电力-故障分析理论及对称分量法
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为正序分量,
为负序分量,
为零序分量,则分量与实际三相相量对应关系为:
式中
(模值:√(-1/2)^2+(√3/2)^2=1)
下面以A相接地短路故障为例,介绍序分量的求取方法
边界条件为:IKB=IKC=0;UKA=0;则:
IKA1=1/3(IKA+aIKB+a2IKC)
IKA2=1/3(IKA+a2IKB+aIKC)
IKA0=1/3(IKA+IKB+IKC)
又因IKB=IKC=0所以:
IKA1=IKA2=IKA0=1/3IKA
UKA= UKA1+UKA2+UKA0=0(上述式得)
由各序分量关系,绘制特殊相序网图。
各序分量关系可看出:A相各序电流相等,各序电压相加为零;由于各序分量由故障量分解所得,所以网络最终要合成一个闭合回路,通过上述条件可得只有各序网络头尾串联可实现。如下图示:
计算短路点各序分量向量值及保护安装处各序分量向量值
例如A相接地短路故障,短路点各序分量计算:
IKA1= IKA2=IKAo=E/(X∑1+X∑2+X∑0)
UKA1= IKA1*(X∑2+X∑0)
UKA2=—IKA2*X∑2=—IKA1*X∑2
UKA0=—IKA0*X∑0=—IKA1*X∑2
保护安装处各序分量计算:对于单端电源网络保护安装处各序分量电流与故障点各序分量电流相等
IKA1M=IKA1
IKA2 M= IKA2
IKAo0M= IKA0
对于双端电源网络保护安装处各序分量电流等于故障点各序分量电流乘以M、N两侧的阻抗分配系数
IKA1M= IKA1* X1N /(X1M+X1N)
IKA2M= IKA2* X2N /(X2M+X2N)
IKAM= IKA0* X0N /(X0M+X0N)
IKA10N= IKA1-IKA1M
IKA2N= IKA2-IKA2M
IKA0N= IKA0-IKA0M
保护安装处各序分量电压等于故障点各序分量电压加上各序保护安装处至故障点的电压降。
UKA1M= UKA1+ IKA1M*X LM1
UKA2M= UKA2+IKA1M*X LM2
UKA0M= UKA0+IKA0M *X LM0
UKA1N= UKA1+ IKA1N*X LN1
UKA2N= UKA2+IKA1N*X LN2
UKA0N= UKA2+IKA0N *X LN0
通过对称分量法计算各相故障点故障电流、电压及保护安装处故障电流、故障电压
IKA= IKA1+IKA2+IKA0=3E/(X∑1+X∑2+X∑0)
IKB= a2IKA1+aIKA2+IKA0=0
IKC= aIKA1+ a2IKA2+IKA0=0
UKA=0
UKB= a2UKA1+aUKA2+UKA0
= a2IKA1*(X∑2+X∑0)—IKA1(X∑0+aX∑2)
= IKA1*( a2X∑2-aX∑2+a2X∑0-X∑0)
=√3*IKA1*( X∑2ej-90+X∑0ej-150)
UKC= aUKA1+a 2UKA2+UKA0
= aIKA1*(X∑2+X∑0)—IKA1(X∑0+a2X∑2)
= IKA1*( a X∑2-a2X∑2+a X∑0-X∑0)
=√3*IKA1*( X∑2ej90+X∑0ej150)
各相保护安装处故障电流、故障电压:
UKAM= UKA1M + UKA2M+ UKA0M
= IKA1(X∑2+X∑0+X LM1)+IKA1(XLM2-X∑2)+IKA1(XLM0-X∑0)
= IKA1 (XLM1+ X LM2+X LM0)
= IKA1* XLM1+ IKA2* XLM2+ IKA0* XLM0
UKBM= a2UKA1M+ aUKA2M+ UKA0M
= a2IKA1(X∑2+X∑0+X LM1)+a IKA1(XLM2-X∑2)+IKA1(XLM0-X∑0)
= √3*IKA1*( X∑2ej-90+X∑0ej-150)+IKA1(a2X LM1+ a XLM2+ X LM0)
= √3*IKA1*( X∑2ej-90+X∑0ej-150)+ IKB1* XLM1+ IKB2* XLM2+ IKB0* XLM0
