电力系统分析第5章
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电力系统分析第5章
5.4 无阻尼绕组同步电机三相短路电流计算
当电势 φ d = φ q = 0 时,由于φ d = vq 和 φ q = v d ,定子磁链平衡方程变为定子电势方程
′ ′ v q = E q x d id v d = x q iq
(5-18)
这组用暂态参数表示的电势方程写成交流向量的形式 ′ 为: Vq = Eq jx′ I d d
2,短路后 假设t=0时发生短路, 为维持磁链初值 φ a 0 , φb 0 , φc 0 不变, 在定子三相绕组中将出 现电流,其所产的磁链 φa , φb , φc 必须满足:
第五章 电力系统三相短路的暂态过程
5.3 同步电机突然三相短路的物理分析
φ a = φ a 0 ψ 0 cos(α 0 + ωt ) φ a + φ a = φ a 0 φb + φb = φb 0 φb = φb 0 ψ 0 cos(α 0 + ωt 120 0 ) φ + φ = φ φc = φ c 0 ψ 0 cos(α 0 + ωt + 120 0 ) c c0 c
′
xd = xσa +
′
xσf xad xσf + xad
= xσa + σ f xad
第五章 电力系统三相短路的暂态过程
5.4 无阻尼绕组同步电机三相短路电流计算
′ 这样,我们便得到下列方程: φ d = Eq x′ id d 暂态电势和暂态电抗相应的等值电路如5-10所示.
第五章 电力系统三相短路的暂态过程
第五章 电力系统三相短路的暂态过程
5.5 有阻尼绕组同步电机三相短路 一,突然短路的物理过程
与有阻尼绕组电机相比相同之处: 定子电流分量:基频分量,直流分量,倍频分量 转子电流分量:基频分量,值流分量 不同之处:因为存在阻尼绕组,突然短路时,为保持 磁链不变,阻尼绕组中会感应直流电流.
刘天琪电力系统分析理论第5章答案完整版
5-5、电力系统调压的基本原理是什么？电力系统有哪几种主要调压措施？当电 力系统无功不负时，是否可以只通过改变变压器的变比？为什么？ 答：基本原理： 由于电力系统的结构复杂，用电设备数据极大，电力系统 运行部门对网络中各母线电压及用电设备的端电压进行监视和调整是不可能， 而
且没有必要。然而，选择一些有集中负荷的母线作为电压中枢点，运行人员监视 中枢点电压，将中枢点电压控制在允许的电压偏移范围以内。只要这些中枢点的 电压质量满足要求，系统中其它各处的电压质量也基本上满足要求。 简单一句话概况为：通过对中枢点电压控制实现电网电压调整。 电力系统的电压调整可以采用以下措施： （1）调节发电机的励磁电流以改变发电机的端电压 VG ； （2）通过适当选择变压器的变比 k 进行调压； （3）通过改变电力网络的无功功率 Q 分布进行调压； （4）通过改变输电线路参数 X 进行调压。 在系统无功功率不足的条件下， 不宜采用调整变压器分接头的办法来提高电 压。因为当某一地区的电压由于变压器分接头的改变而升高后，该地区所需的无 功功率也增大了，这就可能进一步扩大系统的无功缺额，从而导致整个系统的电 压水平更加下降。所以从全局来看，当系统无功不足时不宜采用改变变压器变比 进行调压。
ΔVT min =
Pmin R + Qmin X 13 3 × 3 + 10 × 48 4 = 4.72kV V = V1min 110
最大负 负荷时发电 电机电压为 1 11kV，则分 分接头电压为
V1t max =
(120 + 7) ) × 10.5 = 12 21.23kV 11
(110 + 4.7 72) × 10.5 = 120.456kV k 10
最小负 负荷时发电 电机电压为 1 10kV，则分 分接头电压为
《电力系统分析》第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整
负荷的变化将引起频率的相应变化，电力系统的有功 功率和频率调整大体上分一次、二次、三次调整三种。 频率的一次调整（或称为一次调频）指由发电机组的调 速器进行的，是对一次负荷变动引起的频率偏移作调整。 频率的二次调整（或称为二次调频）指由发电机组的调 频器进行的，是对二次负荷变动引起的频率偏移作调整。 频率的三次调整（或称为三次调频）是对三次负荷变动 引起的频率偏移作调整。将在有功功率平衡的基础上，按 照最优化的原则在各发电厂之间进行分配。
PG 2
0.53 0.18 0.0036
97
PL PG1 PG2 197
因此，负荷继续增加时，增加的负荷应由发电设备2承担， 两套设备的综合耗量微增率也就取决于发电设备2。
（b）PL 100MW，按最优分配时，有
PL
PG1
PG 2
0.25
0.0028
0.18
（以下简称负荷）时刻都在 作不规则变化，如右图所示。 对系统实际负荷变化曲线的 分析表明，系统负荷可以看 作是由三种具有不同变化规 律的变动负荷所组成：第一 种变化幅度很小，变化周期 短，负荷变动有很大的偶然 性；第二种是变化幅度大， 变化周期较长；第三种是变 化缓慢的持续变动负荷。
第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整
第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整
2、水力发电厂的特点 （1）必须释放水量－－强迫功率。 （2）出力调节范围比火电机组大，启停费用低，且操作简
单。 （3）不需燃料费，但一次投资大，水电厂的运行依水库调
