电力系统故障分析的基本知识
电力系统故障分析的基本知识
§1电力系统故障分析的基本知识主要内容：1、电力系统故障的基本概念2、三相短路的暂态过程分析3、短路冲击电流，短路电流的有效值，短路容量的概念及计算§1.1 故障概述1 故障分类故障，事故：正常运行情况以外的相与相之间、相与地之间的连接或相的断开。
断线故障（纵向故障、非全相运行）简单故障对称故障短路故障（横向故障）复杂故障不对称故障名称图示符号概率⑴三相短路f（3）5%⑵f（2）10%⑶单相短路f（1）65%⑷两相短路接地f（1。
1）20%⑸一相断线⑹二相断线2 短路原因(1) 相间绝缘或相对地绝缘损坏；(2) 误操作。
3 短路危害(1) 大电流产生巨大电动力，造成机械损坏（动稳定）；(2) 烧毁设备（热稳定）；(3) 电网大面积电压下降；(4) 破坏电力系统的稳定；(5) 影响电力系统通讯。
4 减少短路危害的措施(1) 采用合理的防雷设施，加强运行维护管理等。
(2) 通过采用继电保护装置，迅速作用于切除故障设备行。
(3) 架空线路普遍采用自动重合闸装置。
(4) 装设限流电抗器。
(5) 选择有足够电动力稳定和热稳定性的电气设备。
5 短路计算目的(1) 合理的配置继电保护及自动装置整定与校验。
(2) 选择最佳的主接线方案及电气设备，确定限流措施。
(3) 进行电力系统暂态稳定的计算。
(4) 确定电力线路对邻近通信线路的干扰等，短路故障又称横向故障，断线故障又称纵向故障。
§1.3 无限大功率电源供电的三相短路分析1 无限大功率电源的概念(1) 无限大电源：常数、0、ω=常数(2) 无限大功率电源是个相对概念。
(若电源的内阻抗小于短路回路总阻抗的10%，即可以认为电源为无限大电源。
)2 暂态过程分析(1) 符号约定|0|：故障前瞬间，相当“电路”中的0-0：故障后瞬间，相当“电路”中的0+p或ω：周期分量（）、ω：频率为ω的分量α：非周期分量m ：模值（）M ：最大值（）∞：稳态值（t→∞）(2) 暂态过程分析(对称短路可仅取一相分析，其他两相有模相同、相位差120°的结果。
电力系统故障分析的基本知识培训课件
其中， Iωm= Um ∕Z ;Im= Um ∕ ( Z+Z′)
三、短路冲击电流及短路功率的计算
1、短路冲击电流：
•短路电流可能出现的最大瞬时值称为短路冲击电流。
那，在什么情况下短路电流会出现最大瞬时值呢？
i
短路电流
周期分量 强制分量
短路
冲击电流
短路电流
非周期分量
+Iωm
短路
全电流
0
t
短路前空载 -Iωm
i =0
由图可知：
如短路t=0时刻短路电流强制周期分量为负的幅值-Iωm
时，且 当t = 0.01s时（短路后半个周期），电流瞬时
值最大！ 如 =900，则因电压相位超前电流900，
正是电压过零时刻。
短路冲击电流：
0.01
0.01
iimp Im Ime Ta (1 e Ta )Im
KimpIm Kimp 2 I源自对称故障不对称 故障
造成短路的原因： 天灾 人祸
短路的危害：
短路电流远大于正常电流——>热效应引起导体 和绝缘损坏；电动力效应使导体变形或损坏。 短路引起电压降低，是为残压。——>影响用电 设备正常工作。 不对称短路引起不平衡电流，产生不平磁通 ——>通信干扰。 破坏系统稳定性。
短路计算的目的：
其中： Kimp称为冲击系数。
冲击系数与Ta有关，也就是与定子短路回路中电抗与电
阻的相对大小有关。
1、对于无限大容量电源，近似取值为1.8； 2、对于有限大容量电源，其取值（1.8 ~1.9）：
1.9 ——> 短路发生在发电机机端。
Kimp=
1.85 ——> 短路发生在高压母线。 1.8 ——> 短路发生在其余较远处。
电力系统暂态分析学习指导
