[工程科技]第三章 短路电流计算 第二节.ppt

内容提要 本章概述短路电流的计算 首先说明无限大容量电源系统供电时短路过程的分析和无限大容量电源条件下短路电流的计算方法 低压配电网中短路电流的计算 不对称短路电流的计算方法 介绍了感应电动机对短路电流的影响 最后介绍了供电系统中电气设备的选择与校验 第3章短路电流的计算 第3章短路电流的计算 第一节概述第二节无限大容量电源系统供电时短路过程的分析第三节无限大容量电源条件下短路电流的计算方法第四节低压配电网中短路电流的计算第五节不对称短路电流的计算方法第六节感应电动机对短路电流的影响第七节供电系统中电气设备的选择与校验 第三节无限大电源条件下短路电流的计算方法 三相短路电流常用的计算方法有欧姆法和标幺制法两种 欧姆法是最基本的短路计算方法 适用于两个及两个以下电压等级的供电系统 而标幺制法适用于多个电压等级的供电系统 短路计算中有关物理量一般采用以下单位 电流为 kA 千安 电压为 kV 千伏 短路容量和断流容量为 MV A 兆伏安 设备容量为 kW 千瓦 或 kV A 千伏安 阻抗为 欧姆 等 1 短路点的选取短路点为各级电压母线 各级线路末端 2 短路时间的确定根据电气设备选择和继电保护整定的需要 确定计算短路电流的时间 3 短路电流的计算包括最大运行方式下最大短路电流 最小运行方式下最小短路电流以及各级电压中性点不接地系统的单相接地短路电流 计算的具体项目及其计算条件取决于计算短路电流的目的 短路电流计算的内容 电力系统中 为使系统安全 经济 合理运行 或者满足检修工作的要求 需要经常变更系统的运行方式 由此相应地引起了系统参数的变化 在设计变 配电站选择开关电器和确定继电保护装置整定值时 往往需要根据电力系统不同运行方式下的短路电流值来计算和校验所选用电器的稳定度和继电保护装置的灵敏度 最大运行方式 是系统在该方式下运行时 具有最小的短路阻抗值 发生短路后产生的短路电流最大的一种运行方式 一般根据系统最大运行方式的短路电流值来校验所选用的开关电器的稳定性 最小运行方式 是系统在该方式下运行时 具有最大的短路阻抗值 发生短路后产生的短路电流最小的一种运行方式 一般根据系统最小运行方式的短路电流值来校验继电保护装置的灵敏度 电力系统最大运行方式是发电机发出容量最大 系统阻抗最小 最小运行方式是发电机发出容量相对较小 系统阻抗最大 比如在一个有4台发电机的电厂一般规定最大运行方式是4台机都运行 有两台主变的中性点直接接地 最小运行方式规定为有两台发电机运行 另两台停运 有一台主变的中性点接地 如果是变电站 最大运行方式是所有进出负荷和变压器都正常运行 220KV 110KV的双母线并联运行 最小运行方式一般规定为每条母线上只有一进 一出两个设备运行 基本假定短路电流计算中 为简化分析 通常采用以下基本假定 1 正常运行时 三相系统对称运行 2 所有电源的电动势相位角相同 3 系统中所有同步和异步电动机均为理想电机 即不考虑电机磁饱和 磁滞 涡流及导体集肤效应等影响 转子结构完全对称 定子三相绕组空间位置相差120 电气角度 短路电流计算条件 4 电力系统中各元件的磁路不饱和 即带铁芯的电气设备电抗值不随电流大小发生变化 5 同步电机都具有自动调整励磁装置 6 不考虑短路点的电弧电阻 7 不考虑变压器的励磁电流 8 除计算短路电流的衰减时间常数和低压电网的短路电流外 元件的电阻略去不计 9 输电线路的电容略去不计 10 元件的计算参数取额定值 1 短路计算公式欧姆法是因其短路计算中的阻抗都采用有名单位 欧姆 而得名 对无限大系统 三相短路电流周期分量有效值可按下式计算 1 欧姆法 Uav 短路点所在网段的平均电压 在计算中Uav 1 05UN R X 电源至短路点间的总阻抗于总电抗 在高压电路的短路计算中 通常总电抗远比总电阻大 所以一般只计电抗 不计电阻 在低压电路的短路计算中 也只有当短路电路R X 3时才需要考虑电阻 若不计电阻 三相短路周期分量有效值为 I 3 k Uav 3X 三相短路容量为 S 3 k 3UavI 3 k U IR这就是欧姆定律的积分形式 电荷的流动是由电场推动的 把上述欧姆定律用于导体某处微小的电流管 