节性能的不同在不同程度上受自然条件的影响。
第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整
3、原子能发电厂的特点 （1）最小技术负荷小，为额定负荷10～15％。 （2）启停费用高；负荷急剧变化时，调节费用高；启停 及急剧调节时，易于损坏设备。 （3）一次投资大，运行费用小。
PG 2
0.53 0.18 0.0036
97
PL PG1 PG2 197
因此，负荷继续增加时，增加的负荷应由发电设备2承担， 两套设备的综合耗量微增率也就取决于发电设备2。
（b）PL 100MW，按最优分配时，有
PL
PG1
PG 2
0.25
0.0028
0.18
（以下简称负荷）时刻都在 作不规则变化，如右图所示。 对系统实际负荷变化曲线的 分析表明，系统负荷可以看 作是由三种具有不同变化规 律的变动负荷所组成：第一 种变化幅度很小，变化周期 短，负荷变动有很大的偶然 性；第二种是变化幅度大， 变化周期较长；第三种是变 化缓慢的持续变动负荷。
第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整
第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整
2、水力发电厂的特点 （1）必须释放水量－－强迫功率。 （2）出力调节范围比火电机组大，启停费用低，且操作简
单。 （3）不需燃料费，但一次投资大，水电厂的运行依水库调
节性能的不同在不同程度上受自然条件的影响。
第五章 电力系统有功功率的平衡和频率调整
3、原子能发电厂的特点 （1）最小技术负荷小，为额定负荷10～15％。 （2）启停费用高；负荷急剧变化时，调节费用高；启停 及急剧调节时，易于损坏设备。 （3）一次投资大，运行费用小。
国网考试之电力系统分析：第五章复习题---4页
第五章复习题一、选择题1、电力系统频率主要取决于( )。
A．无功平衡B．有功平衡C．各节点电压的高低D．各节点注入电流的大小2、在系统运行中，调频厂最好由( )担任。
A．核电厂B．热电厂C．高效率机组电厂D．非洪水季节水电厂3、有功功率最优分配的准则是( )。
A．按等耗量微增率B．按等比耗量C．按效率相同D．按消耗量4、为了能及时向增加的负荷供电而设置的备用应是( )。
A．事故备用B．检修备用C．冷备用D．热备用5、频率的二次调整是由( )。
A．发电机组的调速系统完成的B．负荷的频率特性来完成的C．发电机组的调频系统完成的D．有功功率的经济分配完成的6、电力系统中能实现无差调节的调频方式是（）A．一次调频B. 二次调频 C. 都可以 D. 都不能7、系统有功备用容量中,哪种可能不需要专门设置（）A．负荷备用B．国民经济备用C．事故备用D．检修备用8、电力系统有功功率最优分配的原则是( )。
A．等面积原则B．等力矩原则C．等负荷原则D．等耗量微增率原则9、电力系统的有功电源是（）A．发电机B．变压器C．调相机D．电容器10、负荷的单位调节功率可以表示为（）A．KL=B．KL=C．KL=D．KL=11、运转中的发电设备所留有的备用容量称为（）A．冷备用B．热备用C．检修备用D．国民经济备用12、发电机单位时间内消耗的能源与发出的有功功率的关系称为（）A．比耗量B．耗量微增率C．耗量特性D．单位调节功率13、如果发电机不参加调频，当负荷增加时，系统的频率会（）。
A．升高；B. 降低；C. 不变14、单位时间内输入能量增量与输出功率增量的比值称为（）。
a.比耗量；b.耗量特性；c.耗量微增率；d.等耗量微增率二、判断题1、A系统运行于50Hz，B系统运行于49.8Hz，两系统通过联络线组成互联系统，则联络线上的功率从A流向B。
（）1、电力系统各电源之间有功功率的最优分配原则是等网损微增率准则。
（）2、常规电网中同步发电机是电力系统中唯一的有功电源。
第五章-电力系统三相短路的暂态过程
短路全电流
Ri Ldd tiEms int()
i ip iap
短路电流的周期分量 ipIpm si nt ()（5-3）
短路电流周期分量幅值 Ipm
Em
R2 (L)2
电路的阻抗角
arctgL
R
电力系统分析 第五章 电力系统三相短路的暂态过程
短路全电流
i ip iap
短路电流非周期分量
iapCpetCexp t/T (a)（5-4）
突然短路时，回路阻抗下降，定子电流数值急剧变化，电枢反应磁通变 化，在转子绕组中感应电流，又反过来影响定子电流。
等这些感应电流因电阻的能量损耗衰减到零后，同步机达到稳态短路状 态。只在暂态存在的电流称为自由电流。
分析电流分量，分清自由分量、强制分量，转速不变，标幺值表示
电力系统分析 第五章 电力系统三相短路的暂态过程
进行短路计算。
电力系统分析 第五章 电力系统三相短路的暂态过程
确定计算条件：
①短路发生时系统的运行方式 ②短路的类型和发生地点 ③短路发生后所采取的措施等
电力系统分析 第五章 电力系统三相短路的暂态过程
5.2 恒定电势源电路的三相短路
◎清 风里的 一米阳 光
每 天，清 晨起来 总 喜欢打 开手机 因 为，
◎ 我 的 梦中 情人
一 刻 一 时 我 忽 然 傻想 把 你 作 为 我的梦 中情人 阳 光 添 了 几分光 彩
月亮漂
电力系统分析 第五章 电力系统三相短路的暂态过程
一、短路的暂态过程
ia
短路前a相的电势和电流：
eEmsin(t) i Imsin(t')
式中：
Im
Em
(RR')22(LL')2
电力系统分析第5章 电力系统的无功功率(reactive power)平衡与电压调整(voltage regulation ).
