项目五 短路计算及一次设备的选择.ppt

项目五短路计算及一次设备的选择,供配电系统中的电气设备，均需依据正常工作条件、环境条件及安装条件进行选择，部分设备还需依据故障情况下的短路电流进行动、热稳定度校验，同时要求工作安全可靠，运行维护方便，投资经济合理。本章的要求是：,单台和多台用电设备尖峰电流的计算,短路的后果及短路的形式,供配电系统短路的原因,工厂年电能消耗量的计算方法,用欧姆法进行短路计算和采用标幺法进行短路计算的方法,各类电气设备的选择和校验方法,一、尖峰电流的计算,尖峰电流Ipk是指单台或多台用电设备持续12秒的短时最大负荷电流。尖峰电流是由于电动机起动、电压波动等原因引起的，比计算电流大的多。计算尖峰电流的目的是选择熔断器、整定低压断路器和继电保护装置、计算电压波动及检验电动机自起动条件等。,1.1单台用电设备尖峰电流的计算,尖峰电流就是用电设备的起动电流，即Ipk=Ist=KstIN式中，Ist为用电设备的起动电流；IN为用电设备的额定电流；Kst为用电设备的起动电流倍数。,1.2多台用电设备尖峰电流的计算,多台用电设备的线路上，其尖峰电流应按正下式计算,或者,式中，Istmax为用电设备组中起动电流与额定电流之差为最大的那台设备的起动电流；（IstIN）max为用电设备组中起动电流与额定电流之差为最大的那台设备的起动电流与额定电流电流之和；K为上述n1台设备的同时系数，其值按台数多少选取，一般为0.71；Ic为全部设备投入运行时线路的计算电流。,有380V配电干线，给三台电动机供电，已知IN1=5A，IN2=4A，IN3=10A，Ist1=35A，Ist2=16A，Kst3=3，求该配电线路的尖峰电流。,解,例,Ist1IN1=355=30AIst2IN2=164=12AIst3IN3=Kst3IN3IN3=31010=20A可见，（IstIN）max=30A，则Istmax=35A，取K=0.9，因此该线路的尖峰电流为Ipk=K（IN2+IN3）+Istmax=0.9（4+10）+35=47.6A,问题与思考,什么叫尖峰电流？尖峰电流的计算有什么用处？,有一条380V的三相输电线路，供电给表6-5所示4台电动机，试计算这条输电线路的尖峰电流。,二、短路故障和短路电流计算,2.1短路故障的原因和种类,1.短路故障的原因,设备或装置存在隐患。如绝缘材料陈旧老化、绝缘机械损伤、设备缺陷未发现和消除、设计安装有误等。,运行、维护不当。如不遵守操作规程，技术水平低，管理不善等。,雷击，特大洪水、大风、冰雪、塌方等引起的线路倒杆、断线，鸟，鼠、蛇等小动物跨接裸导体等自然灾害。,2.短路故障的种类,单相短路短路电流仅在故障相中流过，故障相电压下降，非故障相电压会升高。,二相短路短路回路中流过很大的短路电流，电压和电流的对称性被破坏。,二相短路接地短路回路中流过很大的短路电流，故障相电压为零。,三相短路三相电路中都流过很大的短路电流，短路时电压和电流保持对称，短路点电压为零。,3.短路的危害,大电流产生巨大电动力，造成机械损坏（动稳定）；烧毁设备（热稳定）；电网大面积电压下降；破坏电力系统的稳定；影响电力系统通讯。,为确保设备在短路情况下不致破坏，减轻短路危害和防止故障扩大，必须事先对短路电流进行计算。计算短路电流的具体目的是：选择和校验电气设备；进行继电保护装置的选型与整定计算；分析电力系统的故障及稳定性能，选择限制短路电流的措施；确定电力线路对通信线路的影响等。,4.短路计算方法简介,如果各种电气设备的电阻和电抗及其他电气参数用有名值表示，称为欧姆法。低压系统的短路电流计算通常采用这种方法，简单明了。,如果各种电气设备的电阻和电抗及其他电气参数用相对值表示，称为标幺值法。这种计算方法通常用于高压系统。,如果各种电气设备的电阻和电抗及其他电气参数用短路容量表示，称为短路容量法。这种方法比较适用于高压系统。,绘制短路回路等效电路；计算短路回路中各元件的阻抗值；求等效阻抗，化简电路；计算三相短路电流周期分量有效值及其他短路参数；列短路计算表。