工厂供电第6版第三章.ppt

第三章短路电流及其计算,工厂供电,内容提要短路概述无限大容量供电系统三相短路分析无限大容量供电系统三相短路计算两相和单相短路电流计算短路电流效应,本章概述:电力系统的状态有：正常运行状态，不正常运行状态，短路状态。在供配电系统的设计和运行中，不仅要考虑系统的正常运行状态，还要考虑系统的不正常运行状态和故障情况，最严重的故障是短路故障。短路是指不同相之间，相对中线或地线之间的直接金属性连接或经小阻抗连接。本章讨论和计算供配电系统在短路故障情况下的电流（简称短路电流），短路电流计算的目的主要是供母线、电缆、设备的选择和继电保护整定计算之用。,一、短路的原因,短路发生的主要原因是电力系统中电气设备载流导体的绝缘损坏。造成绝缘损坏的原因主要有设备长期运行，绝缘自然老化，操作过电压，雷电过电压，绝缘受到机械损伤等。运行人员不遵守操作规程发生的误操作，如带负荷拉、合隔离开关，检修后忘拆除地线合闸等。鸟兽跨越在裸露导体上也是引起短路的原因。,第一节：短路的原因、后果及其形式,发生短路时，由于短路回路的阻抗很小，产生的短路电流较正常电流大数十倍，有时可能高达数万甚至数十万安培。同时，系统电压降低，离短路点越近，电压降低越大；三相短路时，短路点的电压可能降到零。因此，短路将造成严重危害。短路产生很大的热量，导体温度升高，将绝缘损坏。短路产生巨大的电动力，使电气设备受到机械损坏。短路使系统电压严重降低，电气设备正常工作受到破坏。例如，异步电动机的转矩与外施电压的平方成正比，当电压降低时，其转矩降低使转速减慢，造成电动机过热而烧坏。短路造成停电，给国民经济带来损失，给人民生活带来不便。严重短路将影响电力系统运行的稳定性，使并联运行的同步发电机失去同步，严重的可能造成系统解列，甚至崩溃。单相短路产生的不平衡磁场，对附近的通信线路和弱电设备产生严重的电磁干扰，影响其正常工作。由上可见，短路产生的后果极为严重，在供配电系统的设计和运行中应采取有效措施，设法消除可能引起短路的一切因素，使系统安全可靠地运行。,二、短路的危害,三、短路的种类短路，是指不同电位导体部分之间的不正常短接。三相交流系统的短路种类主要有三相短路、两相短路、单相短路和两相接地短路。三相短路是指供配电系统三相导体间的短路，用K（3）表示。两相短路是指三相供配电系统中任意两相导体间的短路，用K（2）表示。单相短路是指供配电系统中任一相经大地与中性点或中线发生的短路，用K（1）表示。两相接地短路是指中性点不接地系统中，任意两相发生单相接地而产生的短路，用K（1，1）表示。,在上面的各种短路中，三相短路属于对称短路，其他短路属不对称短路。因此，三相短路可用对称三相电路分析，不对称短路采用对称分量法分析（把一组不对称的三相量分解成三组对称的正序、负序、和零序分量来分析研究）。在电力系统中，发生单相短路的可能性最大，发生三相短路的可能性最小，但通常三相短路的短路电流最大，危害也最严重，所以，短路电流计算的重点是三相短路电流计算。,第二节、无限大容量供电系统三相短路时的物理过程和物理量,一、无限大容量电力系统及其三相短路的物理过程无线大容量电力系统即容量无限大、内阻抗为零、当电路中的电流发生任何变动时其母线电压基本维护不变的电力系统。实际电力系统的容量都是有限的，但是，由于工厂和高层建筑等的负荷容量相对于电力系统容量来说要小得多，而其阻却比系统大得多，所以可认为电力系统为无限大容量系统。,上图是一个电源为无限大容量的供电系统发生三相短路的电路图由于三相短路对称，因此这一三相短路电路可用图b等效单相电路来分析。,图3-2无限大容量电力系统中发生三相短路,表示了无限大容量电力系统在发生三相短路前后电压、电流的变动情况。