U S％S 2 U N 2 I o % U S %S NT S 2 I o % QT ( ) SN T ( ) S NT 100S NT U 100 100 S NT 100
电力系统分析
5.2.3 无功功率平衡
电力系统的无功平衡表示式为 其中：
QD＋ Q Q GC Q G＋ Q C
例5.1 求图5.6所示简单系统的无功功率平衡。图中所 示负荷为最大负荷值。 线路参数： r0 0.17 km, x0 0.41 km， b0 2.82 106 S km 变压器试验数据： PS 200KW , U s % 10.5, P0 47 KW , I 0 % 2.7
异步电动机在电力系统无功负 荷中占的比重很大，因此，电 力系统综合负荷的无功电压静 态特性主要取决于异步电动机 的特性。
图5.5 异步电动机的Q—U关系
电力系统分析
5.2.2 无功负荷及无功损耗
无功损耗(active loss) 输电线路的无功损耗
P12 Q12 B 2 2 Ql QlX QB X ( U U ) L 1 2 2 U1 2 P22 Q22 B 2 2 X ( U U ) L 1 2 变压器的无功损耗 2 U2 2
这种方法简单、经济，且不需增加额外设备。
电力系统分析
5.4.2改变变压器变比调压
改变变压器的变比就是通过改变绕组间匝数比（ratio of winding ）来实现的，因此，这种调压措施也常叫利 用变压器分接头（tap）调压。
分接头设置在双绕组变压器的高压绕组，三绕组变压 器的高压绕组和中压绕组。 一般与绕组额定电压值对应的分接头为主分接头，其 它分接头为附加分接头。
第五章电力系统动态稳定分析
j ij
xij ci u ij e ci u ij e
it
cos( t
i
e
( i j i ) t
ij
) j sin( i t ij )
(5 12)
有时，特征根是一对共轭复根，则可以 写成复合形式。
§5-3 电力系统的振荡模式
i,i 1
（5－1）
§5-1 带有PSS的动态稳定 （模型）分析方法
根据A 的特征根可以判别稳定，如果是 多机系统，则用Q-R（特征分析法）。如 实部为+，则不稳；为负则有阻尼，不会 失稳，按一般常规的方法即可，当加上 PSS以后完整的方程式是什么样的呢？
U E
1 T1 P k ( ) 1 T2 P
1t 1t
... ci u ij e
i t
... cm u mj e
m t
(5 8)
... ci u in e
i t
... cm u mn e
m t
§5-3 电力系统的振荡模式
可以将一个解 x1分解成m个分量，以其特 征向量和特征根来表示，将上式写成相 量形式为：
x1 u11 u m1 c e 1t ... c e mt (5 9) 1 m xn u1n u mn
§5-3 电力系统的振荡模式
m―― 为特征根数。 1...... c cm ――由初值或某个边界条件 决定的常数。 ui ui1 , ui 2 ...... uin 称之为 相 u i――是个向量， i 对应的特征向量。 i ――为第i个特征值。 n――特征向量的阶数。
xij ci u ij e ci u ij e
it
cos( t
i
e
( i j i ) t
ij
) j sin( i t ij )
(5 12)
有时，特征根是一对共轭复根，则可以 写成复合形式。
§5-3 电力系统的振荡模式
i,i 1
（5－1）
§5-1 带有PSS的动态稳定 （模型）分析方法
根据A 的特征根可以判别稳定，如果是 多机系统，则用Q-R（特征分析法）。如 实部为+，则不稳；为负则有阻尼，不会 失稳，按一般常规的方法即可，当加上 PSS以后完整的方程式是什么样的呢？
U E
1 T1 P k ( ) 1 T2 P
1t 1t
... ci u ij e
i t
... cm u mj e
m t
(5 8)
... ci u in e
i t
... cm u mn e
m t
§5-3 电力系统的振荡模式
可以将一个解 x1分解成m个分量，以其特 征向量和特征根来表示，将上式写成相 量形式为：
x1 u11 u m1 c e 1t ... c e mt (5 9) 1 m xn u1n u mn
§5-3 电力系统的振荡模式
m―― 为特征根数。 1...... c cm ――由初值或某个边界条件 决定的常数。 ui ui1 , ui 2 ...... uin 称之为 相 u i――是个向量， i 对应的特征向量。 i ――为第i个特征值。 n――特征向量的阶数。
电力系统稳态分析第5章
K
max 2U 2 R minU 2 min U 2 R maxU 2 2 2 U2 R max 2U 2 R min
(3)
1）由（3）式求变比K、 Ut1=K Ut2 ，选择分接头 2）代入（1）式求调相机容量，并选择与计算所得容量相接近的标准调相 机容量。
5.2.6 线路串联电容补偿改善电压质量
QC U 2 R max X max 2 U2 U 2 R max K K (1)
最小负荷下，调相机吸收额定容量一半的感性无功功率
U 1 QC 2 R min 2 X min 2 U2 U 2 R min K K (2)
联立求解，得变比：
UC
为满足U A 上限的U C
UC
为满足U A 上限的U C
中枢点
U CA
A
不可控
为满足U B下限的U C
C U CB B
0
为满足U B下限的U C
(时) (时)
8
16
24
0
8
16
24
5.2.2 中枢点电压管理（续1）
•
中枢点调压方式：
– 逆调压：高峰负荷时，将中枢点电压调高（限值 105%UN）；低谷负荷时，将中枢点电压调低（限值UN ）。 适合于大型网络、供电线路较长、负荷波动较大的情况。 – 顺调压：高峰负荷时，允许中枢点电压有所降低（限值 102.5%UN）；低谷负荷时，允许中枢点电压有所升高（限 值107.5%UN ）。适合于小型网络、供电线路不长、负荷 波动不大的情况。 – 常调压：在任何负荷下，保持中枢点电压为一基本不变 的值（102%~105% UN ）。适合于中型网络、负荷变动较 小、线路上的电压损耗也较小的情况。
