矿山供电技术课件(3)

1、NoImage任务二任务二 电气设备电气设备及导体的及导体的校验校验 任务一任务一 短路电流短路电流的分析与的分析与计算计算 任务分类任务分类 NoImageNoImage短路电流短路电流 的计算的计算 方法方法短路电流短路电流 计算的计算的 目的和目的和 任务任务短路类型短路类型 、原因、原因、 危害危害一、短路原因一、短路原因第一节第一节 概述概述短路的有关概念短路的有关概念 短路是指短路是指供电系统中不等电位的点没有经过用电器供电系统中不等电位的点没有经过用电器而直接相连通。而直接相连通。这是电力系统中最常见的一种故障，也是这是电力系统中最常见的一种故障，也是电力系统中最严重的一种故障。

2、电力系统中最严重的一种故障。短路的原因短路的原因主要有以下三个方面：1.电气绝缘损坏电气绝缘损坏 绝缘自然老化而损坏；设备本身质量不好，绝缘自然老化而损坏；设备本身质量不好，被正常电压击穿；设备绝缘受外力损伤。被正常电压击穿；设备绝缘受外力损伤。2.误操作误操作 误拉高压隔离开关，导致三相弧光短路；误将较误拉高压隔离开关，导致三相弧光短路；误将较低电压的设备投入较高电压的电路中而造成设备击穿短路。低电压的设备投入较高电压的电路中而造成设备击穿短路。3.鸟兽害鸟兽害 小动物跨越在裸露的不同电位的导体之间，或者小动物跨越在裸露的不同电位的导体之间，或者咬坏设备或导体的绝缘，都会引起短路故障。咬坏设

3、备或导体的绝缘，都会引起短路故障。 二、短路的种类二、短路的种类在三相系统中，短路形式在三相系统中，短路形式有下列各种：有下列各种：1.三相短路三相短路 如图如图a所示。所示。2.两相短路两相短路 如图如图b所示。所示。3.单相短路单相短路 如图如图c、d所所示。示。4.两相接地短路两相接地短路 如图如图e所所示。示。形成的两相短路，也指形成的两相短路，也指两相短路又接地的情况，两相短路又接地的情况，如图如图f所示。两相接地短所示。两相接地短路实质上与两相短路相路实质上与两相短路相同。同。* *最最关键关键的的两个两个短路短路电电流：最大短路流：最大短路电电流流-选择设备选择设备、导线导线，最

4、小短路，最小短路电电流流-继电继电保保护护装置校装置校验验。 三相短路的三相短路的电压与电电压与电流的相位差流的相位差较较正常正常时时增大，接近增大，接近于于9090度度。*单单相短路只相短路只发发生在中性点直接接地系生在中性点直接接地系统统或三相四或三相四线线制系制系统统中。中。 其他：其他：层间层间、层间层间短路。主要指短路。主要指电动电动机、机、变压变压器和器和线线圈等。圈等。1.短路的电动效应和热效应短路的电动效应和热效应 短路电流将产生很大的电动力和很高的温度，可能造成电路及其中的设短路电流将产生很大的电动力和很高的温度，可能造成电路及其中的设备损坏。备损坏。2.电压骤降电压骤降 短

5、路将造成系统电压骤降，越靠近短路点电压越低，这将严重影响电气短路将造成系统电压骤降，越靠近短路点电压越低，这将严重影响电气设备的正常运行。设备的正常运行。3.造成停电事故造成停电事故 短路时，电力系统的保护装置动作，使开关跳闸或熔断器熔断，从而造短路时，电力系统的保护装置动作，使开关跳闸或熔断器熔断，从而造成停电事故。越靠近电源短路，引起停电的范围越大，从而给国民经济造成成停电事故。越靠近电源短路，引起停电的范围越大，从而给国民经济造成的损失也越大。的损失也越大。4.影响系统稳定影响系统稳定 严重的短路可使并列运行的发电机组失去同步，造成电力系统解列，破严重的短路可使并列运行的发电机组失去同步