UKCM= aUKA1M+ a2UKA2M + UKA0M
= aIKA1(X∑2+X∑0+X LM1)+a 2IKA1(XLM2-X∑2)+IKA1(XLM0-X∑0)
= √3*IKA1*( X∑2ej90+X∑0ej150)+IKA1(aX LM1+ a2X LM2+ XLM0)
= √3*IKA1*( X∑2ej90+X∑0ej150)+ IKC1* XLM1+ IKC2* XLM2+ IKC0* XLM0
线路压降与短路点电压同方向,也就是说短路点正序电压最低,越往电源端走正序电压越高,电源点正序电压最高等于电源电势。
对于负序分量电压
UKA2M=UKA2+IKA2*XLM2
=IKA1(XLM2-X∑2)
可得出:线路压降与短路点电压反方向,也就是说短路点负序电压最高,越往电源端走负序电压越低,电源点负序电压最低等于零。
对于零序分量电压
UKA0M=UKA0+IKA0*XLM0
=IKA1(XLM0-X∑0)
可得出:线路压降与短路点电压反方向,也就是说短路点零序电压最高,越往主变接地点走零序电压越低,主变接地点零序电压最低等于零。
单相接地短路故障在上面介绍分析方法时已详细介绍,在此不在重复,现在着重介绍一下单相接地短路故障的特点:
1、出现负、零序分量;
2、序网构成中正、负、零序分量串联,也即在正序的基础上串入了X∑2+X∑0阻抗;
3、接地故障必然产生零序分量;
4、不对称故障必然产生负序分量;
5、短路点非故障相电流为零,对于单电源网络保护安装处非故障相电流也为零,对于双电源网络当各序分量阻抗分配系数
X1N/(X1M+X1N)=X2N/(X2M+X2N)=X0N/(X0M+X0N)
时保护安装处非故障相电流为零;不等时不为零。(此处所说的是故障分量,不包括故障前的负荷电流)
6、故障相电压超前故障相电流一个线路阻抗角。
7、负、零序电流超前负、零序电压(180度减一个线路阻抗角)约105度。
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3、两相短路K(2)故障分析
1)特殊相为C相
2)短路故障边界条件:
IKC=0;
IKA=-IKB;
UKA=UKB
3)各序分量:
IKC1=1/3(aIKA+a2IKB+IKC)=1/√3IKAej90
IKC2=1/3(a2IKA+aIKB+IKC)=1/√3IKAej-90
IKC0=1/3(IKA+IKB+IKC)=0
所以IKC1=-IKC2
UKC1=1/3(aUKA+a2UKB+UKC)=1/3(UKC+√3UKAej180)
UKC2=1/3(a2UKA+aUKB+UKC)=1/3(UKC+√3UKAej180)
UKC0=1/3(UKA+UKB+UKC)=1/3(UKC+2UKA)
所以UKC1=UKC2
4)绘制序网图:由上步计算结果可看出,零序分量电流等于零,也即没有零序分量;正、负序电压相等、方向相同,即正、负序网络只能是同相并联;正、负序电流大小相等、方向相反,且全电流为零,即同一节点电流为零符合同相并联要求。(如下图示)
5)计算各序分量向量值:
IKC1= -IKC2=E/(X∑1+X∑2)
UKC1=UKC2= -IKC2* X∑2
6)计算故障点各相全电压、全电流
IKC=0
IKB=aIKC1+a2IKC2+IKC0=√3IKC1ej90
IKA=a2IKC1+aIKC2+IKC0=√3IKC1ej-90
UKC=2UKC1
UKB=aUKC1+a2UKC2+UKC0=UKC1ej180
UKA=a2UKC1+aUKC2+UKC0=UKC1ej180
以单端系统为例计算保护安装处各相全电压、全电流
通过前面的分析大家已经知道:单端系统保护安装处电流等于故障点电流;双端系统保护安装处各序电流等于故障点各序电流乘各序阻抗分配系数;保护安装处电压等于故障点处电压加上线路压降。
IKCM =0
IKBM=√3IKC1ej90
IKAM=√3IKC1ej-90
UKCM=2UKC1+IKC1*XLM1+ IKC2*X LM2
=2UKC1+IKC1(XLM1-X LM2) 因线路X1=X2