,略讲,选择基准容量、基准电压、计算短路点的基准电流；绘制短路回路的等效电路；计算短路回路中各元件的电抗标幺值；求总电抗标幺值，化简电路；计算三相短路电流周期分量有效值及其他短路参数；列短路计算表。,2.2短路电流的计算概述,在计算电路图上将短路计算所需考虑的各元件额定参数都表示出来，并将各元件依次编号，然后确定短路计算点，短路计算点要选择得使需要进行短路校验的电气元件有最大可能的短路电流通过。接下来要按所选择的短路计算点绘出等效电路图，如上图所示。,工厂供电系统通常把电力系统当作无限大容量电源，短路电路一般只采用阻抗串、并联的方法进行化简。对简化电路求出其等效总阻抗，最后计算短路电流和短路容量。短路计算中有关物理量的单位：电流为kA；电压为kV；短路容量和断流容量单位为MVA；设备容量单位为kW或kVA；阻抗单位为等。如果采用工程上常用的单位来计算，则应注意所用公式中各物理量单位的换算系数。,2.3采用欧姆法进行短路计算,欧姆法即有名单位制法。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可按下式计算：,式中UC是短路点的短路计算电压，也称为平均额定电压。由于线路首端短路时其短路最为严重，因此按线路首端电压考虑，即短路计算电压取为比线路额定电压UN高5%。在高电压的短路计算中，通常总电抗远比总电阻大，所以一般可只计电抗，不计电阻。,1.电力系统的阻抗,电力系统的电阻相对于电抗来说很小，一般不予考虑。电力系统的电抗由电力系统变电所高压馈电线出口断路器的断流容量SOC来估算，SOC可看作是电力系统的极限短路容量Sk，因此电力系统的电抗：XSUC2/SOC式中，UC是高压馈电线的短路计算电压，SOC是系统出口断路器的断流容量，如只有开断电流IOC的数据，则断流容量：,不计电阻时，三相短路电流的周期分量有效值为：,三相短路容量为：,查附表8,2.电力变压器的阻抗,式中UC、SN、短路损耗Pk、阻抗电压Uk%均可从相关手册或产品样本查阅。附表5（Pk-负载损耗）,变压器的短路损耗(负载损耗）,由短路损耗可近似地求出变压器的电阻：,变压器的短路电压,由短路电压可近似地求出变压器的电抗：,3.电力线路的阻抗,线路的电阻RWL可由导线、电缆的单位长度电阻R0值求得,线路的电抗XWL可由导线、电缆的单位长度电抗X0值求得,式中R0、X0是分别为导线、电缆单位长度的电阻和电抗，l是线路长度。均可从相关手册或产品样本查阅。,每相单位长度电抗平均值（欧姆/km）,三相短路电流的周期分量有效值为：,三相短路容量为：,发生三相短路前后电流、电压的变动曲线,i,u,短路冲击电流,次暂态短路电流,短路稳态电流,其他短路电流：,在高压电路发生短路时：,电力变压器二次侧及低压电路时,2.4采用标幺制法进行短路计算,电压kV，电流kA，容量MVA，电阻和电抗等物理量均可用标幺值表示。标幺值无量纲。标幺制法进行短路计算步骤：1.先选定基准容量Sd和基准电压Ud。工程设计中通常取基准容量Sd=100MVA；取元件所在处的短路计算电压为基准电压，即取Ud=Uc则基准电流Id和基准电抗Xd可按下述公式计算：,线路的额定电压和基准电压（kV）,2.电力系统的电抗标幺值计算公式,3.电力变压器的电抗标幺值计算公式,4.电力线路的电抗标幺值计算公式,无限大容量电源系统的概念,无限大容量电源系统是指其容量相对于一个工厂（或任意一个电力用户）的用电设备容量大得多的电力系统，以致馈电用户的线路上无论如何变动甚至发生短路时，系统变电站馈电母线上的电压能始终维持基本不变。在实际应用中，为了简化短路计算，通常把内阻抗小于短路回路总阻抗10%的电源或系统均作为无穷大容量电源进行分析。5.画出等效电路,8.无限大容量系统三相短路电流周期分量有效值,6.无限大容量系统三相短路电流周期分量有效值的标幺值,7.三相短路容量的标幺值：,9.三相短路容量,发生三相短路前后电流、电压的变动曲线,i,u,短路冲击电流,次暂态短路电流,短路稳态电流,10.其他短路电流：,在高压电路发生短路时：,电力变压器二次侧及低压电路时,1.