《电力系统分析》第5章 习题解答
第五章思考题及习题答案5-1什么是电力系统的有功功率备用容量？为什么要设置备用容量？答：系统的电源容量超出发电厂发出的有功功率的总和的部分，称为系统的备用容量。
系统设置有功功率备用容量为了满足频率调整的需要，以保证在发电、供电设备发生故障或检修时，以及系统负荷增加时，系统仍有足够的发电容量向用户供电，保证电力系统在额定频率下达到有功平衡。
5-2 电力系统频率偏移过大的影响有哪些？答：频率偏移过大时，主要有以下影响：（1）电动机的转速和输出功率随之变化，会严重地影响产品的质量。
（2）会影响各种电子设备工作的精确性。
（3）对电力系统的正常运行影响很大。
对汽轮发电机叶片都有不良影响；电厂用的许多机械如水泵、风机等在频率降低时都要减小出力，因而影响发电设备的正常运行，使整个发电厂的有功出力减小，从而导致系统频率的进一步下降；频率降低时，异步电动机和变压器的励磁电流增大，为了不超越温升限额，不得不降低发电机的发出功率；频率降低时，系统中的无功功率负荷将增大，无功功率损耗增加，这些都会给电力系统无功平衡和电压调整增加困难。
总之，由于所有设备都是按系统额定频率设计的，系统频率质量的下降将影响各行各业。
而频率过低时，甚至会使整个系统瓦解，造成大面积停电。
5-3 什么是电力系统负荷的有功功率—静态频率特性？何为有功功率负荷的频率调节效应？K的大小与哪些因素有关？L答：系统处于运行稳定时，系统中有功负荷随频率的变化特性称为负荷的有功功率—静态频率特性。
当系统有功平衡破坏而引起频率变化时，系统负荷也参与对频率的调节（当频率变化时，系统中的有功功率负荷也将发生变化），这种特性有助于系统中的有功功率在新的频率下重新达到平衡，这种现象称为负荷的频率调节效应。
K的数值取决于全电力系统各类负荷的比重。
L5-4什么是电力系统发电机组的有功功率—静态频率特性？何为发电机组的单位调节功率？K的大小与哪些因素有关？G答：发电机输出的有功功率与频率之间的关系称为发电机组的有功功率一频率静态特性。
电力系统分析第5章答案解析
5-1. 供电系统如题图5-1所示，各元件参数如下。
线路L ：长50km ，km x /4.0Ω=；变压器T ：A MV S N ⋅=10,%5.10=s V ,11/110=T k 。
假定供电点电压为kV 5.106，保持恒定，当空载运行时变压器低压母线发生三相短路。
试计算：（1）短路电流周期分量，冲击电流，短路电流最大有效值及短路功率等的有名值；（2）当A 相非周期分量电流有最大或零初始值时，相应的B 相及C 相非周期电流的初始值。
解：kV V kV V V V MVA S B B av B B 5.10,115,,100)2()1(====即选 1512.0115100504.022)1(1=⨯⨯===B B L V S xLX x 05.110100105.02=⨯===N B ST S S V X x 2012.121=+=∑x x x当空载运行时,短路点电压9261.01155.106===B S V V V 当低压母线发生三相短路时： (1) 短路电流周期分量 kA kA V S x V I B B p 2394.45.1031002012.19261.03)2(=⨯⨯=•=∑ 冲击电流 kA kA I k i P im im 79.102394.48.122=⨯⨯==短路电流最大有效值 kA kA k I I im P im 4014.6)18.1(212394.4)1(2122=-⨯+⨯=-+= 短路功率MVA MVA V I S B P K 1.775.102394.433)2(=⨯⨯== (2) 短路电流非周期计算若A 相非周期分量电流为最大时，kA kA I i P a ap 9945.52394.4414.12)(=⨯==相应的B 相及C 相非周期电流的初始值为:kA kA i i i b ap b ap b ap 9973.229945.521)()()(=-=-==若A 相非周期分量电流为零时，0)(=a ap i相应的B 相及C 相非周期电流的初始值为:kA kA I i P b ap 1922.5)30cos(2394.4414.1)12090cos(2000)(-=-⨯-=--= 000S 题图 5-15-3. 一台无阻尼绕组同步发电机，已知：MW P N 150=，85.0cos =N ϕ，kV V N 75.15=,04.1=d x ，69.0=q x ，31.0'=d x 。
第05章 电力系统安全分析
第五章 电力系统安全分析
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 概述 电力系统的静态等值 静态安全分析的支路开断模拟 静态安全分析的发电机开断模拟 静态安全分析的灵敏度法 预想事故的自动筛选 电力系统静态安全域
5-1 概述
对电力系统的基本要求是实现在正常运行情况和偶然事故情况下都 能保证电网各运行参数均在允许范围内，安全可靠的向用户提供质量 合格的电能。紧急状 Nhomakorabea分两类：
（1）没有失去稳定的紧急状态：由于输电设备通常允许 有一定的过负荷时间，所以这种状态称持久性的紧急状态 。 对于这种状态一般可以通过控制使之回到安全状态，称 为校正控制或持久性紧急状态控制。 （2）稳定性的紧急状态：亦称可能失去稳定的紧急状态 。 该状态能容忍的时间只有几秒钟，相应的控制也不得超 过1s。这种控制称为紧急控制或稳定性紧急控制。
电力系统运行状态：
电力系统正常运行时必须满足两个约束条件：即等式约束条件和 不等式约束条件。等式约束为潮流方程，不等式约束条件是为了保证 系统安全运行，有关电气设备的运行参数都处于运行允许值的范围内。 g ( x) 0 即：