6、，造成电力系统解列，破坏电力系统的稳定运行。坏电力系统的稳定运行。5.产生电磁干扰产生电磁干扰 单相接地短路电流，可对附近的通信线路、信号系统及电子设备等产生单相接地短路电流，可对附近的通信线路、信号系统及电子设备等产生电磁干扰，使之无法正常运行，甚至引起误动作。电磁干扰，使之无法正常运行，甚至引起误动作。 由此可见，短路的后果是非常严重的，因此供电系统在设计、由此可见，短路的后果是非常严重的，因此供电系统在设计、安装和运行中，都应尽力设法消除可能引起短路故障的一切因素。安装和运行中，都应尽力设法消除可能引起短路故障的一切因素。三、短路的危害三、短路的危害* *保保护护措施：限制、装措施：限制

7、、装设设熔熔断断器、器、继电继电保保护护装置等。装置等。1、忽略磁路的饱和和磁滞现象、忽略磁路的饱和和磁滞现象2、忽略各元件的电阻、忽略各元件的电阻3、忽略短路点的过渡电阻、忽略短路点的过渡电阻4、整个系统是三相对称的，、整个系统是三相对称的，仅不对称故障点例外仅不对称故障点例外第二节第二节 无穷大容量电源系统发无穷大容量电源系统发 生三相短路的暂态过程和物理量生三相短路的暂态过程和物理量一、无穷大容量电源系统的概念一、无穷大容量电源系统的概念 是指其容量相对于单个用户（例如一个工厂）的用电设是指其容量相对于单个用户（例如一个工厂）的用电设备容量大得多的电源系统，以致馈电给用户的线路上无论负备

8、容量大得多的电源系统，以致馈电给用户的线路上无论负荷如何变动甚至发生短路时，系统变电站馈电母线上的电压荷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，称之为无穷大容量电源系统，能始终维持基本不变，称之为无穷大容量电源系统，S=。 实际上，电力系统的容量总是有限的，但工程上可以采实际上，电力系统的容量总是有限的，但工程上可以采取某些措施，使得短路时系统母线电压基本不变。通过计算取某些措施，使得短路时系统母线电压基本不变。通过计算发现，如果电源系统容量大于所研究的用户用电设备容量发现，如果电源系统容量大于所研究的用户用电设备容量50倍时，即可将此系统看作无限大容量电源系统。

9、倍时，即可将此系统看作无限大容量电源系统。 一般来说，中小型工厂甚至某些大型工厂的用电容量一般来说，中小型工厂甚至某些大型工厂的用电容量相对于现代大型电力系统来说是很小的，因此在计算工厂供相对于现代大型电力系统来说是很小的，因此在计算工厂供电系统的短路电流时，可以认为电力系统是无限大容量的电电系统的短路电流时，可以认为电力系统是无限大容量的电源。源。二、无穷大容量电源系统三相短路的暂态过程二、无穷大容量电源系统三相短路的暂态过程Z=R+jXL：为从电源为从电源至短路点的阻抗；至短路点的阻抗； LXjRZ 为从短路点至负荷为从短路点至负荷的阻抗的阻抗。 当系统中发生当系统中发生三相短路时，由于三

10、相短路时，由于短路点至负荷的阻短路点至负荷的阻抗抗 被短路，而被短路，而短路电路阻抗短路电路阻抗ZZZ 短路电流短路电流 ，比正常负荷电流要突然，比正常负荷电流要突然增大几十倍甚至上百倍。增大几十倍甚至上百倍。 IZUIk)3/(kTtopkpemkeitIi 0 .)sin( 短路的全电流表达式为：短路的全电流表达式为：三相短路全电流波形图三相短路全电流波形图在三相电路在三相电路中，各相的中，各相的非周期分量非周期分量电流大小并电流大小并不相等。初不相等。初始值为最大始值为最大或为零只能或为零只能在一相中出在一相中出现，其他两现，其他两相因有相因有1200的相角差，的相角差，初始值必不初始值

