1、电力系统故障分析的基本知识姜彤 博士华北电力大学2008-01-1611/19/20221基本概念n短路：电力系统正常运行情况以外的相与相之间或相与地（或中性线）之间的连接。在正常运行时，除中性点外，相与相或相与地之间是绝缘的。n短路的类型：三相短路、两相短路、单相短路、两相短路接地。单相短路接地最多。分对称故障和非对称故障。11/19/20222短路的基本类型n对称故障n三相短路n不对称故障n单相短路接地n两相相间短路n两相短路接地11/19/20223故障的严重程度n电力系统的运行经验表明，单相短路接地占大多数。n三相短路时三相回路依旧是对称的，故称为对称短路；n其他几种短路均使三相回路不
2、对称，故称为不对称短路。n上述各种短路均指在同一地点短路，实际上也可能是在不同地点同时发生短路，例如两相在不同地点接地短路，称为复杂故障。11/19/20224产生短路的原因n电力系统短路故障发生的原因很多，既有客观的，也有主观的，但都是绝缘遭到破坏引起的。n1自然界的破坏：雷击闪络引起过电压、空气污染使绝缘子表面载正常工作电压下放电、鸟兽跨接在裸露的载流部分以及大风或覆冰引起架空线杆塔倒塌。n2人为的破坏：运行人员带负荷拉刀闸，在线路检修后未拆除地线就加电压等误操作，施工挖沟伤电缆，放风筝落到高压线上。n3设备自身问题：绝缘材料的自然老化，设计、安装及维护不良所带来的设备缺陷发展成短路等。1
3、1/19/20225短路对电力系统的危害n对设备的危害n对系统电压的影响n对系统稳定性的影响n对通信系统的影响11/19/20226短路对对设备的危害n对设备的危害n短路点的电弧烧坏电气设备，甚至引起爆炸。短路电流通过电气设备中的导体时，其热效应会引起导体或其绝缘的损坏。另一方面，导体也会受到很大的电动力的冲击，致使导体变形，甚至损坏。n对系统电压的影响n对系统稳定性的影响n对通信系统的影响11/19/20227短路对系统电压的影响n对设备的危害n对系统电压的影响n短路还会引起电网中电压降低，对用户影响很大。系统中最主要的电力负荷是异步电动机，它的电磁转矩同端电压的平方成正比，电压下降时，电动
4、机的电磁转矩显著减小，转速随之下降。当电压大幅度下降时，电动机甚至可能停转，造成产品报废，设备损坏等严重后果。n对系统稳定性的影响n对通信系统的影响11/19/20228短路对系统稳定性的影响n对设备的危害n对系统电压的影响n对系统稳定性的影响n当短路发生地点离电源不远而持续时间又较长时，并列运行的发电厂可能失去同步，破坏系统稳定，造成大片地区停电。这是短路故障的最严重后果。n对通信系统的影响11/19/20229短路对通信系统的影响n对设备的危害n对系统电压的影响n对系统稳定性的影响n对通信系统的影响n发生不对称短路时所引起的不平衡电流产生的不平衡磁通，会在邻近的平行的通信线路内感应出相当大
5、的感应电动势，造成对通信系统和铁路信号系统的干扰，甚至危及设备和人身的安全。11/19/202210减少短路对系统的危害措施 n电力系统设计和运行时，采取适当的措施来降低发生短路故障的概率n加装继电保护装置n自动重合闸11/19/202211措施之降低短路故障概率 n电力系统设计和运行时，都要采取适当的措施来降低发生短路故障的概率。n例如采用合理的防雷措施、降低过电压水平、使用结构完善的配电装置和加强运行维护管理，如在线路上加装电抗器：可以选用轻型的设备。n加装继电保护装置n自动重合闸11/19/202212措施之加装继电保护装置 n电力系统设计和运行时，都要采取适当的措施来降低发生短路故障的
6、概率。n加装继电保护装置n采取减少短路危害的措施，其中，最主要的是迅速将发生短路的元件从系统中切除，使无故障部分的电网继续正常运行。n自动重合闸 11/19/202213措施之自动重合闸 n电力系统设计和运行时，都要采取适当的措施来降低发生短路故障的概率。n加装继电保护装置n自动重合闸n由于大部分短路不是永久性的而是暂时性的，就是说当短路处和电源隔离后，故障处不再有短路电流流过，因此现在广泛采用重合闸措施。所谓重合闸就是当短路发生后断路器迅速断开，使故障部分与系统隔离，经过一定时间再将断路器合上。对于暂时性故障，系统就因此恢复正常运行，如果是永久性故障，断路器合上后短路仍存在，则必须再次断开断
7、路器。装设重合闸的成功率，110kv及以上 75%95%；35kv及以上，50%80%。11/19/202214故障类型n横向故障n短路故障 n纵向故障n断线故障 n复杂故障n不同地点，同时发生不对称故障。11/19/202215短路故障分析的主要内容n短路故障分析的主要内容包括故障后电流的计算、短路容量（短路电流与故障前电压的乘积）的计算、故障后的系统中各点电压的计算以及其他的一些分析和计算，如故障时线路电流与电压之间的相位关系等。11/19/202216短路故障分析的目的n在发电厂、变电所以及整个电力系统的设计和运行工作中，都必须事先进行短路计算，以此作为合理选择电气接线、选用有足够热稳定