电力系统,2.电力变压器,3.电力线路,试用标幺制法计算下图所示三相架空供电系统中k-1点和k-2点的三相短路电流和短路容量。,解,例,取基准值,Sd=100MVA，k1点：Uc1=10.5kV；k2点：Uc2=0.4kV,解,计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值查附表8SN10-10II的断流容量：Soc=500MVA，所以,架空线路的Xo=0.35/km，所以,查附表5电力变压器的Uk%=4.5，所以,绘出短路等效电路如下图所示,解,求k-1点的短路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量总电抗标幺值,三相短路电流周期分量有效值,其它三相短路电流,三相短路容量,三相短路次暂态电流和稳态电流,三相短路次冲击电流,解,求k-2点的短路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量总电抗标幺值,三相短路电流周期分量有效值,其它三相短路电流,三相短路容量,2.5两相短路电流的计算,图示电路发生两相短路时，短路电流为,Uc为短路点的平均额定电压X为短路回路一相总阻抗,其他两相短路电流、等，都可以按前,面的三相短路对应短路电流的公式进行计算。,关于两相短路电流与三相短路电流的关系，可由,2.6单相短路电流的计算,在中性点接地电流系统中或三相四线制系统中发生单相短路时，根据对称分量法可求得其单相短路电流为,通常可按下式求得,式中是电源的相电压；是单相短路回路的阻抗，,式中RT和XT分别为变压器单相的等效电阻和电抗，R-0和X-0分别为相与零线或与PE线或PEN线的回路电阻和电抗，包括回路中低压断路器过流线圈的阻抗、开关触头的接触电阻及电流互感器一次绕组的阻抗等，可查有关手册或产品样本获得。,在远离发电机的用户变电所低压侧发生单相短路时，正序阻抗Z1约等于负序阻抗Z2，单相短路电流为,三相短路电流为,比较上述两式可得出结论：在无限大容量系统中或远离发电机处短路时，两相短路电流和单相短路电流均较三相短路电流小。因此：用于选择电气设备和导体的短路稳定度校验的短路电流，应采用三相短路电流；两相短路电流主要用于相间短路保护的灵敏度检验；单相短路电流主要用于单相短路保护的整定及单相短路热稳定度校验。,电力系统故障后的一般计算方法示意图,等值,对称分量法,叠加原理,问题与思考,某供电系统如下图所示。试求工厂配电所10kV母线上k-1点短路和车间变电所低压380V母线上k-2点短路的三相短路电流和短路容量。,三、供配电系统电气设备的选择和校验,电气设备的额定电压不得低于所接电网的最高运行电压。,电气设备的额定电流不小于该回路的最大持续工作电流或计算电流。,应考虑设备的安装地点、环境及工作条件，合理地选择设备的类型，如户内户外、海拔高度、环境温度及防尘、防爆等。,短路热稳定校验：系统中有短路电流通过电气设备时，导体和电器各部件温度(或热量)不应超过允许值，应满足热稳定的条件tima=tk=toptoc,短路动稳定校验：当短路电流通过电气设备时，短路电流产生的电动力应不超过设备的允许应力，即满足动稳定的条件,开关设备断流能力校验对断路器、熔断器等能开断短路电流的开关设备，其断流容量不小于安装处的最大三相短路容量，即,试选择下图所示电路中高压断路器的型号和规格。已知10kV侧母线短路电流为5.3kA，控制QF的线路继电保护装置实际最长的动作时间为1.0s。,解,例,变压器高压侧最大工作电流按变压器的额定电流计算得,线路首端短路时流过断路器的电流最大，而线路首端k1点短路与母线k2点短路，其短路电流相等，即短路电流冲击值：,解,短路容量,拟选用高压真空断路器，断路时间toc=0.1s。故短路假想时间,高压断路器选择和校验结果,根据选择条件和相关数据，可选用ZN210/630型高压真空断路器，其技术数据可由相关手册查出。,校验结果表明所选高压真空断路器满足要求。