工业企业供电：3第三章 短路

1、 主要原因电力系统中电气设备载流部分绝缘的损坏。引起绝缘损坏的原因： 雷击过电压； 绝缘材料自然老化； 设计、安装、运行维护不良，如预防性绝缘试验没有按规律进行或不够仔细； 机械力引起的损伤；其它原因操作人员的误操作（如隔离开关操作不正确，检修后未拆接地线）引起操作过电压，引起相间电弧短路），鸟兽跨接裸露的载流导线。3.1.1短路发生的原因3.1概述电力系统构成特点 （1）电力系统根据中性点接地与否分为： 中性点不接地系统 中性点接地系统。 abc中性点不接地系统abc中性点接地 系统 N220V3.1.2 短路类型3.1概述 （2）电力系统正常运行时，相与相之间和在中性点接地系统中相与地是通

2、过负荷连接的。 三相负载中性点不接地三相电源单相负载中性点接地三相电源3.1概述3.1.2 短路类型 （1）短路的概念：是指相与相之间和相与地之间不通过负荷而发生的直接连接故障。电力系统运行的破坏绝大多数是由短路故障引起的。 （2）短路类型： 3.1概述单相对地二相对地三相短路二相短路（其中单相接地发生概率最高，6070） （3）三相短路 又称对称短路，其它三种短路又称不对称短路. 在所有各种短路情况中，以三相短路的短路电流最大，故下面进行短路电流计算时，均按三相短路来进行。3.1.2 短路类型3.1概述本节结束（1）短路的后果 电力系统发生故障时，系统的总阻抗减少，短路点及其附近各支路的电流

3、较正常运行增大几十倍，系统各点的电压降低，离短路点越近电压降低越严重。这可招致下列严重危害： 元件发热：由于发热量与电流平方成正比，因此强大的短路电流即使流过的时间很短也会使电机、电器等元件引起不能允许的过热，绝缘损坏。 短路电流引起很大的机械应力（或称电动力）。机械应力与电流的平方成正比。这种机械力引起电气设备载流部件变形，甚至破坏。（如果导体和它的固定支架不够坚韧，遭破坏）3.1.3 短路的后果及计算短路电流目的3.1概述 短路时电压降低使受电设备的正常工作受到破坏。例如感应电动机，其转距与外加电压平方成正比，当电压降低很多时，转距可能不足以带动机械工作，而使电动机停转。 严重的短路必将影

4、响电力系统运行的稳定性，可使并列运行的发电机组失步，造成与系统解列。 当发生单相对地短路时，不平衡电流产生较强的不平衡磁场，对附近的通讯线路，计算机控制系统产生严重的电磁干扰。 （2）计算短路电流的目的 正确选择和校验电气设备（包括限流设备） 进行继电保护装置的整定计算。3.1概述3.1.3 短路的后果及计算短路电流目的本节结束3.2 三相短路过渡过程分析 3.2.1 无限大容量电源系统三相交流电网短路的过渡过程 为了简化分析，假设短路发生在一个无限大容量电源供电系统。 所谓无限大容量电源指它的端电压为恒定值，并且没有内部阻抗。 约定：向工业企业供电的电力系统的母线电压不随用户负荷的变化而变化

5、，即 常数。 实际上，无论电力系统的容量多大，它的电源总是有一个确定的容量，并且有一定的阻抗。但当短路点离电源的电气距离足够远时，虽然短路支路中电流很大，电压降低，而这些变化并不能显著地引起电源电压的变化（供电电网的阻抗比电力系统的阻抗一般要大得多），因而可以认为电源电压为恒定值。 第三章电网短路电流计算 3.2.1 无限大容量电源系统三相短路的过渡过程突然短路情况下电力系统的过渡过程分析下图表示简单的三相电路，假设在K点发生三相短路 此时，电路被分成两个独立的回路，其中一个回路中的电流由原来的数值不断地衰减，一直到磁场中的能量全部变为其中电阻所消耗的热能为止，这个过程很短暂。 由于三相短路电

6、流是对称短路，可取一相进行深入的研究分析，以A相为例。 3.2 三相短路过渡过程分析左边回路中，每相阻抗由原来的 (R+R)+j(L+L) 减小为R+j L ，其稳态电流必将增大。设电源电压为： 对于所研究的电路，只含电阻，电感，所以发生三相突然短路时，电流的变化应符合下列微分方程： 相电流瞬时值 R由电源到短路点的电阻 L由电源到短路点的电感 电压的初相角电压幅值瞬时值3.2.1 无限大容量电源系统三相短路的过渡过程3.2 三相短路过渡过程分析3-1方程的解为：式中 Z电源至短路点的阻抗 短路电流与电压之间的相位角 非周期分量电流衰减时间常数 短路电流周期分量的幅值 A常数，其值由初始条件决