电力系统暂态分析学习指导第二部分电力系统暂态分析第一章电力系统故障分析的基本知识一、基本要求掌握电力系统故障的类型和电力系统故障的危害性；掌握电力系统各元件参数标幺值的计算和电力系统故障分析的标幺值等值电路；了解无限大电源系统三相短路电流分析；掌握无限大电源系统三相短路电流的周期分量、短路冲击电流、最大有效值电流和短路容量的计算。
二、重点内容1、电力系统故障类型电力系统的故障分为：短路故障和断线故障。
电力系统的短路故障一般称为横向故障，它是相对相或者相对地发生的故障；断线故障称为纵向故障，包括一相断线、两相断线和三相断线故障。
电力系统的故障大多数是短路故障。
我们着重分析短路故障。
2、短路故障的类型短路故障的类型分为三相短路、单相短路接地、两相短路和两相短路接地。
其中三相短路时三相回路依旧是对称的，因此称为对称短路；其它三种短路都使得三相回路不对称，故称为不对称短路。
断线故障中，一相断线或者两相断线会使系统出现非全相运行情况，也属于不对称故障。
在电力系统实际运行中，单相短路接地故障发生的几率较高，其次是两相短路接地和两相短路，出现三相短路的几率很少。
需要注意的是：中性点不接地系统发生单相接地故障时，接地电流很小，允许运行1~2小时。
3、 电力系统各元件参数标幺值的计算（近似计算）（1） 发电机NBN B SSX X ⋅=)*()*( ………………………………（7-1）式中 )*(N X —— 发电机额定值为基准值的电抗标幺值；BS —— 基准容量； NS —— 发电机额定容量。
（2） 变压器NBK B SSU X ⋅=100%)*( ………………………………（7-2）式中 %KU ——变压器短路电压百分数。
（3） 电力线路架空线路2)*(4.0BBB USL X ⋅⋅= ………………………（7-3） 电缆线路2)*(08.0BBB USL X ⋅⋅= ……………………… （7-4） 式中 L —— 电力线路长度； BU —— 基准电压。
电力系统故障分析的基本知识
电⼒系统故障分析的基本知识1 电⼒系统故障分析的基本知识1.1 电⼒系统故障分析概述⼀、概念简介短路：电⼒系统故障的基本形式。
短路故障（横向故障）：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。
短路类型：4种。
最多的短路类型：单相短路对称短路（三相短路）、⾮对称短路（其余三种短路类型）。
断线故障（⾮全相运⾏、纵向故障）：⼀相断线、⼆相断线。
不对称故障：⾮对称短路、断线故障简单、复杂故障：简单故障指系统中仅有⼀处短路或断线故障；复杂故障指系统中不同地点同时发⽣不对称故障。
⼆、短路原因、危害原因：客观（绝缘破坏：架空线绝缘⼦表⾯放电，⼤风、冰雹、台风）、主观（误操作）。
危害：短路电流⼤（热效应、电动效应）、故障点附件电压下降、功率不平衡失去稳定、不对称故障产⽣不平衡磁通影响通信线路。
解决措施：继电保护快速隔离、⾃动重合闸、串联电抗器等三、短路计算重要性电⽹三⼤计算之⼀。
电⽓设备选型、继电保护整定、确定限制短路电流措施。
四、短路计算的基本步骤1) 制定电⼒系统故障时的等效⽹络；2) ⽹络化简；3) 对短路暂态过程进⾏实⽤计算。
1.2 标⼳制⼀、标⼳制概念故障计算中采⽤标⼳值（相对值）表⽰，数值简明、运算简单、易于分析。
⼆、基准选取三相电路系统基准值可任意，⼀般：位的物理量）基准值（与有名值同单量）有名值（有单位的物理标⼳值（相对值）＝频率、⾓速度、时间的基准值三、基准值改变时标⼳值的换算B B B B B B B B B B B 2B 4 S ()U ()()() S , U 2 S U S BBB B MVA KV I KA Z I I U I Z S Ω===个基准值参数：、、、满⾜关系：则任意选定其中个基准参数即可。
