相,2.4,三相,零序,交流电压、电流的向量表示,相序:,A=C=B,:相位角差,0,0,零序电压,波形图,三相,零序电压,向量,A,C,B,零序三相向量的数学描述,:,下标,(0),表示零序,定义:,显然,只需知道其中一相的值,即可计算出其他两相,2.5,三相不对称电流、电压的向量表示,I.,对称三相电流、电压向量:,II.,不对称三相电流、电压向量:,定义:,三相相量的,幅值或有效值相等,;,三相相量的,相位角之差相等,。,显然:,正序、负序、零序均满足上述要求,(,正序各相之间相角差为,0,度,),。,特点:,对对称三相相量而言,只需知道其中一相,即可根据对称关系求的其他两相的值。,定义:,三相相量的,幅值不等或相角差不等,;,特点:,无法根据其中一相的值计算出其他两相的值。,不对称,三相电压:,?,三相电压:,A,,,B,,,C,等于?,A,B,C,A,B,C,A,B,C,正序电压,分量,负序电压,分量,零序电压,分量,合成电压波形,A,B,C,正序三相向量,负序三相向量,零序三相向量,合成,不对称,三相电压的向量表示:,2.6,三相不对称电流、电压的向量分解,I.,对称分量法:,定义:,一组不对称的三相(电流、电压)向量,可以,唯一地,分解为正序、负序、零序三组对称的三相(电流、电压)向量之和;反之亦成立。,正序三相向量,负序三相向量,零序三相向量,合成,各相叠加,III.,对称分量法的数学描述,:,取:,不对称电压的分解:,不对称三相电压向量,正序分量,负序分量,零序分量,A,相正序、负序、零序分量,已知,A,相三序电压,即可计算出,B,、,C,相三序电压和相电压,简写:,其中:,对称分量变换矩阵,不对称三相电压列向量,正序、负序、零序对称分量电压列向量,求逆,可得:,同理可得:不对称三相电流向量的分解表示,2.7,电力系统电流、电压三相不对称的原因分析,I.,正常运行时,电力系统的三相参数(阻抗、导,纳)是基本相同的(理论上讲是完全相同的);,II.,正常运行时,发电机的三相电压、功率等参数,也是正序对称的。,III.,故:,电力系统正常运行时,发电机、变压器、电,力线路和负载上的电流、电压都是三相,正序,对称,的。,IIII.,电力系统在正常运行时,不存在负序和零序电源,,故在正常运行时,系统中不存在负序和零序电压,和电流。,注意:负序、零序电压和电流只有在发生故障(短路、断线或负载不对称)时,才,有可能,产生。,本章内容,1,不对称短路的特征,2,对称分量法,3,不对称短路的计算原理,4,各元件的正序、负序、零序参数(阻抗、 导纳),5,各种不对称短路的短路电流和短路电压的计算方法,K,Z,a,Z,b,Z,c,特征:短路点,元件参数,不对称,(三相阻抗不等),运行参量,不对称,(各相电压电流不对称),在任意某系统某点,f,发生不对称短路时,? 如何处理这种不对称特征?,3,不对称短路的计算原理,3.1,对短路点阻抗不对称性的处理,处理方法:,以不对称电压源,等值替代,不对称阻抗,K,Z,a,Z,b,Z,c,完全等值,关键:使,不对称电压源的各相电压,等于,短路点各相实际电压。,3.2,对不对称电压源的不对称性的处理,处理方法:把,不对称电压源分解为正序、负序、,零序三个串联的电压源。,完全等值,结果:,系统中不存在不对称运行参量,也无不对,称的元件参数。,3.3,对含三序电压源系统的求解原理,I,取其中一相(设,A,相)进行计算,因系统三相对称,故只需计算出,A,相的正序、负序、零序运行参量(序电流和序电压),,B,、,C,两相的各序运行参量即可求出;进而可求出,A,、,B,、,C,三相的短路电流和短路电压。,单相系统,I I,采用叠加法,分解为三个序分量系统,单相系统,正序网,负序网,零序网,分解,+,+,显然,系统中各相短路电流(电压)等于每相三序电流(电压)的叠加。,正序参数,负序参数,零序参数,?现在是否可采用第,7,章的计算方法计算各序网电流电压?,待求问题?,由于电力系统中,,同一元件,上施加正序、负序、零序电压时,所表现出来的,阻抗特性不同,。