,低压断路器过电流脱扣器的选择过流脱扣器的额定电流应大于或等于线路的计算电流，即：IN.ORI30低压断路器过流脱扣器的整定a.瞬时过流脱扣器动作电流应躲过和大于线路的尖峰电流，即IOp(o)KrelIpk式中：Krel可靠系数。对动作时间在0.02s以上的DW系列断路器可取1.35；对动作时间在0.02s及以下的DZ系列断路器宜取22.5。可见，断路器动作时间越短，越不易防止尖峰电流使其动作，所以可靠系数越要取大。b.短延时过流脱扣器动作电流和时间的整定应使过流脱扣器的动作电流IOp(s)躲过线路短时间出现的负荷尖峰电流Ipk，即IOp(s)KrelIpk式中：Krel可靠系数。取1.2。,长延时过流脱扣器动作电流和时间的整定其动作电流只需躲过线路的计算电流I30，即IOp(1)KrelI30式中：Kel可靠系数。取1.1。长延时过流脱扣器的动作电流应躲过线路过负荷的持续时间，其动作特性通常为反时限，即过负荷电流越大，动作时间越短，一般动作时间为12h。过流脱扣器与被保护线路的配合允许绝缘导线或电缆短时过负荷，过负荷越严重允许运行的时间越短。反之，过电流保护的动作时间越短，过电流保护的动作电流允许整定的越大；动作时间越长，动作电流整定的越小。只有这样，当线路过负荷或短路时，才能避免绝缘导线或电缆因过热烧毁而低压断路器不会跳闸的事故发生，因此要求:IOpKOLIal式中：Ial绝缘导线或电缆的允许载流量；KOL绝缘导线或电缆的允许短时过负荷系数。对瞬时和短延时过流脱扣器取4.5；对长延时过流脱扣器取1；对保护有爆炸性气体区域内的线路，应取0.8。,为了保证低压断路器的瞬时或短延时过流脱扣器在系统最小运行方式下在其保护区内发生最轻微的短路故障时就能可靠地动作，过流脱扣器动作电流的整定值必须满足过电流保护灵敏度的要求。保护灵敏度可按下式进行校验：Ksen=Ik.min/Iop1.3式中：Iop低压断路器瞬时或短延时过流脱扣器的动作电流。Ik.min被保护线路末端在系统最小运行方式下的最小短路电流。对TT、TN系统取单相接地短路电流；对IT系统取两相短路电流。,最大运行方式，发电机发出容量最大。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，发电机发出容量相对较小。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。,选择低压断路器应满足如下条件：低压断路器的额定电压应不低于安装处的额定电压。低压断路器的额定电流应不低于它所安装的脱扣器额定电流。低压断路器的类型应符合安装条件、保护性能的要求，并应确定操作方式，即选择断路器的同时应选择其操作机构。低压断路器还应满足安装处对断流能力的要求。低压断路器必须进行断流能力的校验：对动作时间在0.02s以上的断路器，其极限分断电流Ioc应不小于通过它的最大三相短路电流周期分量有效值，即对动作时间在0.02s及以下的断路器，其极限分断电流Ioc或ioc应不小于通过它的最大三相短路冲击电流或，即,表6-11K系数的取值范围,低压线路中，熔断器较多，前后级间的熔断器在选择性上必须配合，以使靠近故障点的熔断器最先熔断。,前后级熔断器选择性的配合,为保证选择性配合，要求：1）时间配合(3倍）；2）电流配合。(一般前级熔断器的熔体电流应比后级大23级。),电流互感器型号的选择根据安装地点和工作要求选择电流互感器的型号。电流互感器额定电压的选择电流互感器额定电压应不低于装设点线路额定电压。电流互感器变比选择电流互感器一次侧额定电流有20、30、40、50、75、100、150、200、300、400、600、800、1000、1200、1500、2000（A）等多种规格，二次侧额定电流均为5A。一般情况下，计量用的电流互感器变比的选择应使其一次额定电流I1N不小于线路中的计算电流I30。保护用的电流互感器为保证其准确度要求，可以将变比选得大一些。电流互感器准确度选择及校验准确度选择的原则：计量用的电流互感器的准确度选0.20.5级，测量用的电流互感