h( x ) 0
根据是否满足上述约束条件，电力系统的运行状态 可以划分为： 1.安全正常状态 2.警告状态（不安全正常状态） 3.紧急状态 4.危急状态（极端状态） 5.恢复状态 它们之间的关系：
边界节点
外部系 统
互联系统的划分示意图
内部系统与外部系统直接相连的节点称之为边界节点 （或边界母线）；内部系统与边界节点连线的支路称为 联络线。
静态等值方法: 在稳态条件下，保持内部系统状态不 变，简化外部网络。一般为基于拓扑的等 值，原理上可分为两大类: （1）应用数学矩阵消元理论求得等值网（ Ward等值）。 （2）应用网络变换原理求得等值网络（REI 等值）。
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 概述 电力系统的静态等值 静态安全分析的支路开断模拟 静态安全分析的发电机开断模拟 静态安全分析的灵敏度法 预想事故的自动筛选 电力系统静态安全域
5-1 概述
对电力系统的基本要求是实现在正常运行情况和偶然事故情况下都 能保证电网各运行参数均在允许范围内，安全可靠的向用户提供质量 合格的电能。紧急状 Nhomakorabea分两类：
（1）没有失去稳定的紧急状态：由于输电设备通常允许 有一定的过负荷时间，所以这种状态称持久性的紧急状态 。 对于这种状态一般可以通过控制使之回到安全状态，称 为校正控制或持久性紧急状态控制。 （2）稳定性的紧急状态：亦称可能失去稳定的紧急状态 。 该状态能容忍的时间只有几秒钟，相应的控制也不得超 过1s。这种控制称为紧急控制或稳定性紧急控制。
电力系统运行状态：
电力系统正常运行时必须满足两个约束条件：即等式约束条件和 不等式约束条件。等式约束为潮流方程，不等式约束条件是为了保证 系统安全运行，有关电气设备的运行参数都处于运行允许值的范围内。 g ( x) 0 即：
h( x ) 0
根据是否满足上述约束条件，电力系统的运行状态 可以划分为： 1.安全正常状态 2.警告状态（不安全正常状态） 3.紧急状态 4.危急状态（极端状态） 5.恢复状态 它们之间的关系：
边界节点
外部系 统
互联系统的划分示意图
内部系统与外部系统直接相连的节点称之为边界节点 （或边界母线）；内部系统与边界节点连线的支路称为 联络线。
静态等值方法: 在稳态条件下，保持内部系统状态不 变，简化外部网络。一般为基于拓扑的等 值，原理上可分为两大类: （1）应用数学矩阵消元理论求得等值网（ Ward等值）。 （2）应用网络变换原理求得等值网络（REI 等值）。
电力系统分析第五章电力系统故障与实用短路电流计算
突然短路暂态过程的特点 冲击电流大 电枢反应磁通发生变化，引起定、转子电流变化
发电机突然短路的特点 ① 速度快，近似认为转子转速不变，频率恒定，只 考虑电磁暂态过程，不考虑机械暂态过程。 ② 电机的磁路不饱和，即叠加原理可以应用。 ③ 励磁电压始终保持不变（电机端电压降低）。 ④ 短路发生在发电机的出线端，短路阻抗可看做发 电机定子绕组漏抗的一部分。
频电路的电枢反应
目的：
b
c
a
c y
将短路电流分解为各种分量，只是为了分析和计算的方便，实际 上每一个绕组都只有一个总电流。但是搞清楚突然短路时定于和转 子中各种电流分量出现的原因以及它们之间的相互关系，对短路的 分析计算有帮助。
24
补充归纳
定转子绕组各种电流分量之间的关系
强制分量
自由分量
定子方面
稳态短路电流 基频自由电流
其中： ipa Im sin(t )
t
ia Ce Ta
周期分量
自由分量
i (0)
Im
C
i
( 0 )
i
UImm(0) sin( (0) )
R2
a0
Im2L(02)
sin(
(0)
I
)
m sin( ) C
Im sin( )
8
得到：
ia ipa ia
Im sin(t ) [Im(0) sin( (0) ) Im sin( )]et /Ta
19
1. 突然三相短路后定子的短路电流
1、短路前（空载） 有：
id iq 0,
q 0,
i f [0] u f [0] / rf
a相（q轴）
w
定子绕组的总磁链：
发电机突然短路的特点 ① 速度快，近似认为转子转速不变，频率恒定，只 考虑电磁暂态过程，不考虑机械暂态过程。 ② 电机的磁路不饱和，即叠加原理可以应用。 ③ 励磁电压始终保持不变（电机端电压降低）。 ④ 短路发生在发电机的出线端，短路阻抗可看做发 电机定子绕组漏抗的一部分。
频电路的电枢反应
目的：
b
c
a
c y
将短路电流分解为各种分量，只是为了分析和计算的方便，实际 上每一个绕组都只有一个总电流。但是搞清楚突然短路时定于和转 子中各种电流分量出现的原因以及它们之间的相互关系，对短路的 分析计算有帮助。
24
补充归纳
定转子绕组各种电流分量之间的关系
强制分量
自由分量
定子方面
稳态短路电流 基频自由电流
其中： ipa Im sin(t )
t
ia Ce Ta
周期分量
自由分量
i (0)
Im
C
i
( 0 )
i
UImm(0) sin( (0) )
R2
a0
Im2L(02)
sin(
(0)
I
)
m sin( ) C
Im sin( )
8
得到：
ia ipa ia
Im sin(t ) [Im(0) sin( (0) ) Im sin( )]et /Ta
19
1. 突然三相短路后定子的短路电流
1、短路前（空载） 有：
id iq 0,
q 0,
i f [0] u f [0] / rf
a相（q轴）
w
定子绕组的总磁链：
电力系统分析第5章
异步电动机所消耗的无功功率： U2 QD Qm Q X I 2 Xm
Qm 为励磁无功功率；
Q 为漏抗中的无功功率；
+
jX
jX m I U 0
-
I
R s
2、无功损耗
输电线路的无功损耗由线路串联电抗中的无
功功率损耗与线路电容的充电功率组成：