正常运行态系统在正常运行时，电压u和电流i按正弦规律变化。由于一般电路都是电感性电路，因此电流i在相位上比电压u滞后角。短路暂态过程当t=0、u=0时发生三相短路，回路总阻抗大大减小，而无限大容量电力系统的母线电压u是维护不变的，因此短路回路的电流将增大很多倍。但由于短路回路有电感，根据楞次定律，回路电流在t=0的瞬间,不可能突变，即i0(+)=i0(-)。因此，在t=0产生短路电流周期性分量ip(0)的同时，将产生按指数规律衰减的非周期分量inp(0)，以保持t=0时的电流i0不变，直到inp衰减完毕，这时仅有周期性分量ip存在。这一过程即为短路暂态过程。在暂态过程中，短路电流ik=ip+inp。短路稳定状态短路电流非周期分量inp衰减完毕后，短路即进入稳定状态。二、有关短路的物理量(一)短路电流的周期分量ip假设u=0时发生三相短路，短路电流周期分量为式中。所以短路初瞬（t=0）的短路电流周期分量为,I为短路次暂态电流有效值（短路后第一个周期的短路电流周期分量ip的有效值）。,(二)短路电流的非周期分量inp由于短路回路存在电感，为保持发生短路瞬间（t=0）的电流不产生突变，而由电感电动势产生的反向电流。它按指数规律衰减。短路电流非周期分量的初始绝对值为短路电流非周期分量是按照指数函数衰减的，表达式为（三）短路全电流ik在短路过程中，短路周期分量和短路非周期分量之和,（四）短路冲击电流ish短路冲击电流为短路全电流中最大的瞬时值。从图中可以看出，短路后经过半个周期，全电流达到最大值，此时的短路全电流为短路冲击电流。短路冲击电流,冲击系数：,短路冲击电流有效值,高压电路发生三相短路时取Ksh=1.8，因此,在1000VA及以下的电力变压器二次侧及低压电路中发生三相短路时，一般取Ksh=1.3，因此,高压系统：,低压系统：,ish,Ish是校验电器设备动稳定度的重要物理量。,（五）短路稳态电流I在短路非周期分量衰减到零后，短路的暂态过程结束而进入稳定状态，这时的短路电流就为稳态电流，其有效值用I表示。,第三节、无限大容量供电系统中短路电流的计算,1.短路计算的步骤及常用单位短路计算的方法通常有两种：一是欧姆法，即有名单位法；另一种是标幺制法，即相对单位制法。此外，还有短路容量法、曲线法等。短路计算的步骤作出计算电路图-又短路计算点作出等效电路图-网络简化-计算短路回路总阻抗-计算各短路值。需要计算的三相短路值有I,(无限大容量电力系统中)、ish、Ish和Sk。当需要校验继电保护装置的灵敏度时，还要计算两相短路电流。计算电路图计算电路图是用于短路计算的一种简化了的单线图。计算电路图有四个内容。（1）根据电气装置的运行方式和短路计算的目的，画出各元件的连接方式，即接线图；（2）依次标出各元件的编号；（3）标出各元件与短路计算有关的参数；（4）按计算目的而定短路计算点K-1、K-2。等效电路图是根据计算电路图中选定的短路点所作出的相应电路图。标出各元件编号和阻抗。分子为元件编号，分母为阻抗。网络简化按等效电路图，一般用简单的串、并联计算即求出短路总阻抗。短路计算常用单位（书上54页）,2.采用欧姆法进行短路计算,称为有名单位制计算，短路计算中阻抗都采用有名单位“欧姆”而得名。在无限大容量系统中发生三相短路时，其三相短路电流周期分量有效值为在高压电路的计算中，通常总电抗远大于总阻抗，一般只计电抗。如果不计电阻，三相短路电流周期分量有效值为,三相短路容量为：,（1）电力系统阻抗计算（2）电力变压器的阻抗计算变压器的电阻RT变压器的电抗XT,（3）电力线路的阻抗计算线路的电阻线路的电抗注意：在计算短路电路的阻抗时，假如电路内含有电力变压器时，电路中各元件的阻抗都应统一换算到短路点的短路计算电压去，阻抗等效换算的条件是元件的功率损耗不变。