7、定 3.2.1 无限大容量电源系统三相短路的过渡过程3.2 三相短路过渡过程分析下面确定常数A。当短路发生的瞬间 时短路前的电流： 正常运行时的电流最大值短路后的电流： 根据楞次（磁链）守恒定律，短路瞬间前、后的电流相等（是连续的），则： 于是：3.2.1 无限大容量电源系统三相短路的过渡过程3.2 三相短路过渡过程分析将A代入公式（3-2）：结论：短路电流包括两个部分： 周期性分量，由于 常数，所以幅值不变 非周期性分量，经过几个周期以后，它就衰减得很小，直至消失，此时，过渡过程结束，短路中的电流进入稳态，因此稳态电流就是短路电流的周期分量。3.2.1 无限大容量电源系统三相短路的过渡过程3

8、.2 三相短路过渡过程分析结论：短路电流包括两个部分： 周期性分量，由于 常数，所以幅值不变 非周期性分量，经过几个周期以后，它就衰减得很小，直至消失，此时，过渡过程结束，短路中的电流进入稳态，因此稳态电流就是短路电流的周期分量。3.2.1 无限大容量电源系统三相短路的过渡过程3.2 三相短路过渡过程分析波形图3.2.1 无限大容量电源系统三相短路的过渡过程3.2 三相短路过渡过程分析 电气设备所受到的最大电动力与短路电流可能出现的最大瞬时值（即冲击电流）有关。它是校验电气设备和母线动稳定必须计算的数据。 产生最大短路电流的条件为： 短路电流近似等于纯感性电路，即 短路发生前，电路为空载，即

9、在发生短路瞬间（ ），电压瞬时值恰好过零， 即该相的“合闸相角”等于零，即这时 3.2.2 产生最大短路电流的条件3.2 三相短路过渡过程分析由 t=0时，a相的交流分量的相量图a相短路电流的直流分量最大值的条件：、 =90 、Im0 =0、 =0即短路前为空载最严重的短路条件！3.2.2 产生最大短路电流的条件3.2 三相短路过渡过程分析、 =90 、Im0 =0、 =0即短路前为空载a相短路电流的直流分量最大值的条件：、 =90 、Im0 =0、 =0即短路前为空载a相短路电流的直流分量最大值的条件：、 =90 、Im0 =0、 =0即短路前为空载最严重的短路条件！a相短路电流的直流分量最

10、大值的条件：、 =90 、Im0 =0、 =0即短路前为空载几点说明：1、上面讨论的是A相的情况，由于三相系统各相电压相差120，所以当发生三相短路时，并不是所有相都会出现最严重情况，只是合闸时电压过零相才出现。2、实际供电系统出现上述情况的概率很小，但其引起的后果是最严重，所以分析此种情况是必要的。3、周期分量和非周期分量是不能分别测量的，系统只能测得短路电流（上述两者的叠加），引入此概念的目的是便于分析。3.2.2 产生最大短路电流的条件3.2 三相短路过渡过程分析本节结束在三相短路电流计算中，通常主要计算以下各量：1）次暂态短路电流 指短路瞬时，短路电流周期分量电流为最大幅值时所对应的有

11、效值。 即当 时，短路电流周期分量的有效值： 短路瞬间周期分量的幅值 3.2.4三相短路电流主要计算量3.2 三相短路过渡过程分析2）短路冲击电流 (shshock) 短路电流的最大瞬时值，在短路发生后约半个周期出现 t0.01s即 t=T/2 带入（3-4）式得： 短路电流次暂态值 短路电流冲击系数 3.2.4三相短路电流主要计算量3.2 三相短路过渡过程分析 与短路网络的R,X的大小有关，也就是说其值与短路发生在什么地点有关.假设短路点以前的网路为纯感时(即R=0)，则 2如果短路发生在纯阻网络（即X=0） 则 1在近似计算时，可用下述数据 高压电网短路时， ，1000KVA 变压器的后面

12、发生短路时， 3.2.4三相短路电流主要计算量3.2 三相短路过渡过程分析非周期分量电流衰减时间常数3)短路冲击电流有效值 指发生短路后的第一个周期，全短路电流（包括周期，非周期）的有效值。 根据有效值的定义， 应为一个周期T内，两个分量电流瞬时值的均方根值，即：3.2.4三相短路电流主要计算量3.2 三相短路过渡过程分析 是振幅不衰减的余旋函数 是一个指数函数。为计算简便起见，假设 的数值在计算所取的周期内恒定不变的，等于它的 时的瞬时值,即 将 ， 代入上式，并经代数运算及积分后，则得：在高压供电系统中， ，在低压供电系统中， ， 3.2.4三相短路电流主要计算量3.2 三相短路过渡过程分