得出j 式中j和E分别是该处的电流密度和电场强度 是导体的电导率 这是欧姆定律的微分形式 它以点点对应的关系更为细致地描述导体的导电规律 电学的基本实验定律 1826年 德国物理学家G S 欧姆由实验发现 通过一段导体的电流强度I与导体两端的电压U成正比 即I U 由此 将电压与电流之比定义为该导体的电阻R 得出 乔治 西蒙 欧姆 GeorgSimonOhm 根据大量的实验数据 他总结出了下面的公式 X a b x 式中的X代表电流磁效应的强度 相当于电流 x代表导线的长度 相当于外电路的电阻 a代表电源的 激活力 也就是电动势 b相当于内阻 上式实际上就是我们现在讲的闭合电路的欧姆定律 I E R r 2 供电系统元件阻抗的计算 1 电力系统的阻抗电力系统的电阻相对于电抗来说很小 可不计 其电抗可由变电站高压馈电线出口断路器的断流容量Soc计算 即Xs Soc U2c 2 电力变压器的阻抗 变压器的电阻RT可由变压器的短路损耗 Pk近似地求出 即RT Pk Uc SN 2 变压器的电抗XT可由变压器的短路电压Uk 近似地求出 即XT Uk 100 U2c SN 3 电力线路的阻抗 线路的电阻RWL可由线路长度l和已知截面的导线或电缆的单位长度电阻R0求得 即RWL R0l 线路的电抗XWL可由线路长度l和导线或电缆的单位长度电抗X0求得 即XWL X0l 4 电抗器的阻抗由于电抗器的电阻很小 故只需计算其电抗值 XR XR 100 UN 3IN 注意 在计算短路电路阻抗时 若电路中含有变压器 则各元件阻抗都应统一换算到短路点的短路计算电压中去 阻抗换算的公式为 欧姆法短路计算步骤 1 绘出计算电路图 将短路计算中各元件的额定参数都表示出来 并将各元件依次编号 确定短路计算点 短路计算点应选择在可能产生最大短路电流的地方 一般来说 高压侧选在高压母线位置 低压侧选在低压母线位置 系统中装有限流电抗器时 应选在电抗器之后 2 按所选择的短路计算点绘出等效电路图 在图上将短路电流所流经的主要元件表示出来 并标明其序号 3 计算电路中各主要元件的阻抗 并将计算结果标于等效电路元件序号下面分母的位置 4 将等效电路化简 求系统总阻抗 对于供电系统来说 由于将电力系统当做无限大容量电源 而且短路电路也比较简单 因此一般只需采用阻抗串 并联的方法即可将电路化简 求出其等效总阻抗 5 计算短路电流I 3 k 然后分别求出其他短路电流参数 最后求出短路容量S 3 k 标幺制是一种相对单位制 标幺值是一个无单位的量 为任一参数对其基准值的比值 标幺制法就是将电路元件各参数均用标幺值表示 在短路电流计算中通常涉及四个基准量 即基准电压Ud 基准电流Id 基准视在功率Sd和基准阻抗Zd 在高压系统中 由于回路电抗一般远大于电阻 为了方便 在工程上一般可忽略电阻 直接用电抗代替各元件的阻抗 这样Zd Xd 由于电力系统有多个电压等级的网络组成 采用标幺制法可以省去不同电压等级间电气参量的折算 在高压系统中宜采用标幺制法进行短路电流计算 2 标幺制法 按标幺值法进行短路计算时 一般是先选定基准容量Sj和基准电压Uj 基准电流Ij和基准电抗Xj 采用标幺制法计算短路电流1 标幺制法概念任意一个有名值的物理量与同单位的基准值之比 称为标幺值 无单位的纯数 基准值选择以运算方便 简单为目的 通常标幺值用表示 参考值用表示 实际值用表示 因此 一般取 100MV A 基准电压取元件所在处的短路计算电压 即 二 供电系统中各元件电抗标幺值 1 输电线路 复数量的标幺值表示法可分别用其实部和虚部或模数对基准值的标幺值来表示 图3 5多级电压的供电系统示意图 结论 不论短路发生在哪一电压等级区段 只要选取短路段的平均电压为基准电压 则任一段线路电抗 欧姆值 对基准值的标幺值 等于该电抗有名值乘以基准容量后 被该线路所在区间段的平均电压的平方值去除 即选取了短路段的平均电压为基准电压后 元件电抗的标幺值就只与元件所在段的平均电压有关 而与短路点发生在哪一段无关 这也是用标幺值法进行短路计算的特点之一 图3 5多级电压的供电系统示意图 2 变压器 3 电抗器 4 电源 三 求电源至短路点的总电抗 