等效换算公式为,例题举例3-1,3.采用标幺制进行短路计算,称相对单位制法，因其短路计算中有关物理量采用标幺值即相对单位而得名。任一物理量的标幺值，为该物理量的实际值A与所选定的基准的比值。基准容量Sd=100MVA。基准电压Ud=Uc。基准电流：基准电抗：,（1）电力系统的电抗标幺值（2）电力变压器的电抗标幺值（3）电力线路的电抗标幺值无限大容量系统三相短路电流周期分量有效值的标幺值计算三相短路电流周期分量有效值三相短路容量的计算公式为,例题举例3-2,3.4：两相和单相短路电流计算,（1）两相短路电流的计算无限大容量系统中发生两相短路时，短路电流计算为如果只计电抗，两相短路电流为两相短路电流与三相短路电流的关系为,（2）单相短路电流的计算,单相短路电流为工程设计中，常利用的单相短路电流单相短路电流与三相短路电流的关系如下：在远离发电机的用户低压侧单相短路时，单相短路电流为三相短路时，三相短路电流为所以有远离发电机发生短路时,3.5：短路电流效应,（1）概述供电系统中发生短路时，短路电流是非常大。它一方面要产生很大的电动力（电动效应）；另一方面要产生很高的温度（热效应）。（2）短路电流的电动力效应和动稳定校验短路时最大电动力计算相邻载流导体通过电流时，相互间有电动力作用。两导体的电动力为三相线路中发生两相短路，电动力为,三相线路三相短路时，电动力最大，值为由于三相短路冲击电流和两相短路冲击电流有以下关系因此三相短路与两相短路产生的最大电动力之比为短路动稳定度校验条件一般电器的动稳定度校验条件绝缘子的动稳定度校验条件硬母线的动稳定度校验条件下列公式校验最大计算应力按公式计算,详细见P65,例题举例3-3,（3）短路电流的热效应和热稳定度校验,短路时导体的发热过程图表示了导体在通过负荷电流IL、通过短路电流及短路电流被切除后导体无电流通过的各个阶段的发热情况。从t0=t1时，电路带负荷，导体通过负荷电流时，其温度由周围环境温度逐渐上升到，当导体内产生热量的温度升高与周围介质散热相等而达到热平衡状态时，导体就保持在一定的温度值。称正常负荷电流引起的发热为额定负荷发热或长期发热。当t=t1时，发生短路，由于短路电流大、时间短，短路电流在导体中所发热量来不及向周围散发，认为短路电流产生的全部热量都导致导体温度升高。在t=t2时，导体达到最高温度。短路被切除后，导体不再产生热量，就按指数规律向周围介质散热，直到导体温度等于周围介质温度。,短路的发热计算及校验等效发热计算要确定导体短路后实际达到的最高温度是十分困难的，工程设计中采用与短路稳态电流I的等效发热来进行计算。由于短路时实际通过导体的电流并不是I，因此要假定一个时间tima，在此时间内，假定导体通过I所产生的热量，正好与实际短路电流在实际短路时间内产生的热量等效。这一假定时间称为短路发热假定时间。在无限大容量系统中发生短路时，由于I,=I,短路发热假想时间近似计算：,当tk1s时，tmia=tk。短路持续时间tk，是短路保护装置实际最长的动作时间与断路器的断路时间之和。实际短路电流通过导体在短路时间内产生的热量为：,曲线法实际上，由热量再计算短路后的导体温度是很烦杂而且很不准确的，因此，在工程设计中常用曲线法来确定QK值。,步骤如下：（1）从纵坐标上找出导体正常负荷时温度。（2）由正常负荷时温度值查得相应曲线上的a点。（3）由a点向下查得横坐标上的KL。（4）用下式计算KK：A为导体的截面积；I为三相短路稳态电流；KL和KK分别为负荷和短路时导体加热系数。（5）从横坐标上找出KK值