供配电技术 第6章 短路计算与设备选择.ppt

1、第六章短路计算与设备选择,第一节 概述 第二节 无限大系统三相短路的暂态过程 第三节 供配电网络元件参数计算 第四节 三相短路电流计算 第五节 不对称短路电流计算 第六节 低压电网短路电流计算 第七节 短路效应和稳定度校验 第八节 电气设备的选择与校验 思考题与习题,第一节 概述,A.什么叫短路？,相与相或相与地之间的直接相连 相与相或相与地之间通过小阻抗相连称短路。,B.短路的原因:,设备元件的损坏、误操作、恶劣气候造成的倒杆断线、雷电过电压造成的绝缘破坏、鸟兽在裸露导线之间跨越或咬坏绝缘等。,C.短路的危害：,短路电流热效应 短路电流力效应 电压下降影响用户正常工作 不对称短路时的电磁效应

2、,D.短路计算的意义：,力求消除可能引起短路的一切隐患 对短路后果有一个恰当的估价,一、短路计算的意义,二、短路的类型,a).三相短路,b).两相短路,续上页,c）、d）单相短路,e）两相接地短路,f）两相短路接地,图6l短路类型,（a）三相短路（b）两相短路（e）两相接地短路（f）两相短路接地 （c）（d）单相短路,说明,三相短路属对称性短路；其它形式的短路，属非对称短路。运行经验表明，在中性点直接接地系统中，以单相短路故障最多，发生三相短路的可能性最小。但是，一般三相短路的短路电流最大，造成的危害也最严重。 为了使电力系统中的电气设备在最严重的短路状态下也能可靠地工作，因此作为选择检验电气

3、设备用的短路计算，应以三相短路为主。实际上，三相电路的分析也是分析研究其它非对称短路的基础。,第二节无限大系统三相短路的暂态过程,一、无限大系统三相短路的暂态过程分析 “无限大系统”：指电源容量相对于用户供配电系统大得多的电力系统。 理想的无限大系统是不存在的，如果电力系统的电源总阻抗不超过短路电路总阻抗的510，或电力系统容量超过用户供配电系统容量50倍时，可将电力系统视为无限大容量系统。 对一般用户供配电系统来说，由于其容量远比电力系统总容量小，而阻抗又较电力系统大得多，因此供配电系统内发生短路时，电力系统变电所母线上的电压几乎维持不变，因此，可将电力系统视为无限大容量系统。,（b）单相等

4、效电路图,（a）三相电路图,一、无限大系统三相短路的暂态过程分析图62 无限大容量系统发生三相短路,一、无限大系统三相短路的暂态过程分析,设电源相电压,正常负荷电流,如果t=0时刻突然短路，得电压方程为,解式微分方程得,一、无限大系统三相短路的暂态过程分析,解式微分方程得,一、无限大系统三相短路的暂态过程分析,当t=0时，由于短路电路存在着电感，电流不会突变，有：,即,将t=0代入即可求得积分常数：,因此，得短路全电流,-短路稳态电流，即短路电流非周期分量衰减完毕以后的短路全电流,无限大系统三相短路的暂态过程,短路电流周期分量是因短路后电路阻抗突然减小很多倍，按欧姆定律应突然增大很多倍的电流；

5、 短路电流非周期分量则是因短路电路含有感抗，电路电流不可能突变，而按楞次定律感生的用以维持短路初瞬间（t=0时）电流不能突变的一个反向衰减性电流。 此电流衰减完毕后，短路电流达到稳态值。,图63,无限大容量系统发生三相短路时的电压、电流曲线如下图：,二、有关短路的几个物理量,2、短路电流非周期分量,3、短路全电流,4、短路冲击电流,短路冲击电流,1.在高压电路中发生三相短路时，一般取,2.在低压电路中发生三相短路时，一般取,第三节 供配电网络元件参数计算,短路电流计算的步骤： 绘出计算电路图，如图64所示。 确定短路计算点。 绘出等值电路图。如图65所示。 计算各元件的参数。 计算短路电流和短

