《供配电系统的运行与维护》-项目５

任务５.１短路故障的原因、危害及类型５.１.１短路及短路的原因短路指不同电位的导体之间的电气短接。简单地说，短路原因有以下几种：（１）绝缘损坏。（２）误操作。（３）断线和倒杆。（４）鸟兽跨线或者咬坏设备的绝缘。５.１.２短路的危害发生短路时，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，可能高达数万甚至数十万安培。下一页返回任务５.１短路故障的原因、危害及类型同时系统电压降低，离短路点越近电压降越大，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，如：（１）短路产生很大的热量，导体温度升高，将绝缘损坏。（２）短路产生巨大的电动力，使电气设备受到机械损坏。（３）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，造成电动机过热烧坏。（4）短路造成停电,给国民经济带来损失，给人民生活带来不便。（５）严重的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。上一页下一页返回任务５.１短路故障的原因、危害及类型（６）单相短路产生的不平衡磁场，对附近的通信线路设备产生严重的电磁干扰，影响其正常工作。由此可见，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。５.１.３短路的类型在电力系统中，短路故障对电力系统的危害最大，按照短路的情况不同，短路类型可分为三相短路、两相短路、两相接地短路、两相短路接地、单相接地短路、单相短路，如图５.１所示。上一页下一页返回任务５.１短路故障的原因、危害及类型单相短路是指供配电系统中任一相经大地与中性点或中性线发生的短路，用ｋ（１）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；三相短路是指供配电系统三相导体间的短路，用ｋ（３）表示。当三相短路线路设备发生三相短路时，由于短路的三相阻抗相等，因此三相电流和电压仍是对称的，所以三相短路又称为对称短路，其他类型的短路不仅相电流、相电压大小不同，而且各相之间的相位角也不相等，这些类型的短路统称为不对称短路。电力系统中，发生单相短路的可能性最大，而发生三相短路的可能性最小，但它却是危害最严重的短路形式。因此，常以三相短路时的短路电流热效应和电动力效应来检验电气设备。上一页返回任务５.２三相短路的过程分析５.２.１无限大容量供电系统的概念无限大容量电力系统，就是端电压保持稳定，没有内部阻抗和容量无限大（相对于用户内部供配电系统容量大）的电力系统，以致用户的负荷不论如何变动甚至发生短路时，电力系统变电所馈电母线的电压能基本维持不变。在实际用户供电设计中，当电力系统总阻值不超过短路电路总阻值的５％～１０％，或电力系统容量超过用户供配电系统容量的５０倍时，可将电力系统视为“无限大容量电源”。下一页返回任务５.２三相短路的过程分析对一般企业供配电系统来说，由于企业供配电系统的容量远比电力系统总容量小，而其阻抗又较电力系统大得多，因此当企业供配电系统内发生短路时，电力系统变电所馈电母线上的电压几乎维持不变，也就是说，可将电力系统看作无限大容量的电源。５.２.２三相短路的过程分析１.三相短路分析供配电系统发生三相短路示意图，如图５.２所示。供配电系统发生三相短路时，分析过程如下（见图５.３）：（１）系统正常时,电路中电流取决于电源电压和电路中的总阻抗。上一页下一页返回任务５.２三相短路的过程分析（２）三相短路时，负载被短路，电路中的电流突然增大。这是电源产生的，大小一直按正弦规律变化，称为短路周期分量ｉｐ。