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1、第5章 电力系统三相短路的暂态过程,5.1 短路的一般概念5.2 恒定电势源电路的三相短路5.3 同步电机突然三相短路的物理过程5.4 无阻尼同步电机三相短路电流计算5.5*有阻尼同步电机的突然三相短路5.6*强行励磁对短路暂态过程的影响,内容提要,提出短路的基本概念、短路造成的危害以及短路计算的目的；假设发电机容量为无限大、电压及频率为恒定的条件下，基于磁链守恒原则对电力系统三相短路的暂态过程、短路电流及功率进行分析；发电机突然发生三相短路的暂态过程；,5.1 短路的一般概念,一、短路的原因、类型及后果短路一切不正常的相与相之间或相与地(对于中性点接地的系统)发生通路的情况。1.短路的原因：
2、(1)元件损坏(2)气象条件恶化(3)违规操作(4)其他，例如挖沟损伤电缆，鸟兽跨接,2.短路故障种类,电力系统的短路故障也称为横向故障，一相或两相断线的情况为断路故障，也称为纵向故障。三相短路、两相短路、两相短路接地和单相接地短路,三相短路对称短路；其他类型的短路不对称短路在各种类型的短路中，单相短路占大多数（65%），两相短路较少，三相短路的机会最少,3.短路的危险后果出现大电流。系统电压大幅度下降。发生不对称短路时，不平衡电流能产生足够的磁通在邻近的电路内感应出很大的电动势，这对于架设在高压电力线路附近的通讯线路或铁道讯号系统等会产生严重的影响。发电厂失去同步，破坏系统稳定，造成大片地区
3、停电最严重后果。,4.预防短路措施：,采取合理的防雷措施，加强运行维护管理；线路上安装电抗器。采用继电保护装置，切除故障设备，保证无故障部分安全运行；架空线路采用自动重合闸装置；,二、短路计算的目的,短路计算是解决一系列技术问题所不可缺少的基本计算 选择有足够机械稳定度和热稳定度的电气设备，必须以短路电流为依据；为了合理地配置各种继电保护和自动装置并正确整定其参数；在设计和选择电气主接线时，依据短路计算结果确定是否需要采取限制短路电流的措施等，造价评估，选择最佳接线方案；进行电力系统暂态稳定计算，研究短路对用户工作的影响；确定输电线路发生短路故障对临近通讯线路的干扰，必须进行短路计算。,确定计
4、算条件：,短路发生时系统的运行方式短路的类型和发生地点短路发生后所采取的措施等,5.2 恒定电势源电路的三相短路,一、短路的暂态过程,短路前a相的电势和电流：,式中：,合闸角：短路（或合闸）前瞬间电压的相位角。,ia,系统发生三相短路后，f点左半部和右半部仍保持对称。右半部：i 0；左半部：短路前，短路后，阻抗值从,衰减,短路后a相的微分方程式,(5-2)解就是短路的全电流：特解，代表短路电流的强制分量、周期分量、新稳态电流；齐次方程的一般解，代表短路电流的自由分量、非周期分量。,（5-2）,短路全电流,短路电流周期分量幅值,电路的阻抗角,（5-3）,短路电流的周期分量,短路电流非周期分量,特
5、征方程的根,自由分量衰减的时间常数,（5-4）,积分常数C，由初始条件决定，即非周期电流的起始值iap0,短路全电流,a相短路电流的算式,b相短路电流的算式：,c相短路电流的算式：,（5-6）,三相短路电流的周期分量是一组对称正弦量；各相非周期分量不相等。,短路暂态过程的相量图,非周期电流初值的大小同短路发生的时刻有关，即与短路发生时电源电势的初始相角有关。平行；垂直,非周期分量有最大初值或零值的情况只可能在一相出现。,二、短路冲击电流非周期分量电流出现最大值：(1)相量差有最大可能值(2)相量差在t0时与时间轴平行,短路电流最大可能的瞬时值称为短路冲击电流，以iim表示。短路冲击电流出现的条
6、件：,短路回路为纯电感电路 90电压的初相角过零值=0电路原来处于空载 Im=0,可能出现最大短路冲击电流的表达式：,短路电流的最大瞬时值在短路发生后约半个周期出现 t0.01s,当时间常数Ta的数值由零变到无限大时，冲击系数的变化范围lkim2。在实用计算中，当短路发生在发电机电压母线时，取kim=1.9；短路发生在发电厂高压侧母线时，取kim=1.85；在其他地点短路时，取kim=1.8。冲击电流主要用来校验电气设备和载流导体的电动力稳定度。,三、短路电流的有效值,在短路过程中，任一时刻t的短路电流有效值It，是指以时刻t为中心的一个周期内瞬时电流的均方根值。,it：t时刻短路电流瞬时值i
