電力系統(tǒng)網(wǎng)絡中常見的幾種短路故障分析

張永禎 羅海洲

摘 要：在電力系統(tǒng)中發(fā)生故障的類型基本可分為兩種：縱向故障和橫向故障，本篇論文就電力系統(tǒng)中發(fā)生的橫向故障做為重點研究對象，利用對稱分量法分別分析討論在電力輸電網(wǎng)絡發(fā)生單相接地短路、兩相相間短路、兩相接地短路以及三相短路發(fā)生時，輸電線路中零序、負序電壓，零序、負序電流和零序、負序阻抗之間的關系，從而確定相位角超前或者滯后，為電力系統(tǒng)中繼電保護的準確動作確定前提條件。

關鍵詞：橫向故障;阻抗;基頻分量

中圖分類號：TM711 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）08-0165-02

1單相接地短路分析計算

根據(jù)圖1系統(tǒng)等效電路所示，當系統(tǒng)中發(fā)生單相接地短路故障時，系統(tǒng)中的三相電流電壓都將會引起變化，尤其是故障相電壓甚至變?yōu)?，電流增大為正常運行電流的幾十倍甚至上百倍。首先，我們利用對稱分量法對故障相電流和非故障相電壓進行分析，然后根據(jù)故障前后系統(tǒng)中各個分量之間的關系，利用相量運算法則，將各個分量合成，求出故障后各相電流電壓值。如圖1（a）所示為任意一個復雜的電力系統(tǒng)在線路任意點發(fā)生短路故障，G1，G2代表發(fā)電機，在圖1中所示為系統(tǒng)發(fā)生短路故障后利用對稱分量法將系統(tǒng)的故障電壓電流分解為各個分量，并且將各個分量分別利用戴維寧諾頓定律繪制等效電路圖，等效的電路如圖1（c）和圖1（d）所示，假設f的自阻抗為Zff（1）也就是從f點看進網(wǎng)絡的等值阻抗，當電流經(jīng)過等值阻抗所產(chǎn)生壓降即為，則為f點正常時的開路電壓。負序等值電路如圖1（e）和圖1（f）所示，發(fā)電機的負序電抗可近似等于次暫態(tài)電抗即。同樣，零序網(wǎng)絡及其等值電路如圖1（g）和圖2-1（h）所示。在電力系統(tǒng)中，發(fā)電機一般是通過星形/三角形接線和升壓變壓器相連，又因為發(fā)電機側的星形接線中性點不接地，所以零序電流沒有與大地形成通路，故此處略去發(fā)電機零序電抗。同樣，。綜上所述，可得三序電壓平衡方程式為式1。

根據(jù)電路知識可知，當A相接地時，對地電壓不變，但是由于A相發(fā)生短路接地，因此B相和C相對地電流為0。由以上分析單相接地短路電流電壓變化可以得出單相接地故障中各自的對地電流電壓變化值，由此推出單相接地短路的邊界條件為式2。

現(xiàn)取A相電流電壓各序分量進行分析研究，由A相的各個序分量推導出非故障相電流電壓變化為式3。又因為可得出式4：

將式代入式3中得?，F(xiàn)對A相電壓進行分析討論，由于A相接地短路，所以A相電壓為0用各序分量關系表示為：

由以上對稱分量法推導過程可得A相復合序網(wǎng)圖見圖2。

將式5代入公式中得：

經(jīng)化簡整理得（由于各序分量對稱，為為簡便起見，未經(jīng)注明，其都表示a相的綜合阻抗）：

因為線路為靜止元件，所以，由此可得：

發(fā)生短路后B相電壓為：

因為零序阻抗不可能為負，所以K的取值范圍為

當K=0時：零序阻抗等于0，即xa=0，此時，可以看出故障后B相的電壓降低：

當K=1時;即Xa（0）=Xa（1），則此時，由上可以看出，故障后非故障相電壓不變。當K>1時;即Xa（0）>Xa（1），此時非故障相電壓比故障相電壓高。

當零序阻抗無窮大時，零序電流不能構成通路，此時中性點電壓升高為相電壓，非故障相電壓變?yōu)樵瓉淼谋?，變?yōu)榫€電壓。

根據(jù)選擇故障相為特殊相時，得出非故障相在系統(tǒng)發(fā)生故障之后的電壓電流變化。用相量表示隨著零序阻抗與正序阻抗大小關系發(fā)生變化，故障后系統(tǒng)中的電流電壓也隨之發(fā)生變化。

2兩相接地短路分析計算（見圖3）

圖5表示系統(tǒng)中發(fā)生兩相接地短路故障，由對地電壓電流發(fā)生突變可得邊界條件為式9。根據(jù)式9兩相接地邊界條件與單相接地邊界條件類似，只是電流電壓互換，利用對稱分量法對電壓進行分析得式10。

對B相電流進行分析，為分析簡單，現(xiàn)將上式實部和虛部分別進行分析計算。

在星形中性點不接地系統(tǒng)中，發(fā)生兩相接地短路故障，非故障相電壓升高為正常電壓的倍，但仍小于中性點不接地而發(fā)生單相短路故障時正常相電壓的升高值。