电⽹中⼀般选定：、则：注意：标⼳值之******S =U ,=Z I U I ))(())(( ))((X B N )*(22)*(22)*(*(B)NB B N N N BB N N B B N N N I I U U X S S U U X U S S U X X ==→＝为基准）下标为基准折算（下标电抗电⾓速度倒数）时间：同步电⾓速度）⾓速度：额定频率）频率：(1(2 (f f N sB N s B B t f ωπωω==== ))((100(%)X )())((100(%)X )( *(B)R 22T*(B)NBB N R BBN N s I I U U U U S S U U ＝：电抗百分数转换电抗器电抗标⼳值＝：短路电压百分数转换变压器电抗标⼳值上式直接转换即可发电机电抗标⼳值：四、变压器联系的不同电压等级⽹络中各元件参数标⼳值的计算原则：选定某个归算电压等级，对其它电压等级的参数⽤联系变压器变⽐进⾏归算。
电力系统暂态分析第一章 习题
第一章 习题1-1 有一电力网络，各元件参数已在图中注明。
要求：1. 准确计算各元件电抗的标幺值（采用变压器实际变比），基本段取Ⅰ段10.5=B U KV 。
2. 工程近似计算各元件电抗的标幺值（采用变压器平均额定电压比），为统一起见建议100=B S .题1-1图1-2 某一线路上安装一台%5=k X 的电抗器，其额定电流为150A ，额定电压为6KV ，若用另一台额定电流为300A 、额定电压为10KV 的电抗器来代替它，并要求保持线路的电抗欧姆数不变，问这台电抗器的电抗百分数值应当是多少？1-3 有一输电线路接在一个无穷大功率系统上，当A 相电压刚好过零时发生三相短路。
已知短路后的稳态短路电流有效值等于5KA ，试在以下两个条件下求短路瞬间三相中各相短路电流中非周期分量的初始值。
1.ϕ（线路阻抗角）90= .2. 0=ϕ 假定短路前线路空载，A 相电压的始相角0=α()=+A m U U sin t ωα(120)=+- B m U U sin t ωα(120)=++ C m U U sin t ωα1-4 下图为一无穷大功率电源供电系统，额定电压为6.3KV ，设在K 点发生了三相短路。
如果设计要求通过电源的冲击电流不得超过30KA ，问并行敷设的电缆线路最多容许几条？已知电抗器和电缆的参数如下：电抗器：6KV ，200A ，4%=X ，额定有功功率损耗为每相1.68KW 。
电缆：长1250m ，0.083/=ΩX KM ，0.37/=Ωr KM 。
题1-4图1-5 一台变压器接在无限大功率电源上，以其额定条件为基准的电抗、电阻标幺值分别为0.1=T X ，0.01=T r 。
当在变压器的副边发生三相短路。
（1） 短路前变压器空载，求短路电流的周期分量及冲击电流。
（2） 短路前变压器满载，cos 0.8=ϕ（低压侧），当A 相电压合闸相角，30=α时发生短路，写出暂态过程中A 相电流非周期分量表达式。
电力系统故障分析的基本知识
p — 特征方程 R pL 0 的根。
pR L
Ta — 非周期分量电流衰减的时间常数
Ta
1 p
L R
积分常数的求解
短路的全电流可表示为：
短路前电流
i idza idfa Im sin(t ) Cet /Ta
i Im0 sin(t )
短路电流
不突变
Im0 sin( ) Im sin( ) C
4、等值电路图归并与简化 ✓串联 ✓并联 ✓Δ Y
✓利用网络的对称性 网络的结构相同
对称性 电源一样 电抗参数相等 短路电流流向一致
例：d1，d2发生短路时，计算短路回路的总电抗标幺 值
第五节 无限大容量电源供电系统三相短路电流计算
一、基本概念
中性点接地：三相或单相
1. 2.