,因此,下面尚需学习各元件的序参数!,本章内容,1,不对称短路的特征,2,对称分量法,3,不对称短路的计算原理,4,各元件的正序、负序、零序参数(阻抗、 导纳),5,各种不对称短路的短路电流和短路电压的计算方法,同步发电机,异步电动机,变压器,线路,旋转元件,静止元件,4,元件的正序、负序、零序参数,4.1,同步发电机的序参数及等值电路,同步发电机的等值电路,同步发电机示意图,单相等值电路,正序,电压源,定义:,发电机端口短接时,发电机电动势和流出发电机端口的电流的比值。,稳态:,暂态:,(,1,)正序电抗,X,(,1,),正序,单相等值电路,正序,阻抗,(,2,)负序电抗,X,(,2,),定义:,发电机正常运行时,施加在发电机端点的负序电压和流入定子绕组的负序电流的比值。,负序,单相等值电路,负序,阻抗,发电机,不存在负序电源,发电机正常运行时:,1,)励磁绕组产生磁场,B,0,;,2,)转子旋转,导致定子切割,主磁场,B,0,,从而在定子上,感应出电压,相序为,:,A-B-C,,如图示。,3,)若外电路接通,则会产生,正序电流,进而产生定子磁,场,Ba,,(旋转磁场),4,)主磁场,B,0,和定子磁场,Ba,合成,磁场。,负序电抗,X,(,2,),:,当在定子绕组端口施加基频,负序电压,时,发电机相当于用电设备,产生,负序电流,:,1,)产生负序旋转磁场,B,2,;,2,)负序旋转磁场与转子有二,倍同步转速的相对运行;,3,)该负序旋转磁场一会掠过,转子,d,轴,一会掠过转子,q,轴,使励磁绕组和,d,轴阻尼,绕组中的磁链总要变动;,4,)根据磁链守恒原则,励磁,绕组和阻尼绕组均要产生,感应电流,将负序磁链挤,出,使之通过漏磁路构成通,路;,这与对称三相突然短路,时暂态过程开始的情况相似,;,5,)负序磁链通过,d,轴磁路时,负序电抗相当于 ;,负序磁链通过,q,轴磁路时,负序电抗相当于 ;,介于二者之间时,通常取二者的平均值:,(,3,),零序电抗,X,(,0,),定义:,发电机正常运行时,施加在发电机端点的零序电压和流入定子绕组的零序电流的比值。,负序,单相等值电路,零序,阻抗,发电机,不存在零序电源,若发电机中性点不接地,则零序阻抗为,;,零序阻抗,X,(,0,),:,II.,若中性点接地(星形接地),定子绕组通过零序,电流,时:,1,)三相合成磁场为,0,;,2,)只存在定子绕组漏磁通;,3,)因此电抗小于正序;,I,若发电机中性点不接地(如发电机绕组接法为星形不接地或三角形接法),则零序阻抗为,4.2,变压器的序参数及等值电路,注意:,变压器的电阻一般较小,因此在短路,计算时常予忽略不计!,(,1,)正序电抗,X,(,1,),定义:,变压器通过正序电流时的电抗,正序单相等值电路,X,m,:值很大,忽略不计。,(,2,)负序电抗,X,(,2,),定义:,变压器通过负序电流时的电抗,负序,单相等值电路,X,m,:值很大,忽略不计。,由于:,三相变压器为静止元件,改变相序并不改变各绕组相互之间的互感和自身的漏感。,因此:,负序电抗等于正序电抗,(,3,)负序电抗,X,(,0,),定义:,变压器通过零序电流时的电抗,影响因素:,(,1,)绕组接线方式(,Y,,,Y,0,,,),(,2,)中心点接地阻抗,(,3,)铁芯结构,核心因素,自学,分析中先假设为定值,一次绕组不接地方式下的,Z,(,0,),:,结论:,一次绕组不接地,变压器阻抗无穷大,分析:,如果,一次绕组不接地,由于在任一相一次绕组两端电压始终相等,不会产生激励电流,也就不会产生激励磁场,因此变压器无法实现能量转换功能,相当于变压器对零序电流的阻抗为无穷大。,B,A,C,B,A,C,Y,0,,,分析:,由于中心点接地,一次侧可以产生零序电流;,可以在二次侧感应出大小相等,相位相同的,电动势,如上图红色箭头所示。,由于二次侧,接线,三个电动势首尾相连,,形成一个零序电流环流(类似于三个干电池首尾,相连成环的情况)。