13、析4）短路电流稳态值指短路进入稳定状态后，短路电流的稳态有效值。如前所述，无限大容量电源供电系统发生三相短路时，短路电流周期分量的幅值始终不变（ 常数）则有 短路电流周期分量在任意时刻t的有效值 3.2.4三相短路电流主要计算量3.2 三相短路过渡过程分析 5) ， ， ， 计算的目的 -用于继电保护的整定计算和校验断路器的额定断流量. -用来检验电器、母线的动稳定 -用来检验电器、母线的动稳定以及断路器额定断流量 -用来检验电器和线路中载流部件的热稳定性3.2.4三相短路电流主要计算量3.2 三相短路过渡过程分析本节结束3.3 短路电路元件参数计算 3.3.1 标么制的定义 从上面的公式推导

14、看出，在无限大容量电源系统， 恒定，因此，求出短路点以前的阻抗，就可计算出 : 故在计算短路电流时，应先计算各元件的阻抗。 第三章电网短路电流计算 3.3.1 标么制的定义 电力系统通常具有多个电压等级，用有名值计算短路电流时，必须将有关参数折合到同一电压等级才能进行计算，比较麻烦。在短路电流实用计算中采用标么值可减轻计算量并便于比较分析。GD*ACBDE*F分干线FG*NO.2NO.1企压业变总电降站车间变电站支线*干线DFDD3.3 短路电路元件参数计算（1）标么制就是相对单位值。即把取作基准的值作为1，同类值和它进行比较得出的值就是标么值。 某量的基准标么值该量的实际值/该量的基准值即：

15、 A有名值 任意选定的基准值，与A同单位（ddatum)例如：有名值为360V及400V的电压值，若选定电压基准值 时，则基准标么值 分别为0.9及1.0 如果基准值取设备的额定值，则其标么值叫做额定标么值，表示为 3.3.1 标么制的定义3.3 短路电路元件参数计算（2) 供电系统的标么值 对于三相供电系统，计算三相对称的短路电流时，可按一相进行，各部分的阻抗也按一相来确定。 根据功率方程和欧姆定律，S，I（线电流），U（线电压），X之间的关系如下： 基准值之间也必须符合上述关系。所以当任意选定两个量的基准值之后，其余的两个量也就确定了。 3.3.1 标么制的定义3.3 短路电路元件参数计算

16、 短路计算中经常遇到的四个物理量的标么值可按下列各式求出。(上述公式可用于：已知有名值如何求基准标么值或已知基准标么值如求有名值）3.3.1 标么制的定义3.3 短路电路元件参数计算（3）标么值的选择 应用标么值计算时，首先需要基准值，然后将网络中电气元件的同一类参数都换算成所选定的基准值为基准的标么值。那么，如何选择基准值呢？ 在计算短路电流中，通常选择容量 和电压 作为设定基准值。则基准电流 和基准电抗 分别为:（应用例：已知 可求 和 ）3.3.1 标么制的定义3.3 短路电路元件参数计算 基准容量 的选择： 可选择某一元件（如发电机或变压器）的额定容量。 可选择某个整数（如100MVA

17、或1000MVA10的倍数）。 3.3.1 标么制的定义3.3 短路电路元件参数计算 基准电压 的选择： 在需要计算某一电压等级电网中的短路电流时，取该级电网的额定电压作为基准电压。但由于网路中有电压降，所以同一电压等级的网络中各处的电压是不一样的。 为简化计算，在工程计算中习惯上采用平均额定电压（ ）代表该级电压，从而认为同一等级中的各元件的额定电压具有同一值。即UavU1UN用电设备U1U2U33.3.1 标么制的定义3.3 短路电路元件参数计算供电系统的各级电压的平均额定电压规定如下：（4）额定标么值与基准标么值的转换如果不加特殊说明，资料中（手册等）给定的某些电气设备的标么值均指额定标

18、么值。如果计算时，采用基准标么值，则应把额定标么值归算标么值，它们之间的换算关系如下： 额定电压（KV) 220 1103510630.22/0.38平均电压（KV) 2301153710.56.33.150.23/0.43.3.1 标么制的定义3.3 短路电路元件参数计算由于工程计算中，取 ，所以 注意，在电抗器的计算中，因为 ,所以不能用此公式计算电抗标么值，见下面的说明 。3.3.1 标么制的定义3.3 短路电路元件参数计算标么值公式小结：（1）基准值关系-第一套公式（2）基准标幺值计算-第二套公式 （3）额定标幺值计算-第三套公式3.3.1 标么制的定义3.3 短路电路元件参数计算标么值公式小结：（4）额定标幺值与基准标么值转换-第四套公式 由于工程计算中，取 ，所以注：电抗器除外3.3.1 标么制的定义3.3 短路电路元件参数计算本节结束 实际电力系统中各电气元件的短路电抗表示法并不一样，应将它们换算成统一的基准值。 （1）发电机 厂家给出的参数是额定容量 ,额定电