同步发电机的基本方程市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

电力系统暂态分析电力系统暂态分析内容回顾内容回顾 同时发电机基本方程（同时发电机基本方程（电压方程、磁链方程电压方程、磁链方程）a、b、c坐标系统坐标系统 d、q、0坐标系统坐标系统 变系数微分方程变系数微分方程 常系数微分方程常系数微分方程 同时发电机稳态运行同时发电机稳态运行 分析了电压与电流之间关系分析了电压与电流之间关系 电力系统暂态分析基础电力系统暂态分析基础派克变换派克变换第1页电力系统暂态分析电力系统暂态分析第第2 2章章 电力系统三相短路暂态过程电力系统三相短路暂态过程2.1 2.1 短路基本概念短路基本概念2.2 2.2 无限大功率电源无限大功率电源供电系统三相短路分析供电系统三相短路分析2.3 2.3 无阻尼绕组无阻尼绕组同时发电机突然三相短路分析同时发电机突然三相短路分析2.4 2.4 计及阻尼绕组计及阻尼绕组同时发电机突然三相短路分析同时发电机突然三相短路分析2.5 2.5 强行励磁对同时电机三相短路影响强行励磁对同时电机三相短路影响有限容量电源有限容量电源本章重点本章重点第2页电力系统暂态分析电力系统暂态分析 2.1 短路基本概念短路基本概念 ZZZZZZ发电机用电设备 1、短路概念：、短路概念：短路是指电力系统正常运行短路是指电力系统正常运行情况以外相与相之间或相与地（或中性线）情况以外相与相之间或相与地（或中性线）之间连接。之间连接。第3页电力系统暂态分析电力系统暂态分析三相短路：三相短路：symmetrical three-phase fault f(3)两相短路：两相短路：line-to-line fault f(2)2、短路类型、短路类型8.18.1短路基本概念短路基本概念短路基本概念短路基本概念 两相短路接地两相短路接地:double line-to-ground fault f(1,1)单相接地短路：单相接地短路：single line to ground fault f(1)第4页电力系统暂态分析电力系统暂态分析各种短路故障发生概率各种短路故障发生概率三相短路三相短路4两相短路两相短路5两相短路接地两相短路接地8单相接地单相接地83 三相故障发生概率小，不过最为严重，三相故障发生概率小，不过最为严重，对系统安全稳定运行影响最大。对系统安全稳定运行影响最大。8.18.1短路基本概念短路基本概念短路基本概念短路基本概念第5页电力系统暂态分析电力系统暂态分析各种元件发生短路概率各种元件发生短路概率统计结果：统计结果：110kV 线路线路78.0600kW 以上发电机以上发电机7.5110kV 变压器变压器6.5110kV 母线母线8.0 架空输电线是电力系统中比较微弱步架空输电线是电力系统中比较微弱步骤，发生短路几率最高。骤，发生短路几率最高。8.18.1短路基本概念短路基本概念短路基本概念短路基本概念第6页电力系统暂态分析电力系统暂态分析3、短路原因、短路原因电气设备载流部分绝缘损坏电气设备载流部分绝缘损坏（最主要原因最主要原因）自然原因：风、覆冰、雪、雷电、雾、鸟害自然原因：风、覆冰、雪、雷电、雾、鸟害人为原因：运行人员误操作（未拆地线合闸、人为原因：运行人员误操作（未拆地线合闸、带负荷拉隔离刀闸等带负荷拉隔离刀闸等）8.18.1短路基本概念短路基本概念短路基本概念短路基本概念第7页电力系统暂态分析电力系统暂态分析4、短路后果、短路后果产生大电流产生大电流造成低电压造成低电压干扰以至于破坏系统稳定运行干扰以至于破坏系统稳定运行对通信线路干扰对通信线路干扰8.18.1短路基本概念短路基本概念短路基本概念短路基本概念oUt23121第8页电力系统暂态分析电力系统暂态分析短路后果举例短路后果举例8月14日美国大停电美国东部，时间8月14日16:11开始（北京时间8月15日晨4:11），美国东北部和加拿大东部联合电网发生了大面积停电事故 