P12 Q12 B 2 2 Ql QlX QB X ( U U L 1 2) 2 U1 2 P22 Q22 B 2 2 X ( U U L 1 2) 2 当电压较低，对于 35kV 及以下的架空线路， ΔQB较小， U2 2
一般把中枢点的调压方式分为逆调压、顺调压
和常调压三类。 逆调压：在最大负荷时提高中枢点电压，但不高
于网络额定电压的105%，最小负荷时降低中枢点
电压，但不低于网络额定电压的调整方式称为“逆
调压”。
逆调压方式适用于供电线路较长、负荷波动较大 的中枢点。
顺调压：在最大负荷时允许中枢点电压降低，但 不低于网络额定电压的102.5%,在最小负荷时， 允许中枢点电压升高，但不高于网络额定电压的 107.5%。
5.1.1 电压偏移对用电设备的影响 5.1.2 用户允许电压偏移值
5.1 电压调整的必要性
电压是衡量电能质量的又一重要指标。 电力系统中的用电设备都是按照标准的额定电压 设计制造的，因此用电设备工作在额定电压下，各 项性能指标发挥得最好。 但是实际上，由于负荷随时都在发生变化，网络中 的电压损耗也随之变化，这样就造成各节点电压的运 行过程中总会有一定的偏移，如果电压偏移值比较小 ，仍能保证用户及电力系统的正常运行，而如果电压 偏移值过大，会影响工农业生产产品的质量和产量， 损坏设备，甚至引起系统的电压崩溃。
电力系统暂态分析 第5章 简单电力系统
c os 2δ
系统必须运行在Seq＞0的状况下。Seq的大小标志着同步发电机
维持同步运行的能力。随着功角的逐步增大，整步功率系数将 逐步减小。当整步功率系数减小为零并进而改变符号时，发电 机就再没有能力维持同步运行，系统将非周期地丧失稳定。
第二节 简单电力系统静态稳定性 分析的小干扰法
三、阻尼对静态稳定的影响
X0
第二节 简单电力系统静态稳定性 分析的小干扰法
dX / dt AX
f1
x1
A=
f
n
x1
f1
xn
f n
xn
雅可比矩阵
第二节 简单电力系统静态稳定性 分析的小干扰法
李雅普诺夫稳定性判断原则是，若线性化方程中的A矩阵没有
零值和实部为零值的特征值，则非线性系统的稳定性可以完全 由线性化方程的稳定性来决定。即
发电机组的阻尼作用包括由轴承摩擦和发电机转子与气体摩擦 所产生的机械性阻尼作用，以及由发电机转子闭合绕组(包括 铁心)所产生的电气阻尼作用。机械阻尼作用与发电机的实际 转速有关，电气阻尼作用则与相对转速有关，要精确计算这些 阻尼作用是很复杂的。为了对阻尼作用的性质有基本了解，假 定阻尼作用所产生的转矩(或功率)都与转速呈线性关系
第一节 简单电力系统的静态稳定
a点： 0 0
PE 0 PE 0
PE 0
b点： 0 0
PE 0
PE 0
PE 0
简单系统静态稳定判据： dPE 0
d
dPE
d
称为整步功率系数
第一节 简单电力系统的静态稳定
dPe EqU cosδ dδ xd
静稳储备系数
Kp
PM P0 P0
100 %
电力系统分析第5章
负荷的静态频率特性
系统稳态运行时，有功负荷随频率的变化特性 负荷的静态频率特性一般以多项式表示：
f f 2 f 3 f n PD a0 PDN a1 PDN ( ) a2 PDN ( ) a3 PDN ( ) a n PDN ( ) fN fN fN fN 其中 a0 a1 a2 ... an 1
以额定负荷和额定频率作为基准值，其标幺表达式为：
PD* a0 a1 f * a2 f *2 a3 f *3 an f *n
a) b) c) d) e) 0次方（与频率无关），照明、电弧炉、电阻炉、整流负荷 1次方，球磨机、切削机床、往复式水泵、压缩机和卷扬机 2次方，变压器的涡流损耗 3次方，通风机、循环水泵 高次方，静水头阻力很大的给水泵（所占比例很小）
如果负荷与频率无关，K D 0 负荷不具有频率调节能力
` -+
1.飞摆 2.弹簧 3.错油门
4.油动机
5.调频器
1）f↓→1↓→A↓A”→ C↓C’→F↓F’→E↓E’→b进a出→4↑→B↑B’→ C’↑C 进气大→f ↑→A”↑A’↗ 2）调频器动作D↑→E↓E’→b进a出→4↑→B↑→ C↑→E’↑→气门停 ↘ 气门加大，f不变， 相当于调差曲线上移
功率为
K G K Gi K Gi*
i 1 i 1
m
m
PGiN fN
K G* ( K Gi*
i 1
m
PGiN ) / PGN fN
m i 1
系统的单位调节功率为
K S K Gi K D
标么值计算时，需将KD、KG归算至同一基值下的标么值 系统单位调节功率大，有利于保证频率偏差较小，但某台机组的 单位调节功率不能整定过大。
系统稳态运行时，有功负荷随频率的变化特性 负荷的静态频率特性一般以多项式表示：
f f 2 f 3 f n PD a0 PDN a1 PDN ( ) a2 PDN ( ) a3 PDN ( ) a n PDN ( ) fN fN fN fN 其中 a0 a1 a2 ... an 1
以额定负荷和额定频率作为基准值，其标幺表达式为：
PD* a0 a1 f * a2 f *2 a3 f *3 an f *n
a) b) c) d) e) 0次方（与频率无关），照明、电弧炉、电阻炉、整流负荷 1次方，球磨机、切削机床、往复式水泵、压缩机和卷扬机 2次方，变压器的涡流损耗 3次方，通风机、循环水泵 高次方，静水头阻力很大的给水泵（所占比例很小）
如果负荷与频率无关，K D 0 负荷不具有频率调节能力
` -+
1.飞摆 2.弹簧 3.错油门
4.油动机
5.调频器
1）f↓→1↓→A↓A”→ C↓C’→F↓F’→E↓E’→b进a出→4↑→B↑B’→ C’↑C 进气大→f ↑→A”↑A’↗ 2）调频器动作D↑→E↓E’→b进a出→4↑→B↑→ C↑→E’↑→气门停 ↘ 气门加大，f不变， 相当于调差曲线上移
功率为
K G K Gi K Gi*
i 1 i 1
m
m
PGiN fN
K G* ( K Gi*
i 1
m
PGiN ) / PGN fN
m i 1