计算出每个元件的电抗后 就可以画出由电源至短路点的等效电路图 图3 6就是图3 5的等效电路图 求总电抗时 可根据元件间的串 并联关系求出总的电抗标幺值 图3 6图3 5所示系统的等效电路图 四 短路参数的计算 供继电保护校验灵敏度用 选取 且 两端乘以 则 标幺值法计算短路电流公式简明 清晰 数字简单 特别是在大型复杂 短路计算点多的系统中 优点更为突出 所以标幺值法在电力工程计算中应用广泛 三相短路容量 用来校验所选断路器的断流能力或断开容量 或称遮断容量 是否满足可靠工作的要求 供电系统的短路电流大小与系统的运行方式有很大的关系 系统的运行方式可分为最大运行方式和最小运行方式 最大运行方式下电源系统中发电机组投运多 双回输电线路及并联变压器均全部运行 此时 整个系统的总的短路阻抗最小 短路电流最大 反之 最小运行方式下由于电源中一部分发电机 变压器及输电线路解列 一些并联变压器为保证处于最佳运行状态也采用分列运行 这样将使总的短路阻抗变大 短路电流也相应地减小 在用户供电系统中 用最小运行方式求 供继电保护校验灵敏度用 3 标幺制法计算步骤 1 画出计算电路图 并标明各元件的参数 与计算无关的原始数据一概除去 2 画出相应的等值电路图 采用电抗的形式 并注明短路计算点 对各元件进行编号 采用分数符号 标幺制法短路计算步骤 1 绘制短路电路计算电路图 确定短路计算点 2 确定标幺值基准 取Sd 100MV A和Ud Uc 有几个电压等级就取几个Ud 并求出所有短路计算点电压下的Id 3 绘出短路电路等效电路图 并计算各元件的电抗标幺值 标示在图上 4 根据不同的短路计算点分别求出各自的总电抗标幺值 再计算各短路电流和短路容量 图3 7例3 1的供电系统图a 电路图 1 选 处 取Uj1 6 3kV则 2 计算系统各元件阻抗的标幺值 绘制等效电路图 图上按顺序标出其阻抗值 解 图3 7例3 1的供电系统图b 等效电路图 3 求电源点至短路点的总阻抗 4 求短路电流的周期分量 冲击电流及短路容量 处的短路参数 最大运行方式时 最小运行方式时 习题标幺制法计算短路电流 某供电系统如图所示 已知电力系统出口断路器的断开容量为500MV A 试求变电所高压10kV母线上k 1点短路和低压0 38kV母线上k 2点短路的三相短路电流和短路容量 已知线路单位长度电抗为0 38 km 变压器短路电压百分数为4 5 解 1 画出相应的等值电路 如图3 5所示 图3 5例3 1的短路等效电路图 2 选取基准容量 一般取Sj 100MV A Uj1 10 5kV Uj2 0 4kV 得 3 计算各元件的电抗标幺值 1 电力系统的电抗标幺值 3 电力变压器的电抗标幺值 2 电力线路的电抗标幺值 4 求k 1点的总电抗标幺值和短路电流和短路容量 2 三相短路电流周期分量有效值 1 总电抗标幺值 3 各三相短路电流 4 三相短路容量 2 三相短路电流周期分量有效值 3 各三相短路电流 4 三相短路容量 5 求k 2点的总电抗标幺值和短路电流和短路容量 1 总电抗标幺值 表3 2例3 1短路计算结果 第四节低压配电网中短路电流的计算 一 低压电网短路计算的特点 图3 8 二 低压配电网中各主要元件的阻抗计算 1 高压侧系统的阻抗 2 配电变压器的阻抗 应计及的电阻 电抗 单位均为 有 归算到低压侧的高压系统阻抗可按下式计算 归算到低压侧的变压器阻抗可按下式计算 变压器的电抗 变压器电阻 变压器阻抗 母线的电阻 3 母线的阻抗 水平排列的平放矩形母线 每相母线的电抗 在工程实用计算中 母线的电抗亦可采用以下近似公式计算 母线截面积在500mm2以下时 母线截面积在500mm2以上时 4 电流互感器一次线圈的阻抗 低压断路器过流线圈的阻抗以及刀开关和低压断路器的触头接触电阻通常由制造厂家提供 计算时可参考相应的产品手册 三 低压配电网的短路计算 三相阻抗相同的低压配电系统 短路电流 图3 9三相系统中只有A C两相装设电流互感器 校验低压断路器的最大短路容量时要用没有装设电流互感器那一相 如B相 的短路电流 校验电流互感器的稳定度时 可按AB或BC相间的短路电流值算 例 某用户10 0 38kV变