第四章 电力系统短路及非全相运行分析

教学内容

第一节由无限大容量电源供电的三相短路的分析与计算

知识要点:短路故障的意义、电力系统短路的类型、常见的短路故障、无限大容量电源供电的三相短路暂态过程分析、短路的冲击电流、短路电流的最大有效值和短路功率。


第二节同步发电机三相短路分析

知识要点:发电机基本方程、发电短路前后的特征、不计阻尼回路时的基频交流分量初始值、计阻尼回路时的基频交流分量初始值。


第三节电力系统不对称故障的分析与计算

知识要点:对称分量法、正负零三序的概念及网络定义、不对称短路故障的分析计算、边界条件、不对称故障时的电力网络等效、非全相运行的分析计算。


教学重点与难点

1.教学重点:短路故障的意义、电力系统短路的类型、常见的短路故障、无限大容量电源供电的三相短路暂态过程分析、短路的冲击电流、短路电流的最大有效值和短路功率、对称分量法、正负零三序的概念及网络定义、不对称短路故障的分析计算、边界条件、不对称故障时的电力网络等效。

2.教学难点:无限大容量电源供电的三相短路暂态过程分析、对称分量法、边界条 、不对称故障时的电力网络等效。


本章大纲

电力系统中的短路指的是除正常情况外,电力系统的相相或相地连接。

短路大致可以分为两类,一类是对称短路,一类是不对称短路。

对称短路只有一种:三相短路,它的危害最大。

不对称短路有三种:单相接地短路、两相接地短路、两相短路。其中单相接地短路发生的频率最高。

短路时电力系统会产生超过额定电流几倍至几十倍的大电流,极大损害电力系统。

比如说,电气设备因短路电流发热而损坏;

导体因短路电流引起的电动力变形、扭曲甚至损坏;

系统电压大幅下降,导致异步电动机减速或停转;

系统功率分布改变,导致并行的发电厂失步,降低系统稳定性;

不对称短路电流产生不平衡交变磁场,干扰周围网络(通信)和系统(信号、自动控制)。

那么,造成短路故障的原因是什么呢?我们从两个方面分析,一个是自然因素,一个是人为因素。

自然因素可以是产生过电压,如雷击等;也可以是绝缘材料的老化或者受损,如机械损伤、自然损伤,杆塔因为覆冰或者大风倒塌,以及鸟兽跨接在裸露的载流部分。其中,绝缘受损是最主要的短路故障原因。

人为因素则是运行人员的误操作,如检修后未拆除地线就加电压。

我们进行短路计算的原因主要是为了校验和选择设备的动稳定(短路冲击电流)和热稳定(短路电流的周期分量),设计和选择发电厂、变电所的电气主接线,合理配置各种继电保护、自动装置的参数。

虽然我们对短路计算不做要求,不过需要知道相关概念。

计算的前提是在无限大容量电源供电的情况下,无限大容量电源是指任何情况下,容量无穷、电源和频率恒定的电源。

无限大电源供电的三相短路

它的三相短路暂态过程分析中,短路使电路分成左右两个部分,左边连接电源,右边则是短接回路。

短路后单相电路

通过公式,我们可以得到两个分量,一个是右边暂态的非周期分量,一个是左边稳态的周期分量。

短路电流

前者是自由量,取决于电感特性以及短路前的状况,随时间常数Ta按负指数规律递减为零。

后者是强制量,取决于电源电压Um和回路阻抗Z。

分析完短路电流公式之后,我们看看相关的概念。

第一个概念:短路冲击电流。即在非周期分量中(电源那端),经过短路后约半个周期后(实际小于0.01s),短路电流的最大瞬时值。

直流分量最大时短路电流波形

第二个概念:冲击系数。它的取值范围在1~2之间,即1≤Kimp≤2。

第三个概念:短路电流最大有效值。它的定义是短路后第一个周期的短路电流最大瞬时值。

短路功率

第四个概念:短路功率。我们从公式来看定义,可以得到短路功率是短路电流有效值和网络额定电压的乘积。

短路功率主要用来校验断路器的切断能力,因为断路器必须能够切断短路电流,同时也要确保触头在断流时经受住额定电压。

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