系统的单位调节功率为
K S K Gi K D
标么值计算时，需将KD、KG归算至同一基值下的标么值 系统单位调节功率大，有利于保证频率偏差较小，但某台机组的 单位调节功率不能整定过大。
电力系统分析第05章电力系统有功功率平衡与频率调整
¾ 目标函数 ¾ 约束条件：
n
∑ F = Fi ( PGi ) i =1
∑ ∑ PGi − PLi = 0
¾ 等微增率准则的表达式
dF1 ( PG1 ) = dF2 ( PG2 ) = .... = dFn ( PGn ) = λ
dPG1
dPG 2
dPGn
18
3.最优分配方案的求解步骤
对于机组较少的情况，可以用解方程组的方法求解，机 组较多，可以迭代求解
算。
5) 直到满足条件。
19
例5-1同一发电厂内两套发电设备共同供电，耗量特性分别为
F1 = 3 + 0.25PG1 + 0.0014PG21 F2 = 5.0 + 0.25PG2 + 0.0018PG22
它们可发有功功率上下限分别为PG1max=100MW, PG1min=20MW,
PG2max=100MW, PG2min=20MW,求承担150MW负荷时的分配方案 解：两台发电设备的耗量微增率分别为
第五章 电力系统有功功率 平衡与频率调整
1
第五章电力系统有功功率平衡与频率调整
电力系统的调频问题实质上是正常运行时有功功率的平衡问题。 ¾ 发电机的输入功率、输出功率和系统的总负荷相等，发电机匀速运
转。 ¾ 当系统中发出的有功功率与负荷消耗的有功功率不平衡时，就会反映
为频率的变化。
当电力系统发生某种扰动（负荷减小），发电机输出的功率瞬间 减小。但发电机的输入功率是机械功率，不能瞬间变化。扰动后瞬间 发电机的输入功率大于输出功率，发电机转子将加速，电力系统的频 率上升。
投切增减负荷不增 加能耗，时间短 (4)有强迫功率，视不 同水电厂而定
调峰机组
刘天琪电力系统分析理论第5章完整版
电力网的无功损耗包括变压器和输电线路的无功损耗：变压器的无功功率损 耗在系统的无功需求中占有相当的比重，假设一台变压器的空载电流 I0(%)=2.5， 短路电压 Uk(%)=10.5。在额定功率下运行时，变压器无功功率损耗将达其额定容 量的 13％。一般电力系统从电源到用户需要经过好几级变压，因此，变压器中 的无功功率损耗的数值将是相当可观的。输电线路的无功功率损耗分为两部分， 其串联电抗中的无功功率损耗与通过线路的无功功率或电流的平方成正比，而其 并联电纳中发出的无功功率与电压平方成正比（可以看作无功电源）。输电线路 等值的无功消耗特性取决于输电线传输的无功功率与运行电压水平。当线路传输 功率较大，电抗中消耗的无功功率大于电容中发出的无功功率时，线路等值为消 耗无功功率；当传输无功功率较小、线路运行电压水平较高，电容中产生的无功 功率大于电抗中消耗的无功功率时，线路等值为无功电源。
5-2、电力系统中无功负荷和无功功率损耗主要指什么？ 答：电力系统的无功负荷分为感性与容性两类，感性无功负荷用于建立变压
器、电动机以及所有电磁元件的磁场，容性无功负荷用于建立电容器等元件的电 场，感性无功与容性无功可以相互补偿。电力系统的无功负荷主要是指以滞后的 功率因数运行的用电设备所吸收的感性无功功率，其中主要是异步电动机。一般 情况下，系统综合负荷的功率因数大致为 0.6～0.9。综合负荷的功率因数愈低， 负荷所吸收的无功功率也愈多。
功率因数角。
P
PGN
C
•
δ
•
EN
• ϕN
VN
j IN xd
0.75 0 .5
O
ϕN
A
QGN
Q
•ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
IN
隐极发电机额定运行相量图 图中，电压降相量 AC 的长度代表 I N xd ，正比于额定视在功率 SGN ，它在 P-Q 坐标纵轴上的投影正比于 PGN ，在横轴上的投影正比于 QGN ，相量 OC 的长度代 表空载电势 EN ，它正比于发电机的额定励磁电流。 当改变功率因数时，发电机可能发出的功率 P 和 Q 受到以下限制。 （1）受额定视在功率（定子额定电流）的限制。如图所示，以 A 为圆心， 以 AC 为半径的圆弧表示。
5-2、电力系统中无功负荷和无功功率损耗主要指什么？ 答：电力系统的无功负荷分为感性与容性两类，感性无功负荷用于建立变压
器、电动机以及所有电磁元件的磁场，容性无功负荷用于建立电容器等元件的电 场，感性无功与容性无功可以相互补偿。电力系统的无功负荷主要是指以滞后的 功率因数运行的用电设备所吸收的感性无功功率，其中主要是异步电动机。一般 情况下，系统综合负荷的功率因数大致为 0.6～0.9。综合负荷的功率因数愈低， 负荷所吸收的无功功率也愈多。
功率因数角。
P
PGN
C
•
δ
•
EN
• ϕN
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j IN xd
0.75 0 .5
O
ϕN
A
QGN
Q
•ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
IN
隐极发电机额定运行相量图 图中，电压降相量 AC 的长度代表 I N xd ，正比于额定视在功率 SGN ，它在 P-Q 坐标纵轴上的投影正比于 PGN ，在横轴上的投影正比于 QGN ，相量 OC 的长度代 表空载电势 EN ，它正比于发电机的额定励磁电流。 当改变功率因数时，发电机可能发出的功率 P 和 Q 受到以下限制。 （1）受额定视在功率（定子额定电流）的限制。如图所示，以 A 为圆心， 以 AC 为半径的圆弧表示。
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周期分量有效值：
I pt
I pmt 2
短路电流最大有效值：
短路全电流有效值：
It
I
2 pt
I2 apt
Iim
I
2 p
[(kim