11、必不相同。因此相同。因此三相短路全三相短路全电流的波形电流的波形是不对称的。是不对称的。三、非无穷大容量电源系统短路的暂态过程三、非无穷大容量电源系统短路的暂态过程当电当电源容量源容量较较小小时时，或短路点距离，或短路点距离发电发电机机较较近近时时，突然，突然发发生三相生三相短路短路。短路电流将是电源电压明显下降，此时不仅短路电流非周。短路电流将是电源电压明显下降，此时不仅短路电流非周期分量按指数规律衰减，而且短路电流周期分量的幅值也将随时期分量按指数规律衰减，而且短路电流周期分量的幅值也将随时间逐渐衰减。间逐渐衰减。四、几个物理量四、几个物理量1. 1. 短路短路稳态电稳态电流流非周期分量衰

12、非周期分量衰减减到零后，到零后，电电路路进进入短路的新的入短路的新的稳稳定定状态状态，这时这时的短路的短路电电流有效流有效值称为值称为短路短路稳态电稳态电流，以流，以I表表示。对无穷大电源系统有：示。对无穷大电源系统有：2pempeIII 2. 2. 次次暂态电暂态电流流在短路在短路暂态过暂态过程中，短路程中，短路电电流周期分量第一流周期分量第一个个周周期的有效期的有效值称为值称为次次暂态电暂态电流，以流，以 表示。表示。I 2pempeIIII 对对于非无于非无穷穷大大电电源，由于周期分量源，由于周期分量Ipepe是是变变化的，因此化的，因此 IIIpe3. 3. 短路短路电电流冲流冲击值击

13、值由于短路由于短路电电流非周期分量的存在，短路后流非周期分量的存在，短路后电电流流可能出可能出现现的最大瞬的最大瞬时值时值，称为称为冲冲击电击电流，以流，以 ish 表示。表示。 通常在短路后半个周期（通常在短路后半个周期（0.01s）出现。）出现。 对于高压供电系统，短路电流冲击值为：对于高压供电系统，短路电流冲击值为： pemshshIki2 Ii 55.2sh4. 4. 冲冲击电击电流有效流有效值值如果短路是在最不利的如果短路是在最不利的条条件下件下发发生的，在第一生的，在第一个个周期短路周期短路电电流有效流有效值将值将最大，最大，称为称为冲冲击电击电流有效流有效值值，以，以 Ish 表

14、表示。对于高压电网示。对于高压电网 对于低压电网对于低压电网 II 52.1shII 09.1sh5. 5. 短路容量短路容量短路短路处处的工作的工作电压电压UN和短路和短路电电流周期分量流周期分量Ipe所所构构成成的三相的三相视视在功率，即在功率，即 选择和校验断路器时用断流容量表示选择和校验断路器时用断流容量表示peNkIUS3 brNbrIUS3 NoImage第三节第三节 无穷大电源系统短路电流的计算无穷大电源系统短路电流的计算1 1、有名、有名值值法（法（绝对值绝对值法、法、欧欧姆法）姆法） 1 1）低）低压电压电网网短路短路电电流流的的计计算：算： * * 计计算算电压电压取比取比

15、线电压线电压高高5%5%。 对对于高于高压电压电路，一般只路，一般只计电计电抗，不抗，不计电计电阻。阻。 * * 对对于低于低压压短短路路时当时当 时时才需才需计计算算电电阻。阻。3XR输电线路的阻抗：输电线路的阻抗： （*1、线路的电阻、线路的电阻Rl，可由导线电缆的单位长度电阻，可由导线电缆的单位长度电阻r0值求值求得。得。Rl=r0l。2、线路的电抗、线路的电抗Xl，可由导线电缆的单位长度电，可由导线电缆的单位长度电抗抗xl值求得。值求得。Xl=x0l。）。）限流电抗器的电抗：限流电抗器的电抗：2）短路电流计算步骤：）短路电流计算步骤： （1）求短路回路中各元件阻抗。）求短路回路中各元件

16、阻抗。 电源系统的阻抗（电源系统的阻抗（A、一般可不考虑电阻。、一般可不考虑电阻。B、可由降压变、可由降压变压器高压侧的短路容量来估算压器高压侧的短路容量来估算 C、由开断电流、由开断电流Ioc来计算其断流容量。来计算其断流容量。 变压器的阻抗：变压器的阻抗：22TTTRZXN.LN.LIUxXLL3% )3(23kavkavSIUSUX N.T2NkTSUuZ2% 2N.T2NNTSUPR2 N.TavkTSUuX2% NoImage（2 2）短路回路）短路回路总总阻抗的阻抗的计计算、折算。（注意：等效阻抗的算、折算。（注意：等效阻抗的换换算）。算）。212212avavavavUUXXUU