8、度和动稳定度的电气设备及载流导体、如开关电器、串联电抗器、母线、绝缘子等电气设备，制定限制短路电流的措施和稳定性分析，在电力系统中合理地配置各种继电保护并整定其参数等的重要依据。11/19/202217无限大功率电源供电系统n无穷大电源是一种理想电源，它的特点是：n电源功率为无穷大。当外电路发生任何变化时，系统频率不变化，保持恒定。n电源的内阻抗为零。电源内部无电压降，电源的端电压恒定。n实际上，真正的无穷大电源是没有的，它只是一个相对的概念，某一电源（或多个电源并联）其功率大于其他电源10倍以上，就可将此电源近似认为是无限大电源。11/19/202218无限大功率电源供电的三相短路电流分析n
9、等值电路11/19/202219暂态过程分析n短路发生前，电路处于稳态，其相的电流表达式为：式中：11/19/202220故障后电路分析n当在点突然发生三相短路时，这个电路即被分成两个独立的回路。左边的回路仍与电源连接，而右边的回路则变为没有电源的回路。在右边回路中，电流将从短路发生瞬间的值不断地衰减，一直衰减到磁场中储存的能量全部变为电阻中所消耗的热能，电流即衰减为零。在与电源相连的左边回路中，每相阻抗由原来的)(R+R)+j(L+L)减少为R+jL，其稳态电流值必将增大。短路暂态过程的分析与计算就是针对这一回路的。11/19/202221短路后的全电流表达式n假定短路在时发生，由于电路仍为
10、对称，可以只研究其中的一相，例如相，其短路的全电流为：直流分量（自由分量）衰减时间常数Ta=L/R，C为初值根据楞次定律，可以求得初值C为：11/19/202222无限大系统三相短路全电流nA相n由于三项对称，只要用(120o)和(+120o)代替上式中的就可以分别得11/19/202223结论（1）n无限大功率电源供电的三相系统三相短路电流中包含有两个分量，即周期分量（也称强制分量）和非周期分量（或称自由分量）。周期分量的幅值取决于电源电压幅值和短路回路的总阻抗，并在暂态过程中始终保持不变。周期分量也是短路后回路的暂态短路电流。非周期分量电流是逐渐衰减的。这是由于在突然短路瞬间前后保持电感性
11、电路电流不能突变而出现的分量，它以时间常数T按指数规律衰减至零。在t=0，它使短路电流值与短路前瞬间的电流值相等。11/19/202224结论（2）nA,b,c三相短路电流周期性分量短路冲击电流和最大有效值电流周期分量分别为三个幅值相等、相位差120o、对称的交流正弦电流。而三相短路电流非周期分量每一时刻都互不相等，都以相同的时间常数T进行衰减，T越大，衰减就越慢，反之则越快。非周期分量的存在，使短路电流曲线不和时间轴对称，而非周期分量电流曲线本身就是短路电流曲线的对称轴。利用这一特性，可以从短路电流曲线中，把非周期分量分离出来。11/19/202225结论（3）n在电源电压幅值和短路回路不变
12、情况下，非周期分量起始值的大小与电源电压在短路开始时刻的相角即合闸角、短路前回路中电流幅值有关。非周期分量起始值可能为最大值，也可能为零，在同一时刻只能一相最大或为零。11/19/202226几个定义n短路冲击电流n最大有效值电流n短路功率 11/19/202227短路条件n短路的最恶劣情况的条件：n空载，则Im=0n一般在短路回路中，感抗值要比电阻值大得多，即LR，因此可以认为 0?900n若初始相角满足|?|=900，在这种情况下，当=0或1800时，相量与时间轴平行n当短路发生在电感电路中、短路前为空载的情况下直流分量电流最大，则一相短路电流的直流分量起始值的绝对值达到最大值，即等于稳态
13、短路电流的幅值。11/19/202228短路冲击电流n短路电流在前叙最恶劣短路情况下的最大瞬时值，称为短路冲击电流。n最恶劣条件下的全电流表达式为：n短路电流得最大瞬时值，即短路冲击电流，将在短路发生经过约半个周期后（当为50Hz时，此时间约为0.01s）出现。由此可得冲击电流值为：n 11/19/202229冲击系数n短路冲击电流：nKm称为冲击系数n一般取1.81.9n冲击电流主要用于检验电气设备和载流导体的动稳定度。11/19/202230短路电流有效值电流n在短路暂态过程中，任一时刻t的短路电流有效值It，是以时刻为中心的一个周期内瞬时电流的均方根值。n式中假设在t前后一周期内电流瞬时
14、值iat不变，交流分量一个周期内积分平均值为零，则短路电流的有效值为：11/19/202231最大有效值电流n最大有效值电流也是发生在短路后半个周期时，其值为：n短路电流的最大有效值电流用于检验电气设备的热稳定度。11/19/202232短路功率n有时在选择某些电气设备时，要用到短路功率（也称短路容量）的概念。其定义nUN为短路处于正常运行时的额定电压；nIt为短路电流的有效值。n短路功率意味着该电气设备既要承受正常工况下的额定电压，又要能够开断短路电流It。由于短路电流可取不同时刻的值，如t=0.02，0.01等，故短路功率也对应于相应的时刻。11/19/202233短路功率实用计算n实用计算中额定电压也可用平均额定电压Uav，电流用周期分量电流起始有效值（即次暂态电流）I，即：n较有实际意义的是相应于断路器动作时刻的短路功率。如采用标幺制时，则有上式表明当基准电压取额定电压时，则短路功率的标幺值与短路电流的标幺值相等。11/19/202234等值电源电抗求解n在已知系统某个母线的短路容量标么值时，可利用这一关系，可求得将母线看做等值电源时，等值电源的标么值电抗11/19/202235