纽约:交通瘫痪、公路堵塞、人困在电梯和隧道里、冒酷热步行回家停电影响 美国：俄亥俄州、密歇根州、纽约州、马萨诸塞州、康涅狄克州、新泽西州、宾夕法尼亚州、佛蒙特州（8个州）加拿大：安大略省、魁北克省（2个省）8.18.1短路基本概念短路基本概念短路基本概念短路基本概念第9页电力系统暂态分析电力系统暂态分析8月14日美国大停电损失负荷：损失负荷：6180万千瓦万千瓦5000万居民失去电力供给万居民失去电力供给恢复需几天时间恢复需几天时间 -8月月14日日19：30 恢复恢复134万千瓦万千瓦 -8月月14日日23：00 恢复恢复2130万千瓦万千瓦 -8月月15日日11：00 恢复恢复4860万千瓦万千瓦美国切机美国切机20多台（含多台（含9台核电机组）台核电机组）美加共计切机百余台美加共计切机百余台美经济学家预计：美损失：美经济学家预计：美损失：300亿美元亿美元/天天8.18.1短路基本概念短路基本概念短路基本概念短路基本概念第10页电力系统暂态分析电力系统暂态分析停电前后卫星拍到美国上空照片停电前后卫星拍到美国上空照片8.18.1短路基本概念短路基本概念短路基本概念短路基本概念第11页电力系统暂态分析电力系统暂态分析5 5、限制短路电流办法、限制短路电流办法线路上装设电抗器线路上装设电抗器采取继电保护装置，快速作用于切除故障采取继电保护装置，快速作用于切除故障设备，确保无故障部分安全运行。设备，确保无故障部分安全运行。架空线路普遍采取自动重合闸装置架空线路普遍采取自动重合闸装置8.18.1短路基本概念短路基本概念短路基本概念短路基本概念第12页电力系统暂态分析电力系统暂态分析6 6、短路计算目标、短路计算目标选择电气设备（断路器、互感器等）选择电气设备（断路器、互感器等）继电保护配置和整定继电保护配置和整定电气主接线方案比较和选择电气主接线方案比较和选择 8.1 8.1短路基本概念短路基本概念短路基本概念短路基本概念第13页电力系统暂态分析电力系统暂态分析电力系统短路故障也称为电力系统短路故障也称为横向故障横向故障，因为它是相间或相对地故障因为它是相间或相对地故障一相或两相断线情况，为断线故障，一相或两相断线情况，为断线故障，也称也称纵向故障纵向故障8.18.1短路基本概念短路基本概念短路基本概念短路基本概念第14页电力系统暂态分析电力系统暂态分析8.18.1短路基本概念短路基本概念短路基本概念短路基本概念知识拓展：知识拓展：特高压电网绝缘与绝缘配合特高压电网绝缘与绝缘配合你想知道吗？你想知道吗？第15页电力系统暂态分析电力系统暂态分析8.2 无限大功率电源供电系统无限大功率电源供电系统三相短路分析三相短路分析8.2.1 无限大功率电源无限大功率电源8.2.2 暂态过程分析暂态过程分析8.2.3 短路电流及短路功率计短路电流及短路功率计算算第16页电力系统暂态分析电力系统暂态分析特点：特点：电源频率和电压保持恒定电源频率和电压保持恒定电源内阻抗为零电源内阻抗为零 8.2.1 无限大功率电源无限大功率电源 无限大功率电源是相对概念无限大功率电源是相对概念第17页电力系统暂态分析电力系统暂态分析8.2.2 暂态过程分析暂态过程分析第18页电力系统暂态分析电力系统暂态分析假设在t=0s时，系统 