=2UKC1
UKBM=UKC1ej180+aIKC1*XLM1+ a2IKC2*X LM2 因线路X1=X2
= UKC1ej180+√3IKC1ej90*XLM1
UKAM=UKC1ej180+a2IKC1*XLM1+ aIKC2*X LM2 因线路X1=X2
= UKC1ej180+√3IKC1ej-90*X LM1
保护安装处AB故障相间故障电流、电压
IKABM=IKAM -IKBM=√3IKC1ej-90-√3IKC1ej90
=2√3IKC1ej-90=2IKAM
UKABM=UKAM-UKBM
= UKC1ej180+√3IKC1ej-90*X1M-UKC1ej180-√3IKC1ej90*XLM1
=√3IKC1ej-90*X LM1-√3IKC1ej90*XLM1
=2√3IKC1ej-90*X1M
=2IKAM*X1M
通过上述计算可看出故障相间电压超前故障相间电流一个线路阻抗角。
绘制向量图以供分析。
两相短路故障的特点:
出现负序分量;没有零序分量。
序网构成中正、负序分量同相并联,也即在正序的基础上串入了X∑2阻抗;
不对称故障必然产生负序分量;
短路点非故障相电流为零,对于单电源网络保护安装处非故障相电流也为零,对于双电源网络当各序分量阻抗分配系数
X1N/(X1M+X1N)=X2N/(X2M+X2N)
时保护安装处非故障相电流为零;不等时不为零。(此处所说的是故障分量,不包括故障前的负荷电流)
通常认为正、负序阻抗相等X1=X2,所以对于两相短路故障来说可以认为保护安装处非故障相电流为零。
故障相间电压超前故障相间电流一个线路阻抗角。
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4、两相接地短路K(1.1)故障分析
5)计算各序分量向量值:
IKC1=E/(X∑1+X∑2X∑0)
IKC2= -IKC1* X∑0/(X∑2+X∑0)
IKC0= -IKC1* X∑2/(X∑2+X∑0)
UKC1=E-IKC1* X∑1
UKC2= -IKC2* X∑2
UKC0= -IKC0* X∑0
UKC1=UKC2=UKC0
6)计算故障点各相全电压、全电流
IKC=0
IKB= aIKC1+a2IKC2+IKC0
=aIKC1- a2IKC1* X∑0/(X∑2+X∑0)-IKC1*X∑2/(X∑2+X∑0)
IKA= a2IKC1+aIKC2+IKC0
=a2IKC1- aIKC1* X∑0/(X∑2+X∑0)-IKC1*X∑2/(X∑2+X∑0)
UKC=3UKC1
UKB= aUKC1+a2UKC2+UKC0=0
UKA= a2UKC1+aUKC2+UKC0=0
以单端系统为例计算保护安装处各相全电压、全电流
单端系统保护安装处电流等于故障点电流;双端系统保护安装处各序电流等于故障点各序电流乘各序阻抗分配系数;保护安装处电压等于故障点处电压加上线路压降。
IKCM=IKC
IKBM=IKB
IKAM=IKA
UKCM=3UKC1+IKC1*XLM1+ IKC2*X LM2+ IKC0*X LM0
UKBM=aIKC1*XLM1+ a2IKC2*X LM2+ IKC0*X LM0
UKAM=a2IKC1*XLM1+ aIKC2*X LM2+ IKC0*X LM0
保护安装处AB故障相间故障电流、电压
IKABM=IKAM -IKBM
=√3IKC1ej-90+√3IKC1ej-90*X∑0/(X∑2+X∑0)
=[1+ X∑0/(X∑2+X∑0)]√3IKC1ej-90
UKABM=UKAM-UKBM
=√3IKC1ej-90*X LM1+√3IKC2ej90*XLM1
=√3IKC1ej-90*X LM1-√3IKC1ej90*X∑0/(X∑2+X∑0)*XLM1
=√3IKC1ej-90*X LM1+√3IKC1ej-90*X∑0/(X∑2+X∑0)*XLM1
=[1+X∑0/(X∑2+X∑0)]√3IKC1ej-90*X1M
通过上述计算可看出故障相间电压超前故障相间电流一个线路阻抗角。
绘制向量图以供分析。
两相接地短路故障的特点:
出现负、零序分量;