那种故障短路电流最大 短路电流计算值
非周期电流有最 大值的条件为（1） 短路前电路空载 （Im0=0)； （2）短路发生时， 电源电势过零 （α＝0）。
图1-3 短路电流非周期分量有最大可能值的条件图
将Im0 0， 90 和 ＝0代入式短路全电流表达式：
i Im cost Imet /Ta
短路电流的最大瞬时值在短路发生后约半个周期时出现 （如图1-4）。若 f 50 Hz，这个时间约为0.01秒，将其 代入式（6-8），可得短路冲击电流 ：
一、三相短路的暂态过程
图1-2 简单三相电路短路
•短路前电路处于稳态：
e Em sin(t ) i Im 0 sin(t )
Im0
Em
(R R)2 2 (L L)2
tg 1 (L L)
R R
假定t＝0时刻发生短路 a相的微分方程式如下：
Ri
电力系统故障分析
电力系统故障分析1 故障基础知识电力系统的故障一般分为简单故障和各种复杂故障。
简单故障是指电力系统正常运行时某一处发生短路或断线故障的情况，其又可分为短路故障（横向故障）和断线故障（纵向故障），而复杂故障则是指两个或两个以上简单故障的组合。
短路故障有4种类型：三相短路（(3)K ）、两相短路（(2)K ）、单相接地短路（(1)K ）和两相短路接地（(1.1)K ）；断线故障分为一相断线和两相断线。
其中发生单相接地短路故障的概率最高，占65%。
在本次设计中，对这六种故障都进行了建模仿真，由于单相接地短路故障发生的几率最高，因此本文将该故障作为典型例子来分析建模仿真过程。
2 单相短路接地故障分析假设系统短路前空载，短路模拟图如图1所示。
图1 单相接地短路当系统中的f 点发生单相（A 相）直接短路接地故障时，其短路点的边界条件为A 相在短路点f 的对地电压为零，B 相和C 相从短路点流出的电流为零，即：00fA fB fC U I I ===将式子（1）转换成各个序分量之间的关系。
对于0fA U =，有如下关系：(1)(2)(0)0fA fA fA fA U U U U =++=根据0fB fC I I ==可以得出：2(1)2(2)(0)11110331110fA fA fA fA fA fA fA I I aa I I aa I I I ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥==⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦于是，单相短路接地时，用序分量表示的边界条件为：(1)(2)(0)(1)(2)(0)0fA fA fA fA fA fA fA U U U U I I I ⎧=++=⎪⎨==⎪⎩(1) (2) (3)由边界条件组成复合序网（复合序网是指在短路端口按照用序分量表示的边界条件，将正序、负序和零序三个序网相互连接而成的等值网络）从A 相短路接地的序分量边界条件式（3）可见，它相当于三序序网的端头进行串联，如图2所示图2 单相接地短路复合序网复合序网直观地表达了不对称短路故障的地点和类型，对复合序网进行分析计算，可以解出短路点处的各序电压，电流分量，如下：（1）电流分量序电流分量为 ： 00(1)(2)(0)(1)(2)(0)fA fA fA fA fA U U I I I Z Z Z Z ∑∑∑====++∑ 三相电流为：(1)033/0fA fA fA fB fC I I U Z I I ⎧==∑⎪⎨==⎪⎩（2）电压分量序电压分量为：(1)(1)(1)(2)(0)00(2)(2)0(0)(0)0()/fA fA fA fA fA fA fA fA U U I Z U Z Z Z Z U U ZZ U U Z∑∑∑∑∑⎧⎡⎤=-=+∑⎪⎣⎦⎪⎪=-⎨∑⎪⎪=-⎪∑⎩三相电压为：(4) (5) (6) ()()()()(1)(2)(0)222(1)(2)(0)(2)(2)(1)22(1)(2)(0)(2)(2)(1)11fA fA fA fA fB fA fA fA fA fC fA fA fA fA U U U U U a U aU U a a Z a Z I U aU a U U a a Z a Z I ∑∑∑∑⎧=++=⎪⎪⎡⎤=++=-+-⎨⎣⎦⎪⎡⎤⎪=++=-+-⎣⎦⎩(7)。