点发生三相短路8.2.2 8.2.2 8.2.2 8.2.2 暂暂暂暂 态态态态 过过过过 程程程程 分分分分 析析析析第19页电力系统暂态分析电力系统暂态分析短路后回路满足以下方程短路后回路满足以下方程齐次微分方程通解齐次微分方程通解=非齐次微分方程解非齐次微分方程解非齐次微分方程特解非齐次微分方程特解+8.2.2 暂暂 态态 过过 程程 分分 析析8.2.2 8.2.2 暂暂暂暂 态态态态 过过过过 程程程程 分分分分 析析析析第20页电力系统暂态分析电力系统暂态分析A值确定代入通解得到：代入通解得到：因为电感电流不能突变，所以有：所以有：8.2.2 8.2.2 8.2.2 8.2.2 暂暂暂暂 态态态态 过过过过 程程程程 分分分分 析析析析第21页电力系统暂态分析电力系统暂态分析 所以所以不衰减！不衰减！衰减！衰减！稳态分量稳态分量交流分量交流分量周期分量周期分量强制分量强制分量暂态分量暂态分量直流分量直流分量非周期分量非周期分量自由分量自由分量8.2.2 8.2.2 8.2.2 8.2.2 暂暂暂暂 态态态态 过过过过 程程程程 分分分分 析析析析第22页电力系统暂态分析电力系统暂态分析短路全电流为：短路全电流为：8.2.2 8.2.2 8.2.2 8.2.2 暂暂暂暂 态态态态 过过过过 程程程程 分分分分 析析析析第23页电力系统暂态分析电力系统暂态分析8.2.2 8.2.2 8.2.2 8.2.2 暂暂暂暂 态态态态 过过过过 程程程程 分分分分 析析析析第24页电力系统暂态分析电力系统暂态分析1 1、短路冲击电流、短路冲击电流最大可能短路电流瞬时值称为短路冲击电流，以iim表示。8.2.3 短路冲击电流及短路功率计算短路冲击电流及短路功率计算直流分量最大值条件直流分量最大值条件第25页电力系统暂态分析电力系统暂态分析短路冲击电流短路冲击电流ot周期分量周期分量非周期分量非周期分量8.2.3 8.2.3 8.2.3 8.2.3 短路冲击电流及短路功率计算短路冲击电流及短路功率计算短路冲击电流及短路功率计算短路冲击电流及短路功率计算第26页电力系统暂态分析电力系统暂态分析 短路冲击电流短路冲击电流 冲击电流主要冲击电流主要 用于检验电气设用于检验电气设备和载流导体备和载流导体动稳定性动稳定性8.2.3 8.2.3 8.2.3 8.2.3 短路冲击电流及短路功率计算短路冲击电流及短路功率计算短路冲击电流及短路功率计算短路冲击电流及短路功率计算冲击电流：otT/2iim第27页电力系统暂态分析电力系统暂态分析2 2、短路全电流有效值、短路全电流有效值在三相短路暂态过程中，任一时刻在三相短路暂态过程中，任一时刻t t短路电流有效短路电流有效值值 ，是指以时刻，是指以时刻t t为中心一个周期内瞬时电流为中心一个周期内瞬时电流均方根值。均方根值。8.2.3 8.2.3 短路冲击电流及短路功率计算短路冲击电流及短路功率计算短路冲击电流及短路功率计算短路冲击电流及短路功率计算第28页电力系统暂态分析电力系统暂态分析 短路全电流有效值短路全电流有效值 =短路全电流最大有效值短路全电流最大有效值也是发生在短路后半个也是发生在短路后半个周期，其值为：周期，其值为：短路全电流有效值用来校验设备短路全电流有效值用来校验设备热稳定性热稳定性8.2.3 8.2.3 短路冲击电流及短路功率计算短路冲击电流及短路功率计算短路冲击电流及短路功率计算短路冲击电流及短路功率计算第29页电力系统暂态分析电力系统暂态分析3 3、短路功率、短路功率 短路功率短路功率也称也称短路容量短路容量，等于短路电流有效值与短，等于短路电流有效值与短路点处正常工作电压（普通用平均额定压路点处正常工作电压（普通用平均额定压)乘积乘积用标么值表示用标么值表示 在短路电流实用计算中，惯用短路周期分量电流在短路电流实用计算中，惯用短路周期分量电流初始有效值来计算短路功率。