7、pt：周期分量瞬时值iapt：非周期分量的瞬时值,（5-9）,非周期分量有效值：假定在以时间t为中心的一个周期内恒定不变，因而它在时间t的有效值就等于它的瞬时值周期分量有效值：在所计算的周期内是幅值恒定的，其数值即等于由周期电流包络线所确定的t时刻的幅值。短路全电流有效值：,在最不利的情况下发生短路时，t0.0ls，这时非周期分量的有效值为：,（5-11）,当冲击系数kim1.9时，Iim=1.62IP kim1.8时，Iim=1.51IP,短路电流最大有效值Iim：,四、短路功率,短路电流有效值同短路处的正常工作电压（一般用平均额定电压）的乘积。标幺值形式短路容量主要用来校验开关的切断能力,
8、5.3 同步电机突然三相短路的物理分析,一、突然短路暂态过程的特点 大冲击电流电枢反应磁通变化转子绕组中感应电流影响定子电流定子和转子绕组电流的互相影响（显著特点）,二、超导体闭合回路磁链守恒原则,超导体电阻为零的导体，超导体闭合回路维持所环链的磁链不变。电压观点 若跃变d/dt=无限大电源(不存在)楞茨定则任何闭合线圈在突然变化的瞬间，都能维持磁链不变。,r,r0,永远不变,超导体磁链守恒原则的数学描述,闭合回路、电阻R、磁链、无外电源回路由理想超导体构成：R0,常数,（1）超导体闭合回路,00移近一个磁铁，01回路将感应产生电流i,（2）如果原始磁链值,00外界磁场对该回路产生磁链，1回路
9、中将产生电流i1,满足条件,Li10,实际电机 R0,t=0 短路 如何变化？t=(0-,0+)(0-)=(0)短路瞬间,与定子绕组交链，同步电机工作磁链（空载磁链）；随转子同步旋转，被定子绕组所切割，在定子绕组中感应空载电势,三、无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理分析,只与ff交链，励磁绕组漏磁链,假定短路前无阻尼电机处于空载状态,1、短路前,定子绕组总磁链,=0t,转子转速旋转，定子各相绕组磁链:,t0短路前瞬间，=0，定子各相绕组磁链：,维持磁链初值不变定子绕组中出现电流产生磁链,t=0时发生短路，要维持定子各相绕组磁链不变,2、三相短路后,发生短路后，同步电机仍以旋转，产生0,不相等
10、,短路前、后瞬间磁链图,恒定分量,交变分量,3、短路后定子绕组中的电流分量,基频电流 ii交变磁链 为了抵消励磁磁链对各相定子绕组产生的交变磁链,大小相等、方向相反,直流分量iap：维持磁链初始值；,iap 维持短路前瞬间初始磁链0不变,大小相等、方向相同,短路后瞬间磁链图,倍频分量 i2,纵横轴磁阻不同转子每转过180，磁阻经历一个周期磁链要恒定(=F/r)，F随r变化倍频磁链2直流直流iap倍频交流i2磁链不变,iap静止恒定磁势,定子绕组中的电流,基频交流,恒定直流,倍频交流,4、短路后转子中的电流分量,定子三相绕组基频电流i同步旋转磁势(和转子相对静止)；与0方向相反0正方向是d轴正向
11、，同步旋转磁势产生的磁链在d轴反方向，对励磁磁势起纯去磁电枢反应。,i,产生,抵消,直流电流ifa,励磁绕组交链磁链保持短路前磁链值不变励磁绕组产生直流电流ifa（方向和if0相同，使励磁绕组的磁场得到加强）。ifafa,fa 定子同步旋转磁场产生的去磁磁链,平衡,直流电流ifa,定子直流分量空间静止磁场（ap）对励磁绕组是同步速切割励磁绕组转子绕组产生同步频率交变电流转子绕组产生同步频率交变磁链f 交变磁链f抵消定子绕组产生的直流磁场在转子励磁绕组中形成的磁链ap,f=-ap,交变电流if,定子电流倍频分量i2两倍同步转速的旋转磁场2相对转子对转子绕组产生基频磁链转子绕组产生同步频率交变电流、磁链抵消定子绕组产生的直流磁场在转子励磁绕组中形成的磁链ap。,直流电源产生的强制分量,抵消i磁链自由分量,抵消iap、i2磁链自由分量,小节,无阻尼绕组同步电机突然短路时，定子电流将包含基频分量、倍频分量和直流分量,转子绕组电流中包含有直流分量和基频交流分量,i稳态值，强制分量,iii自由分量,自由分量记及电阻，衰减到零,恒定的,自由分量记及电阻，衰减到零,