,一次绕组,Y,0,方式下的,Z,(,0,),:,Y,0,,,零序单相等值电路,因此:,变压器二次侧三个出线端子等电位,三相绕组感应,电动势所产生的零序电流无法流到外电路当中。,故而:,Y,0,,,Y,分析:,由于中心点接地,一次侧可以产生零序电流;,可以在二次侧感应出大小相等,相位相同的,电动势,如上图红色箭头所示。,由于二次侧,Y,接线,变压器二次侧的,线电压,为,0,,,故无法在相与相之间产生零序电流;,由于,二次侧,Y,接线,尽管变压器二次侧的,相电压,不为,0,,但由于二次侧中心点不接地,因此,在,相与地之间也无法构成回路,产生零序电流,Y,0,,,Y,零序单相等值电路,:,因此:,由于变压器二次侧无法作为电源输出电流,相,当于变压器无法把一次侧的零序电流转换到二次侧。,故而:,Y,0,,,Y,0,分析:,由于中心点接地,一次侧可以产生零序电流;,可以在二次侧感应出大小相等,相位相同的,电动势,如上图红色箭头所示。,由于二次侧,Y0,接线,变压器二次侧的,线电压,为,0,,,故,如果,二次侧连,Y,/,形,接线负载,不会产生零序,电流,。,在该接线方式下,变压器二次侧的,相电压与地电,压,不为,0,,且二次侧中心点接地,因此,,若二次,侧连,Y0,形接线负载,会产生零序电流,Y,0,,,Y,0,零序单相等值电路,:,二次侧是否有零序电流取决于后续电路是否中心点接地,因此:,变压器单相等值电路如下,4.3,电力线路的序参数和等值电路,(,1,)正序电抗,X,(,1,),定义:,导线流过正序电流所体现的阻抗,即等于稳态运行时(此时线路中只有,正序电流)的阻抗。,其中:,电抗由,自感和互感,两部分组成,由于各相电流相差,120,度,,故自感和互感的磁场,是相互消弱的。,(,2,)负序电抗,X,(,2,),定义:,导线流过负序电流所体现的阻抗,由于:,电力线路为静止元件,改变相序并不改变各绕组相互之间的互感和自身的自感。,因此:,负序电抗等于正序电抗,(,3,)零序电抗,X,(,0,),定义:,导线流过零序电流所体现的阻抗,由于:,电力线路通过零序电流时,各相电流的相位是相同的,互感磁场和自感磁场是相互加强的,因此:,零序电抗,大于,正序电抗,X,(,0,),34X,(,1,),本章内容,1,不对称短路的特征,2,对称分量法,3,不对称短路的计算原理,4,各元件的正序、负序、零序参数(阻抗、 导纳),5,各种不对称短路的短路电流和短路电压的计算方法,5,不对称短路计算,原理回顾(本章第三节),K,Z,a,Z,b,Z,c,任意地方短路,又相当于在短路点接一不对称电压源,相当于在短路点接一不对称负载,把,不对称电压源分解为正序、负序、,零序三个串联的电压源。,单相系统,由于三相对称,可取其中一相进行计算,单相系统,正序网,负序网,零序网,分解,+,+,正序参数,负序参数,零序参数,由于系统中存在三类不同电源,计算时,又需把系统分解为正序、负序、零序三个分量系统。,计算出三序网电流、电压,即可根据叠加原理求出短路电流、电压,示例:,10.5kv,110kv,10kv,f,G1,T1,L,T2,G2,分解,10.5kv,110kv,10kv,f,G1,T1,L,T2,G2,正序网,示例:,10.5kv,110kv,10kv,f,G1,T1,L,T2,G2,负序网,零序网,(,再化简,),10.5kv,110kv,10kv,f,G1,T1,L,T2,G2,5.1,正序、负序、零序网络等值电路的形成,(,1,),正序网络的等值电路,正序网,开路电压,正序输入阻抗,正序网等值电路,形成原理,:,根据戴维南定理,可把,短路点以内的系统(,上图红框以内的部分,)看做是一个以空载电压为电动势、输入阻抗为内阻抗的电压源。,示例:,正序,网络,正序网等值电路,10.5kv,110kv,10kv,f,G1,T1,L,T2,G2,已知,未知,若没有,G2,,正序阻抗,=,?,(,2,)负序网络的等值电路,负序输入阻抗,形成原理,:,根据戴维南定理,可把,短路点以内的系统看做是一个以空载电压为电动势、输入阻抗为内阻抗的电压源。