初始有效值来计算短路功率。8.2.3 8.2.3 短路冲击电流及短路功率计算短路冲击电流及短路功率计算短路冲击电流及短路功率计算短路冲击电流及短路功率计算t t时刻短路功率时刻短路功率:短路功率主要用于校验开关切断能力短路功率主要用于校验开关切断能力第30页电力系统暂态分析电力系统暂态分析8.3 8.3 无阻尼绕组同时发电机突然无阻尼绕组同时发电机突然 三相短路分析三相短路分析8.3.1 无阻尼绕组同时发电机突然无阻尼绕组同时发电机突然三相短路物理分析三相短路物理分析8.3.2 无阻尼绕组同时电机三相短无阻尼绕组同时电机三相短路电流计算路电流计算第31页电力系统暂态分析电力系统暂态分析8.3.1 8.3.1 无阻尼绕组同时发电机突然无阻尼绕组同时发电机突然 三相短路分析三相短路分析假设短路前发电机处于假设短路前发电机处于空载空载状态状态第32页电力系统暂态分析电力系统暂态分析定子各绕组磁链定子各绕组磁链8.3.1 8.3.1 8.3.1 8.3.1 无阻尼绕组同时发电机突然三相短路分析无阻尼绕组同时发电机突然三相短路分析无阻尼绕组同时发电机突然三相短路分析无阻尼绕组同时发电机突然三相短路分析第33页电力系统暂态分析电力系统暂态分析假设假设t=0t=0时刻发电机端发生三相短路，此时时刻发电机端发生三相短路，此时 在短路前后瞬间，磁链在短路前后瞬间，磁链不能突变不能突变短路后瞬间短路后瞬间定子各相绕组磁链定子各相绕组磁链短路后短路后,由励磁电流产生并交链到由励磁电流产生并交链到定子绕组磁链定子绕组磁链第34页电力系统暂态分析电力系统暂态分析为确保短路前后磁链初值不变为确保短路前后磁链初值不变,定子三相绕组定子三相绕组产生电流产生电流恒定分量恒定分量交变分量交变分量第35页电力系统暂态分析电力系统暂态分析发电机三相短路暂态过程中，定子绕组电发电机三相短路暂态过程中，定子绕组电流中含有流中含有非周期分量非周期分量、基频分量基频分量及及倍频分倍频分量电流量电流励磁绕组中感应出直流分量与基频交流分励磁绕组中感应出直流分量与基频交流分量电流量电流8.3.1 8.3.1 无阻尼绕组同时发电机突然三相短路分析无阻尼绕组同时发电机突然三相短路分析无阻尼绕组同时发电机突然三相短路分析无阻尼绕组同时发电机突然三相短路分析第36页电力系统暂态分析电力系统暂态分析8.3.2 8.3.2 无阻尼绕组同时电机三相短路电流计算无阻尼绕组同时电机三相短路电流计算同时电机电压与磁链方程同时电机电压与磁链方程第37页电力系统暂态分析电力系统暂态分析发电机突然三相短路，发电机突然三相短路，空载电势空载电势发生发生突变突变1 1、暂态电动势与暂态电抗、暂态电动势与暂态电抗 无阻尼绕组同时发电机正常稳态运行，忽略定子绕无阻尼绕组同时发电机正常稳态运行，忽略定子绕组电阻，发电机电压方程相量形式为组电阻，发电机电压方程相量形式为 不能不能用来求解短路电流用来求解短路电流8.3.2 8.3.2 无阻尼绕组同时电机三相短路电流计算无阻尼绕组同时电机三相短路电流计算无阻尼绕组同时电机三相短路电流计算无阻尼绕组同时电机三相短路电流计算第38页电力系统暂态分析电力系统暂态分析8.3.2 8.3.2 8.3.2 8.3.2 无阻尼绕组同时电机三相短路电流计算无阻尼绕组同时电机三相短路电流计算无阻尼绕组同时电机三相短路电流计算无阻尼绕组同时电机三相短路电流计算交轴暂态电动势交轴暂态电动势第39页电力系统暂态分析电力系统暂态分析8.3.2 8.3.2 无阻尼绕组同时电机三相短路电流计算无阻尼绕组同时电机三相短路电流计算无阻尼绕组同时电机三相短路电流计算无阻尼绕组同时电机三相短路电流计算第40页电力系统暂态分析电力系统暂态分析2.2.