电力系统稳态分析7 电力系统故障的基本知识
t
[I m sin( 120 0 ) Im sin( k 120 0 )]e Ta
ic Im sin(t k 240 0 )
t
[I m sin( 240 0 ) Im sin( k 240 0 )]e Ta
(t 0)
⑦ Ta的数量级
TaR LXR /X R•2 1f X R•3114
ia (0 ) I m sit0 n ( k) C t0T a e
假定t0＝0时刻发生短路
可得： C [Im si n ) ( I m si n k )(]
含义：短路前电流强制分量的瞬时值和 短路后电流强制分量的瞬时值之差
⑤ 写出全电流形式
全电流表达式：
强制分量 (交流分量)
iaImsi nt (k)
ia
ubU msi nt (12 )0
三相 线路
三相 负载
ucU msi nt (24 )0
（2）短路前（稳态运行时）电流分析
电流：
uaU msi nt ()
ia
ubU msi nt (12)0
ia Imsin(t )
ucU msi nt (24)0
ib Imsin(t 120)
ic Imsin(t 240)
其中：
Im
Um
(RR)22(LL)2
tg1(LL)
RR
（2）三相短路过程中电流分析
uaU msi nt ()
ia=？ f ( 3 )
ubU msi nt (12)0
ib=？
ucU msi nt (24 )0 ic=？
特征：对于无限大容量电源系统，发生短路过程中，由 于电源端口的电压和频率保持不变，因此，可忽略电源内 容的暂态过程。
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示
意
图
三相短路
Three-phase(3Φ) fault
两相短路
Line-to line (LL) fault
单相接地短路
Single-line-to-ground (SLG) fault
两相接地短路
Double-line-to-ground (2LG)fault
短路代表符号
K (3)
K (2) K (1) K (1,1)
短路电压 百分数
通常给定 SN,UN,UK%
U
K%
U LN ( K ) U LN
100
短路电压:二次绕组 短路，逐渐升高一 次测绕组所加电压， 当一次侧电流达到 额定值时，一次侧 绕组所加的电压
IN xT 100 U LN
3IN xT U LLN
100
xT zN
100xT*(N)
3IN
xr*(B)
xr*(N)
zN zB
xr % IB Ur(N) 100 Ir(N) UB
UB
3IB
2.4 有变压器联系的不同电压等级网络中 各元件参数标么值的计算
• 短路的概念：指电力系统正常运行情况以 外的一切相与相之间或相与地之间的“短 接”。
• 产生的原因：各种形式的过电压、绝缘材 料的自然老化、脏污、直接机械损伤等； 运行人员带负荷拉刀闸或线路检修后未拆 除地线就加电压等误操作；鸟兽跨接在裸 露的载流部分以及自然灾害等。
1.4 短路的种类：
短路种类
1.5 短路的基本现象： 电流剧烈增加，电压大幅度下降。
1.6 短路的后果：
（1）长时间的短路电流会使设备过热而损坏； （2）电压大幅度下降会造成产品报废及设备损
坏； （3）产生的不平衡电流会对邻近的通信线路等产
生干扰，并危机设备和人身的安全； （4）有可能使并列运行的发电厂失去同步，破坏
系统稳定，造成大面积停电。
ห้องสมุดไป่ตู้
1.7 断相故障 Series Faults open conductor faults
• 断相故障：指电力系统一相断开或两相 断开的情况。属于不对称性故障。
• 断相种类： 一相断开：one line open (1LO) 二相断开：two lines open (2LO)