,负序网,负序网等值电路,示例:,负序,网络,负序网等值电路,10.5kv,110kv,10kv,f,G1,T1,L,T2,G2,已知,未知,若没有,G2,,负序阻抗,=,?,(,3,),零序网络的等值电路,零序输入阻抗,零序网等值电路,零序网,发电机通常中心点不接地,故无对地零序电抗,示例:零序网络,零序网等值电路,已知,未知,10.5kv,110kv,10kv,f,G1,T1,L1,T2,G2,L2,注意,零序网从短路点画起。,若没有,G2,,负序阻抗,=,?,5.2,不对称短路的序参数表示的边界条件,背景:,得到各序网等值电路之后,可写出三序电压平衡方程,三个,方程,六个,未知数,因此:,还需要根据具体短路类型,再写出三个,序参数所表示的方程。(,可根据不同类,型短路的边界条件写出,),(,1,),单相短路的边界条件方程,单相短路示意图,相参数表示的边界条件,假设接地电阻为,0.,由相参数表示的边界条件可推导出序参数表示的边界条件,三个方程,意味着:三个序网在故障点串联,序参数表示的边界条件,(,2,),两相短路的边界条件方程,两相短路示意图,相参数表示的边界条件,序参数表示的边界条件,正、负序网在故障点并联,(,3,),两相接地短路的边界条件方程,两相接地短路示意图,相参数表示的边界条件,序参数表示的边界条件,正、负、零序网在故障点并联,5.3,短路点电压、电流的计算,已知量:,得到各序网等值电路之后,可写出正序、负序、零序网,三个等值电路方程,得到短路的边界条件之后,可写出三个序参数表示的边,界条件方程,所以:,解上述,6,个方程所组成的方程组,,即可计算出短路点正序、负序、零序电流和电压,进而,计算出短路点的各相电压和相电流。,(1),解方程组,六个,方程,六个,未知数,(2),计算,B,、,C,两相序参数,(3),叠加各相序参数;计算各相短路电流和电压。,(,1,),求解方法,1,解方程组,I,单相短路分析;,II,两相短路分析;,III,两相接地短路分析。,(,2,),求解方法,2,利用复合序网图,边界条件,复合序网图:,三个序网在故障点串联,I,单相短路分析:,三序电流,短路电流,分析:一般,(,1,)若: ,则 ;,(,3,)若: ,则 ;,(,2,)若: ,则 ;,示例:,10.5kv,110kv,10kv,f,G1,T1,L,T2,G2,分析:一般,条件?,: ,则 ;,条件?: ,则 ;,条件?,: ,则 ;,三序电压,正序:,负序:,零序:,短路点,A,、,B,、,C,相电压,A,相电压,B,相电压,C,相电压,短路点非接地相电压(设线路为,纯电抗,线路),数学分析:,时,,(,1,)若: ,则,B,、,C,相电压较正常时有些,降低,(,2,)若: ,则,B,、,C,相电压较正常时,相同,(,3,)若: ,则,B,、,C,相电压较正常时,升高,即,中性点电压升值相电压,非故障相电压升为线电压,10.5kv,110kv,10kv,f,G1,T1,L,T2,G2,时,,条件?: ,则,B,、,C,相电压较正常时有些,降低,条件?: ,则,B,、,C,相电压较正常时,相同,条件?,: ,则,B,、,C,相电压较正常时,升高,即,中性点电压升值相电压,非故障相电压升为线电压,电流向量图分析,电流、电压向量图分析,电压向量图分析,复合序网图:,边界条件,正、负序网在故障点并联,II,两相短路分析:,三序电流,(,1,)若: ,则,因此一般两相,短路电流小于三相短路电流。,特征分析,:,各相短路电流,A,相,B,相,C,相,三序电压,正序:,负序:,零序:,短路点,A,、,B,、,C,相电压,A,相电压,B,、,C,相电压,结论,1,:非故障相电压约等于故障前电压,结论,2,:故障相电压幅值约等于故障前电压幅值的一半,10.5kv,110kv,10kv,f,G1,T1,L,T2,G2,(,1,)若: ,则,因此一般两相,短路电流小于三相短路电流。