不计各绕组电阻时三相短路电流不计各绕组电阻时三相短路电流a相电流相电流 励磁绕组电流励磁绕组电流 8.3.2 8.3.2 无阻尼绕组同时电机三相短路电流计算无阻尼绕组同时电机三相短路电流计算无阻尼绕组同时电机三相短路电流计算无阻尼绕组同时电机三相短路电流计算第41页电力系统暂态分析电力系统暂态分析3.3.计及各绕组电阻时三相短路电流计及各绕组电阻时三相短路电流（1）定子电流非周期分量和倍频分量）定子电流非周期分量和倍频分量（2）定子电流周期分量衰减）定子电流周期分量衰减8.3.2 8.3.2 无阻尼绕组同时电机三相短路电流计算无阻尼绕组同时电机三相短路电流计算无阻尼绕组同时电机三相短路电流计算无阻尼绕组同时电机三相短路电流计算第42页电力系统暂态分析电力系统暂态分析8.3.2 8.3.2 无阻尼绕组同时电机三相短路电流计算无阻尼绕组同时电机三相短路电流计算无阻尼绕组同时电机三相短路电流计算无阻尼绕组同时电机三相短路电流计算第43页电力系统暂态分析电力系统暂态分析例例8.1 已知同时电机参数 ，如例题7.2，补充 。试求电势 。解：例题7.2算得 =1.578，=0.85。由相量图8.4可得：电势相量和机端电压相量间相位差 第44页电力系统暂态分析电力系统暂态分析8.4 计及阻尼绕组同时电机计及阻尼绕组同时电机突然三相短路分析突然三相短路分析8.4.1 次暂态电势与次暂态电抗次暂态电势与次暂态电抗8.4.2 不计各绕组电阻时三相短路电流不计各绕组电阻时三相短路电流8.4.3 计及各绕组电阻时三相短路电流计及各绕组电阻时三相短路电流第45页电力系统暂态分析电力系统暂态分析1.交轴次暂态电势与直轴交轴次暂态电势与直轴次暂态电抗次暂态电抗2.直轴次暂态电势及交轴次直轴次暂态电势及交轴次暂态电抗暂态电抗有阻尼绕组同时发电有阻尼绕组同时发电机相量图机相量图8.4.1 次暂态电势与次暂态电抗次暂态电势与次暂态电抗第46页电力系统暂态分析电力系统暂态分析8.4.2 不计各绕组电阻时三相短路电流不计各绕组电阻时三相短路电流忽略定子及转子各绕组电阻忽略定子及转子各绕组电阻即即 定子各相电流中包含有三种分量：基频电流分量、非定子各相电流中包含有三种分量：基频电流分量、非周期电流分量和倍频电流分量，与无阻尼绕组电机相同，周期电流分量和倍频电流分量，与无阻尼绕组电机相同，一样满足前面理论分析。一样满足前面理论分析。第47页电力系统暂态分析电力系统暂态分析1.定子电流非周期分量和倍频分量衰减定子电流非周期分量和倍频分量衰减2.定子交轴基频电流衰减定子交轴基频电流衰减3.定子直轴基频电流衰减定子直轴基频电流衰减8.4.3 计及各绕组电阻时三相短路电流计及各绕组电阻时三相短路电流第48页电力系统暂态分析电力系统暂态分析同时发电机发生三相突然短路暂态过程：同时发电机发生三相突然短路暂态过程：（1 1）同时发电机在三相突然短路后，短路电流中）同时发电机在三相突然短路后，短路电流中含有基频交流分量、直流分量和倍频交流分量。含有基频交流分量、直流分量和倍频交流分量。（2 2）基频交流分量初始值很大，由次暂态电动势）基频交流分量初始值很大，由次暂态电动势和次暂态电抗或暂态电动势和暂态电抗决定。