1)
2I p ]2 I p
1 2(kim 1)
四、短路功率
短路容量等于短路电流有效值同短路处的正常工作电压的乘积，
即：
St 3Vav It
用标幺值表示为：
S*t
第五章 电力系统三相短路的暂态过程
5.2 恒定电势源电路的三相短路
第五章 电力系统三相短路的暂态过程
5.2 恒定电势源电路的三相短路
将 Im 0, 900 , 0
代入（5-6），得
i I pm cost I pm exp(t / Ta )
（5-7）
其电流波形如图所示：
由图可见，短路电流的
第五章 电力系统三相短路的暂态过程
第五章 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 同步电机突然短路的物理分析 5.4 无阻尼绕组同步电机三相短路电流的计算 5.5 有阻尼绕组同步电机三相短路电流的计算
第五章 电力系统三相短路的暂态过程
5.1 短路的一般概念
3Vav It It 3VB I B I B
第五章 电力系统三相短路的暂态过程
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
冲击电流大 电枢反应磁通发生变化，引起定、转子电流变化
二、超导体闭合回路磁链守恒原则
原始磁链 0 0 加外界磁场，磁链由 0 1
感应
i1
Li1 1 0
求解可得：
其中：ip I
i ip
pm sin(t
iap
L
) iap
di dt
Em
Ce pt
sin(t )
C exp(t
/
Ta
)
i i (0)
(0 _)
Im sin( ) I pm sin( ) C
C iap0 Im sin( ) I pm sin( )
i ip iap
I pm sin(t ) [Im sin( ) I pm sin( )]et /Ta
（5-5）
第五章 电力系统三相短路的暂态过程
5.2 恒定电势源电路的三相短路
短路电流各分量之间的关系也可以用相量图表示，如 图5-2所示：
第五章 电力系统三相短路的暂态过程
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分析
a b
a b
a0 b0
a b
a0 b0
0 0
cos( 0 cos( 0
t) t 1200 )
c c c0 c c0 0 cos(0 t 1200 )ຫໍສະໝຸດ 3、短路后定子绕组中的电流分量
基频电流 i:以抵消转子主磁场的交变磁链；
直流分量iap ：
最大瞬时值在短路发生后
约半个周期出现。由此，冲
击电流的算式为：
iim I pm I pm exp(0.01/ Ta )
[1 exp(0.01/ Ta )]I pm
kim I pm
（5-9）
第五章 电力系统三相短路的暂态过程
5.2 恒定电势源电路的三相短路
三、短路电流有效值
非周期分量有效值： I apt iapt
维持磁链初始值；
倍频分量 i2w ：
4、短路后转子中的电流分量
自由直流 i fa：维持转子中磁链初始值；
基频电流 i fw：抵消定子直流和倍频电路的电枢反应
第五章 电力系统三相短路的暂态过程
5.3 同步电机突然三相短路的物理分析
➢ 定子和转子绕组中的各种电流分量及它们之间互相依 存的关系如表5-2所示。
二、短路冲击电流 短路电流最大可能的瞬时值称为短路冲击电流，以
iim 表示。 1）短Im路冲Ip击m 电流有i最im大可出能现值的；条件：
2）Im Ipm 在 t 0 时与时间轴平行。
在电感性电路中，符合上述条件的情况是：电路原 来处于空载状态，短路恰好发生在短路周期电流取幅 值的时刻。见图5-3。
一、短路的原因、类型及后果 1、短路：是指一切不正常的相与相之间或者相与地
（对于中性点接地的系统）发生通路的情况。
2、短路的类型
1）三相短路
f (3)
2）两相短路接地 f (1,1)
3）两相短路
f (2)
4）单相短路
f (1)
3、短路的后果
第五章 电力系统三相短路的暂态过程
5.2 恒定电势源电路的三相短路
0 0
cos( 0 cos( 0
t) t 1200 )
如图5－7（b）所示。
c 0 cos(0 t 1200 )
2、短路后 假设t=0时发生短路，
为维持磁链初值
a0 ,b0 ,c0 不变，
在定子三相绕组中将出
现电流，其所产的磁链
a , b , c 必须满足：
第五章 电力系统三相短路的暂态过程
一、短路的暂态过程 如图所示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 逐渐衰减至零； 左半部：短路前， i Im sin(t ) 短路后，阻抗值从 (R R) j(L L) R jL
第五章 电力系统三相短路的暂态过程
5.2 恒定电势源电路的三相短路
对a相电路列写微分方程：Ri
（5-14）
第五章 电力系统三相短路的暂态过程
5.4 无阻尼绕组同步电机三相短路电流计算
i f 从 d , f 方程中消去 ，得：
d
xad xf
f
(xa
xf xad xf xad
)id
定义：暂态电势
Eq
xad xf
f
f
xad xf
f
暂态电抗
xd
xa
xf xad xf xad
三、无阻尼绕组同步电机突然三相短路的物理
分析
1、短路前（空载）
有： id iq 0,q 0, i f [0] v f [0] / rf
定子绕组的总磁链： 0 d fd xad i f [0]
第五章 电力系统三相短路的暂态过程
5.3 同步电机突然三相短路的物理分析
定子三相绕组的磁链分别为：ba
第五章 电力系统三相短路的暂态过程
5.4 无阻尼绕组同步电机三相短路电流计算
一、暂态电抗和暂态电势
适用于暂态分析等值电路的制订 无阻尼绕组电机的磁链平衡方程如下：
d xdid xadi f xaid xad (i f id ) q xq iq f xadid x f i f xad (i f id ) xf i f