17、RR22XRZUav1元件所在电网的平均电压元件所在电网的平均电压Uav2短路点所在电网的平均电压短路点所在电网的平均电压（3 3）短路）短路电电流的流的计计算：算： 绘绘制短路制短路计计算算电电路路图图：标参数标参数、找短路点。、找短路点。 绘绘制等效制等效电电路路图图，标标出各元件阻抗出各元件阻抗值值。 计计算短路回路的阻抗。算短路回路的阻抗。 计计算短路算短路电电流。流。 XUI2)2(avk22)3(33 XRUXUIavavk)2()3(15. 1kII k)3()2(866. 0kII k有名值法短路计算示例有名值法短路计算示例例例1 某供电系统如图所示。无限大容量电力系统出口断路

18、器某供电系统如图所示。无限大容量电力系统出口断路器QF的断流容量为的断流容量为300MVA。工厂变电所装有两台并列运。工厂变电所装有两台并列运行的行的SL7-800/10型配电变压器。试用有名值法计算该变型配电变压器。试用有名值法计算该变电所电所10kV母线上母线上k-1点短路和点短路和380V母线上母线上k-2点短路三相点短路三相短路电流和短路容量。短路电流和短路容量。 图图1图图22231 例例1例例3-1：见：见p61NoImagedddIUX3 dddIUS3 dSSSd *dUUUd *dddSIUIIId3* 2dddddUSXUXIXXXd 3*2 2、相、相对值对值法（法（标标

19、幺幺值值法）法） 某一物理量的标么值某一物理量的标么值Ad*，是该物理量的实际值，是该物理量的实际值A与所选与所选定的基准值定的基准值Ad的比值，即的比值，即1 1）相）相对值对值（标标幺幺值值法、相法、相对单对单位制法）位制法） （* *选选基本容量，工程基本容量，工程设计设计通常取基准功率通常取基准功率Sd= =100MVA。基准。基准电压电压、电电流和流和电电抗分抗分别为别为Ud、Id、Xd。选选各元件及短路点各元件及短路点线线路路的平均的平均电压电压Uav）。）。计计算算电压为电压为各元件各元件线电压线电压。 下面为：基准值之间、以及选定基准值后各量的标幺值之间下面为：基准值之间、以及

20、选定基准值后各量的标幺值之间的关系。的关系。ddAAA *NoImage N.gd*N.g.dSSXXg N.TdN.TdN.d*T.dSSuSSXXk%* kddavkavdS*s.dSSSUSUXXX 22dNN.Ld*L.dUIUIxXk% 2avd*l.dUSlXX0 2avd*l.dUSlRR0 3）变变压压器器耦耦合合电电路路标标幺幺值值计计算算GUav1Uav2Uav3T1T2l1l2l3选线段选线段l1为基本段，并取基准功率为为基本段，并取基准功率为Sd，基准，基准电压等于该段的平均电压，电压等于该段的平均电压，Ud1=Uav1。选线段选线段l2电抗电抗X2折算为基准标幺值为折

21、算为基准标幺值为：（：（k1、k2为变压器变比）为变压器变比）2av2av1av1USXUSXkUSXXdddd2222122*2 选线段选线段l3电抗电抗X3折算为基准标要值为折算为基准标要值为：2av3av1av1USXUSXkkUSXXdddd323212223*3 NoImage * XIIIIkddk *)3(1 XIISSSdkdk(3)*k)3(*)3(3kavkIUXSSSS ddk *1 XXUI*k4）短短路路电电流流的的计计算算标么制法短路计算示例标么制法短路计算示例 例例2 试用标么制法重新计算例1所示供电系统中K-1点和K-2点的三相短路电流和短路容量。绘出短路电路的