和次暂态电抗或暂态电动势和暂态电抗决定。（3 3）基频交流分量衰减规律与转子绕组中直流分）基频交流分量衰减规律与转子绕组中直流分量衰减规律一致。量衰减规律一致。经暂态过程后，短路到达稳态。经暂态过程后，短路到达稳态。8.4.3 8.4.3 8.4.3 8.4.3 计及各绕组电阻时三相短路电流计及各绕组电阻时三相短路电流计及各绕组电阻时三相短路电流计及各绕组电阻时三相短路电流第49页电力系统暂态分析电力系统暂态分析8.5 强行励磁对同时电机三相短路影响强行励磁对同时电机三相短路影响 强行励磁装置动作时，励磁电压上升规律能够近似看作由强行励磁装置动作时，励磁电压上升规律能够近似看作由初值按指数规律上升。初值按指数规律上升。在强行励磁装置作用下，定子在强行励磁装置作用下，定子电流将得到对应增量，属于定电流将得到对应增量，属于定子电流强制分量，而且在不计子电流强制分量，而且在不计定子回路电阻时，能够视为基定子回路电阻时，能够视为基频电流一项纵轴分量。频电流一项纵轴分量。强行励磁时改强行励磁时改变曲线变曲线第50页电力系统暂态分析电力系统暂态分析三相短路三相短路时时，在，在强强励装置作用下，励装置作用下，电势电势 增加，发增加，发电机端电压将逐步恢复。若机端电压恢复到额定值，电机端电压将逐步恢复。若机端电压恢复到额定值，自动调整励磁装置即将该电压维持在额定值。此时励自动调整励磁装置即将该电压维持在额定值。此时励磁电流、空载电势及定子电流强励增量按照保持机端磁电流、空载电势及定子电流强励增量按照保持机端电压为额定值这一条件而改变。电压为额定值这一条件而改变。假如短路点距离发电机很近，短路电流很大，在暂态假如短路点距离发电机很近，短路电流很大，在暂态过程中，强励作用一直不能克服短路电流去磁作用，过程中，强励作用一直不能克服短路电流去磁作用，机端电压则不能恢复到额定值。机端电压则不能恢复到额定值。8.5 8.5 强行励磁对同时电机三相短路影响强行励磁对同时电机三相短路影响强行励磁对同时电机三相短路影响强行励磁对同时电机三相短路影响第51页电力系统暂态分析电力系统暂态分析介绍了电力系统短路基本概念，提出了短路危害以及短路计算介绍了电力系统短路基本概念，提出了短路危害以及短路计算目标。目标。分析了无限大功率电源三相短路暂态过程及短路电流、短路功分析了无限大功率电源三相短路暂态过程及短路电流、短路功率计算。率计算。同时发电机在三相突然短路后，短路电流中含有基频交流分量、同时发电机在三相突然短路后，短路电流中含有基频交流分量、直流分量和倍频交流分量。基频交流分量衰减规律与转子绕组直流分量和倍频交流分量。基频交流分量衰减规律与转子绕组中直流分量衰减规律一致。定子电流中非周期分量及倍频分量中直流分量衰减规律一致。定子电流中非周期分量及倍频分量与转子电流基频分量对应，衰减时间常数取决于定子绕组时间与转子电流基频分量对应，衰减时间常数取决于定子绕组时间常数。常数。依据无阻尼绕组同时电机磁链方程，建立以暂态电势和暂态电依据无阻尼绕组同时电机磁链方程，建立以暂态电势和暂态电抗表示暂态等值电路；依据有阻尼绕组同时电机磁链方程，建抗表示暂态等值电路；依据有阻尼绕组同时电机磁链方程，建立以次暂态电势、和次暂态电抗、表示次暂态等值电路。立以次暂态电势、和次暂态电抗、表示次暂态等值电路。同时电机强行励磁装置能够快速增大励磁电压及励磁电流，有同时电机强行励磁装置能够快速增大励磁电压及励磁电流，有利于恢复机端电压，同时会对短途经程产生显著影响。利于恢复机端电压，同时会对短途经程产生显著影响。小小 结结第52页