序网构成中正、负、零序分量同相并联,也即在正序的基础上串入了X∑2X∑0阻抗;
接地故障必然产生零序分量;
不对称故障必然产生负序分量;
短路点非故障相电流为零,对于单电源网络保护安装处非故障相电流也为零,对于双电源网络当各序分量阻抗分配系数
X1N/(X1M+X1N)=X2N/(X2M+X2N)=X0N/(X0M+X0N)
时保护安装处非故障相电流为零;不等时不为零。(此处所说的是故障分量,不包括故障前的负荷电流)
故障相间电压超前故障相间电流一个线路阻抗角。
负、零序电流超前负、零序电压(180度减一个线路阻抗角)约105度。
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5、三相短路K(3)故障分析
5)计算各序分量向量值:
IKA1=E/X∑1
IKA2=IKA0=0
UKA1=UKA2=UKA0=0
6)计算故障点各相全电压、全电流
IKA=IKA1= E/X∑1
IKB= a2E/X∑1
IKC= aE/X∑1
UKA=UKB=UKB=0
以单端系统为例计算保护安装处各相全电压、全电流
单端系统保护安装处电流等于故障点电流;双端系统发生三相短路,保护安装处电流等于故障点电流乘正序阻抗分配系数;保护安装处电压等于故障点处电压加上线路压降。
IKAM = E/X∑1
IKBM=a2E/X∑1
IKCM= aE/X∑1
UKAM=IKA1*XLM1
= E* X LM1/X∑1
UKBM=IKB1*X LM1
= a2E* XLM1/X∑1
UKCM=IKC1*X LM1
= aE* X LM1/X∑1
通过上述计算可看出故障相电压超前故障相电流一个线路阻抗角。
绘制向量图以供分析。
三相短路故障的特点:
只有正序分量;没有负、零序分量。
序网构成中同样只有正序分量,也可以说在正序的基础上串入了阻抗零;
故障相电压超前故障相电流一个线路阻抗角。
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6、总结
因为两相断线故障(单相运行)分析方法同单相接地短路故障分析方法相同;单相断线故障(两相运行)分析方法同两相接地短路故障分析方法相同,在此就不作分析;只讲一下断线与短路的区别及断线故障的特点。(这里指的断线均指非全相断线)
区别:
断线故障由两侧电源电势差E=ES-ER作用产生短路故障是由电源电势E作用产生;
断线故障附加阻抗串于正序网络断线口两侧,短路故障附加阻抗串于正序网络短路点与地之间。
断线故障各序综合阻抗为纵向阻抗(即线路方向阻抗),等于断线两侧阻抗之和;短路故障各序综合阻抗为横向阻抗(即短路点横断面阻抗),等于短路点两侧阻抗之并联值。
特点:
只有在两侧电源电势ES≠ER时电势差E出现,发生断线故障才产生负、零序分量;
空载线路(如网间联络线正常时无功率交换即负荷电流等于零)发生断线故障正、负、零序分量均没有;
单侧电源线路由于电势差E=E,发生断线故障时产生负、零序分量;
系统振荡当δ=180°时,由于电势差E=2E,发生断线故障产生的电流最大。
各种短路故障电流比较:
1)三相短路与两相短路故障相电流比较:
由前几节分析可知
|IK3|=E/X∑1,
|IK2|=√3E/(X∑1+X∑2) 因X1=X2
=√3E/(2X∑1)
所以|IK2|=√3|IK3|/2
2)三相短路与单相接地短路故障相电流比较:
由前几节分析可知|IK3|=E/X∑1,
|IK1|=3E/(X∑1+X∑2+X∑0) 因X1=X2
=3 E/(2X∑1+X∑0)
因为通常零序阻抗大于正序阻抗,所以|IK1|<|IK3|
3)单相接地短路与两相接地短路故障零序电流比较:
由前几节分析可知|I0K1|=E/(X∑1+X∑2+X∑0) 因X1=X2
=E/(2X∑1+X∑0)
|I0K1.1|=E/(X∑1+X∑2X∑0)*X∑2/(X∑2+X∑0) 因X1=X2 =E/(X∑1+2X∑0)
因为通常零序阻抗大于正序阻抗所以|I0K1.1|<|I0K1|
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