（３）由于电路中存在电感，根据楞茨定律，在短路瞬间，会产生一个与ｉｐ方向相反的电流，此电流随着电感中能量的减小而按指数规律逐渐减小到零，称为非周期分量ｉｎｐ。（４）任一瞬间的短路全电流ｉｋ为其周期分量ｉｐ和非周期分量ｉｎｐ之和，即ｉｋ＝ｉｐ＋ｉｎｐ。（５）由于ｉｎｐ逐渐减小到零，所以最后系统中只有ｉｐ。２.三相短路的冲击电流上一页下一页返回任务５.２三相短路的过程分析短路后经过半个周期（０.０１ｓ），短路电流瞬时值达到最大值，这一瞬时电流称为短路冲击电流ｉｓｈ。在高压电路中发生三相短路时ｉｓｈ＝２.５５Ｉｋ。在低压电路及１０００ｋＶ·Ａ及以下的电力变压器二次侧发生三相短路时ｉｓｈ＝１.８４Ｉｋ。上一页返回任务５.３计算短路电流５.３.１有关物理量单位的选取短路是电力系统中不可避免的故障。在供电系统的设计和运行中，需要进行短路电流的计算，主要原因如下：（１）选择电气设备和载流导体时，需用短路电流校验其动稳定性和热稳定性，以保证在发生可能的最大短路电流时不至于损坏。（２）选择和整定用于短路保护的继电保护装置时，需应用短路电流参数。（３）选择用于限制短路电流的设备时，也需进行短路电流计算。短路计算中有关物理量一般采用以下单位：电流为“ｋＡ”；电压为“ｋＶ”；短路容量和断流容量为“ＭＶ·Ａ”；设备容量为“ｋＷ”或“ｋＶ·Ａ”；阻抗为“Ω”等。下一页返回任务５.３计算短路电流５.３.２用标幺制法计算短路电流１.标幺制任一物理量的标幺值，是它的实际值与所选定的基准值的比值。标幺值用上标［∗］表示，基准值用下标［ｄ］表示。基准容量Ｓｄ：工程设计中通常取Ｓｄ＝１００ＭＶ·Ａ。基准电压Ｕｄ：取电气设备所在处的短路计算电压，基准电流：上一页下一页返回任务５.３计算短路电流２.电抗标幺值的计算１）电力系统电抗标幺值２）电力变压器电抗标幺值３）电力线路电抗标幺值上一页下一页返回任务５.３计算短路电流３.短路电流计算公式１）三相短路电流２）三相短路容量３）两相短路电流４）单相短路电流上一页下一页返回任务５.３计算短路电流５.３.３大容量电动机短路电流计算１.电动机反馈短路冲击电流电动机反馈短路冲击电流其计算公式为２.短路点总短路冲击电流上一页返回任务５.４短路电流的效应５.４.１短路电流的热效应１.短路时导体的发热过程电力系统正常运行时，额定电流在导体中发热产生的热量一方面被导体吸收，并使导体温度升高；另一方面通过各种方式传入周围介质。当电力线路发生短路时，短路电流通过导体。由于短路后线路的保护装置很快动作，将故障点切除，所以短路电流通过导体的时间很短（一般不会超过２～３ｓ），其热量来不及向周围介质中散发，因此，可以认为全部热量都用来升高导体的温度了。２.短路发热假想时间ｔｉｍａ下一页返回任务５.４短路电流的效应一般采用短路稳态电流来等效计算实际短路电流所产生的热量。由于通过导体的实际短路电流并不是短路稳态电流，因此需要假定一个时间。在此时间内，假定导体通过短路稳态电流时所产生的热量，恰好与实际短路电流在实际短路时间内所产生的热量相等。这一假想时间称为短路发热的假想时间，用ｔｉｍａ表示。３.短路时导体的发热计算上一页下一页返回任务５.４短路电流的效应４.短路热稳定度的校验１）一般电气设备热稳定度的校验条件２）检验母线、电缆和绝缘导线的热稳定度的校验条件５.４.２短路电流的电动效应１.短路电流的电动效应上一页下一页返回任务５.４短路电流的效应供电系统短路时，短路电流特别是短路冲击电流将使相邻导体之间产生很大的电动力，有可能使电器和载流部分遭受严重破坏。为此，要使电路元件能承受短路时最大电动力的作用，电路元件必须具有足够的电动稳定度。三相短路冲击电流在中间相产生的电动力最大，２.短路动稳定度的校验电器和导体的动稳定度校验，