1.8 复杂故障 simultaneous faults
S(3) 3ULIL,ULL 3Iz
S (3 )B3 U L L B IB ,U L L B3 IB zB
S(3 )* U L*L I*,U L*L I*z*
实际分析计算中，通常首选基准功率和基准电 压。基准功率通常取100MVA或1000MVA，基准电 压可选为网络的各级额定电压或平均额定电压。
复杂故障：指在电力系统中的不同地点 （两处或两处以上）同时发生不对称故障 的情况。又称复故障。
A B C
1.9 电力系统故障计算的基本假设：
在满足工程要求的前提下，采取一些合 理的假设，可简化分析计算。
（1）磁路的饱和、磁滞忽略不计，系统 中各元件的参数都是恒定的。 叠加原理
（2）各元件的电阻略去不计。
第一步：先将以额定值为基准值的标么值换算为有 名值；
第二步：将有名值换算成以统一基准值为基准的标 么值。
（1）发电机
U
2 N
通常给定 SN,UN,x*(N)
SN
xx*(N) zN
x*( N
)
U S
2 N
N
x*( B )
x zB
x*(N)
SB SN
(UN UB
)2
U
2 B
SB
（2）变压器
采取特别措施， 使系统恢复正常运行
继电保护装置 自动重合闸
安全自动装置
1.2 电力系统故障类型
• 短路故障（横向故障）shunt faults • 断相故障（纵向故障）series faults • 复杂故障 simultaneous faults
1.3 短路故障 shunt faults short circuit faults
3ULLBI S(3)B
已知标么 值，可根 据基准值 求出有名 值
2.3 不同基准的标么值之间的相互转换
问题的提出：
电力系统中各种电气设备的铭牌参数通常是以本身 的额定条件为基准的标么值或百分值给出的。而进 行电力系统计算时，必须取统一的基准值。因此必 须把以额定值为基准的标么值换算成统一基准下的 标么值。
计算。
2.1 标么值的定义
标么值＝ 实际有名值（任意）单位 基准值（与实际有同名单值位）
注意：(1) 标么值是一个没有量纲的量。 (2) 标么值具有相对性（相对于基准值）。
2.2 三相系统基准值的选择
一般说来，基准值是可以任意选择的。 为了计算方便 通常要求各电气量基准值之 间的关系与三相对称时各电气量实际有名值之间 的关系相同。
故障分析的基本知识
• 1基本概念 • • 2标么制 • • 3对称分量法 • • 4序阻抗的基本概念
1 基本概念
1.1电力系统的运动状态
正常运行状态 稳态
Steady state
新稳态
电压、频率的偏差 在允许范围内
故障 Faul
t
负荷增减 原动机调整
事故状态
运行参数大大偏离正常值 电能质量严重变坏 正常供电局部或全部 遭到破坏
100
x x z T
T*(N)
N
xT
*( N
)
U S
2 N
N
U
K
%
U
2 N
100 SN
xT *(B )
xT zB
UK
%
SB
U (
N
)2
100 SN UB
（3）电抗器
电抗百 分数
通常给定 IN,UN,xr%
xr% 3 U Ir r((N N ))xr100zxN r100xr*(N)Ur1 ( N0 ) 0
IB
S(3)B 3U LLB
zB
ULLB 3IB
U2 LLB
S(3)B
各电气量的标么值计算公式：
U
LL*
U LL U LLB
,
S (3)*
S (3) S (3)B
,
I*
I IB
I S(3)B 3ULLB
R*
R zB
RUS(L32L)BB
x*
x zB
x S(3)B U2
LLB
（3）系统中除不对称故障处以外都可当作是对 称的。 可用单相等值电路进行分析
（4）短路为金属性短路，断相为完全断开。
过渡电阻等于零
断口导纳等于零
2 标么制
标么制：各物理量均用标么值来表示的 相对单位制。
• 标么值 (Per Unit Values) 的定义 • 三相系统基准值 (Base Values) 的选择 • 不同基准的标么值之间的相互转换 • 不同电压等级网络中各元件参数标么值的