22、等效电路如图绘出短路电路的等效电路如图3所示。所示。 311例例3-2：见：见p67NoImage一、短路电流的电动力效应一、短路电流的电动力效应（一）导体间的作用力（一）导体间的作用力 由由电工基础电工基础知，处在空气中的两平行导知，处在空气中的两平行导体分别通过电流单位为体分别通过电流单位为 、 （单位为（单位为A），而），而导体间的轴线距离为导体间的轴线距离为 ，导体的两支持点间距，导体的两支持点间距离即档距为离即档距为 ，则导体间所产生的电磁互作用力，则导体间所产生的电磁互作用力即电动力即电动力 （单位为（单位为N）为）为1i2ialF1234534NoImage（二）（二）电气设备的

23、动稳定性电气设备的动稳定性用电气设备的动稳定电流（电气设备允许通过用电气设备的动稳定电流（电气设备允许通过的最大峰值电流）来选择电气设备：的最大峰值电流）来选择电气设备： 计算公式：计算公式： shesshesIIii NoImage 截流导体在短路时的发热情况截流导体在短路时的发热情况tt1t20 0pk pkspk 二、短路电流的热效应二、短路电流的热效应（一（一）导体的长时允许温度和短时允许温度）导体的长时允许温度和短时允许温度 短路电流通过导体的时间不长，通常不会超过短路电流通过导体的时间不长，通常不会超过23秒。秒。 导体的最大短时允许温升：导体的最大短时允许温升： (pk:短时允许

24、温度短时允许温度)导体短路热稳定条件导体短路热稳定条件: ( :短时允许温升短时允许温升)kp,k pkp,kp, k (二二)短路电流的计算的假想作用时间短路电流的计算的假想作用时间短路电流的假想作用时间：为了简化计算，将短路电流的假想作用时间：为了简化计算，将短路电流短路电流ik在持续时间在持续时间tk内产生的发热量，假设内产生的发热量，假设是由短路电流稳态值是由短路电流稳态值I经某一假想时间经某一假想时间ti所产生所产生的。的。 ti就是短路电流的假想作用时间。就是短路电流的假想作用时间。 短路电流的假想作用时间：（无限大容量电源）短路电流的假想作用时间：（无限大容量电源）ti=ti.p

25、e+ti.opdtRiavtktkk 02 短路电流在导体中产生的热量：短路电流在导体中产生的热量： 即短路电流的稳态值即短路电流的稳态值I在假想作用时间在假想作用时间ti内内,在导在导体中产生的热量等于短路电流体中产生的热量等于短路电流ik在实际作用时间内产在实际作用时间内产生的热量。生的热量。 继电保护的动作时间继电保护的动作时间tr可由保护装置的整定时限确定。可由保护装置的整定时限确定。断路器的断路时间断路器的断路时间tc , 包括断路的固有分闸时间和灭弧包括断路的固有分闸时间和灭弧时间两部分。对快速动作的断路器，可取时间两部分。对快速动作的断路器，可取tr =0.1s；对低；对低速动作

26、的断路器速动作的断路器(如真空断路器如真空断路器)，可取，可取tr =0.2s。短路电流的实际作用时间：短路电流的实际作用时间： tk=tr+tc短路时间动作时间断路时间 对于无穷大电源系统对于无穷大电源系统 ，周期分量的假想作用时间就等于短周期分量的假想作用时间就等于短路电流的实际作用时间；而非周期分量的假想作用时路电流的实际作用时间；而非周期分量的假想作用时间约为间约为0.05s,所以短路电流的假想作用时间所以短路电流的假想作用时间ti 为：为： ti=tk+0.05NoImage（三）导体最小热稳定截面确定方法（三）导体最小热稳定截面确定方法 在工程计算中，常需要确定满足短路热稳定条件的最小允许导体截面积Sminmin。由于认为短路电流所产生的热量全部用于提高导体的温度，产生温升k 。导体在短路时的热平衡方程式为： 式中：式中：S导体的截面积，（导体的截面积，（mm2）；）； l 导体的长度，（导体的长度，（m） 导体的密度，导体的密度，g/cm2； Cav 导体的平均比热，导体的平均比热，g/(g.) 。 将将 代入上式得代入上式得： DSlRav 22SCDtIkavi kaviavCSltRI 2NoImage对于电力系统中某一确定点对于电力系统中某一确定点 ，是一个定值。当安装在确定，是一个定值。当安装在确定点的电气设备导体材料选定