,特征分析,:,结论,1,:非故障相电压约等于故障前电压,结论,2,:故障相电压幅值约等于故障前电压幅值的一半,电流向量图分析,电流、电压向量图分析,电压向量图分析,复合序网图:,边界条件,三个序网在故障点并联,II,两相接地短路分析:,三序电流,各相短路电流,A,相,B,相,C,相,短路电流,特征分析,取模:,分析:,(,1,)若: , 则,特征:,(,2,)若: , 则,(,3,)若: , 则,三序电压,正序:,负序:,零序:,短路点,A,、,B,、,C,相电压,A,相电压,特征:,分析:,(,2,)若: ,则,A,相电压较正常时,相同,(,1,)若: ,则,A,相电压较正常时有些,降低,(,3,)若: ,则,B,、,C,相电压较正常时,升高,10.5kv,110kv,10kv,f,G1,T1,L,T2,G2,(,1,)若: , 则,特征:,(,2,)若: , 则,(,3,)若: , 则,(,2,)若: ,则,A,相电压较正常时,相同,(,1,)若: ,则,A,相电压较正常时有些,降低,(,3,)若: ,则,B,、,C,相电压较正常时,升高,电流向量图分析,电流、电压向量图分析,电压向量图分析,f,(3),f,(1),f,(2),f,(1,1),(,3,),利用复合序网图求解结果总结,f,(3),f,(1),f,(2),f,(1,1),0,1,3,正序电流、相电流计算公式归纳,示例:正序电流计算,10.5kv,110kv,10kv,f,G1,T1,L1,T2,G2,L2,注意,正序增广网络,对应的正序电流计算公式:,正序电流计算,z,(,1),z,(,2),f,(1),f,(2),f,(1,1),I,f,z,(,0),0,z,(,0),z,(,1),z,(,0),0,U,f,z,(,0),0,0,z,(,0),z,(,1),z,(,0),5.4,各种不对称短路的短路点电压、电流分析,参数:,S,B,=100MVA,,,U,B,=U,AV,,已归算为标幺值求:若,K,点发生三相短路和不对称短路时的起始次暂态电流、冲击电流(若无,G2,时如何计算?)。(发电机分别为无限大功率电源和同步发电机时的有何不同),6,例题分析,1,)取其中,A,相,计算,,2,)以次暂态参数描述发电机,,画出,A,相正序、负序、零序等值电路,计算步骤:,正序网:,负序网:,零序网:,3,)根据短路类型,绘制复合序网图,设:故障类型为,B,、,C,两相接地短路,则以,A,相,三序量表示的边界条件为:,4,)根据复合序网图,计算三序电流和三序电压,三序电流,三序电压,6,)根据三序电流、电压,计算三相电流和电压,三相电流,三相电压,6,)根据三序电流、电压,绘制三相电流和电压,向量图,电流向量图,电压向量图,?三序网等值电路如何画?,如果没有,G2,,,如果,T1,中性点不接地,例,5,某电力系统及其参数如下图,当,f,点发生不对称接地短路故障时:,1,)求故障处各相短路电流及电压值;,2,)试画出故障处电流和电压的相量图。,归算为同一基准量下的标幺值,本章内容小结,什么是对称分量法?其在不对称短路计算中有何作用?,什么是正序、负序、零序电流、电压、阻抗?各元件的各序阻抗都有何特征?,同步发电序阻抗特征:负序约等于正序,零序因通常不接地为无穷大,线路:正序,=,负序,零序,正序(通常大几倍?),变压器:正序,=,负序,零序因中性点接地方式不同而不同,各种接线方式下的零序阻抗计算原理是什么?,对称短路和不对称短路计算的基本原理及其区别。,零序电流产生的条件;(与中性点构成回路),各种不对称短路时的电流和电压特征什么情况下短路电流最大?什么情况下电路后电压升高最多?,各种不对称短路时的边界条件及复合序网图的区别。,简单系统不对称短路的计算,思考题与习题,教材:,7-1,7-2,7-5,7-247-26,8-21,8-22,8-23,8-24,8-25,,,
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