6、路容量。 短路电流计算的方法： 标么值法。用于1000V以上高压系统。 有名值法。用于1000V及以下低压系统。,标么值即相对值。任一物理量的标么值 ，为该物理量的实际有名值 ，与所选定的与实际有名值具有相同量纲的基准值 的比值，即,标么值的概念,四个基准量：基准电压Ud，基准电流Id，基准视在功率Sd，基准阻抗Zd。 在高压系统中，一般忽略电阻而直接用电抗代替各主要元件的阻抗，只有短路回路总电阻大于总电抗的三分之一时，才考虑电阻的影响。这样在标么值四个基准值中就用电抗基准值Xd取代了阻抗的基准值。,标么值的概念,表61 各电压等级电网的额定电压和平均额定电压kV,四个基准值只需定出其中两个，

7、其他两个即可据约束关系导出。一般是先选定基准容量Sd和基准电压Ud。通常取: Sd =100MVA或1000MVA；基准电压Ud取元件所处电网的短路计算电压。短路计算电压又称平均电压,我国各电压等级电网的额定电压和平均电压对照值如表61所列。,标么值的概念,在选定了基准容量Sd和基准电压Ud以后，可分别按下式计算Id和Xd。 （618） （619） 高压电网中影响短路电流的主要元件有： 变压器 电抗器 电力线路 发电机或电力系统 下面分别讲述它们的电抗标么值计算。,（一）、发电机和电力系统的电抗标么值,（二）、电力变压器的电抗标么值,(三)、电力线路的阻抗标么值,（四）、电抗器的电抗标么值,小

8、结,标么值中的四个基准值：,（一）、发电机和电力系统的电抗标么值,1、同步发电机的电抗标么值,2、电力系统的电抗标么值,（二）、电力变压器的电抗标么值,(三)、电力线路的阻抗标么值,电阻标么值,电抗标么值,（四）、电抗器的电抗标么值,例61,例61,第四节 三相短路电流计算,无限大容量系统三相短路电流周期分量有效值的标么值：,三相短路电流周期分量有效值为：,三相短路容量：,例62,例62,例62,大型交流电动机对短路电流值存在一定的影响,大型交流电动机对短路电流值存在一定的影响,第五节 不对称短路电流计算,一、两相短路电流的计算 如图所示： 忽略电阻时： 三相短路电流为： 比较得：,第五节 不

9、对称短路电流计算,二、单相短路电流的计算,小结,无限大系统中短路时，两相短路电流和单相短路电流均较三相短路电流小，因此: 用于选择校验电气设备和导体稳定度的短路电流，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的校验。,第六节 低压电网短路电流计算,低压电网短路电流计算的特点： 各元件的电阻值较大，短路计算时不能忽略； 短路电流非周期分量衰减快, 冲击系数一般在11.3范围内; 计算短路电流时采用有名值,各元件的阻抗采用m表示; 短路电流通路中的导线阻抗、各种线圈的阻抗以及开关触头的接触电阻都必须计入。,一、低压

10、电网元件阻抗计算,（一）系统电源电抗,式中，,UC为平均电压，V；,一、低压电网元件阻抗计算,（二）变压器阻抗 1、变压器的电阻 由于变压器的短路损耗为,式中,Uc为短路点的计算电压V;SN为变压器的额定容量kVA; Pk为变压器的短路损耗kW; Uk%为变压器的短路电压百分值,2、变压器的电抗,一、低压电网元件阻抗计算,（三）母线阻抗：,母线电抗：,母线电阻：,（四）线路阻抗,表64和表65列出了部分低压电缆的阻抗值。,低压电缆的阻抗值,表6-4低压三芯铝芯各种绝缘电力电缆三相短路时的阻抗(m/m),低压电缆的阻抗值,表6-5低压四芯铝芯各种绝缘电力电缆三相短路时的阻抗(m/m),（五）低压

11、电器的阻抗 表6-6表6-7表6-8分别列出了电流互感器一次线圈阻抗,低压断路器过电流线圈阻抗以及各种开关的触头接触电阻 表6-6开关触头的接触电阻(m),一、低压电网元件阻抗计算,表6-7自动空气开关过电流线圈的阻抗(m),（五）低压电器的阻抗,表6-8电流互感器一次线圈电阻和电抗(m),表6-9 低压电网“组合”电阻电抗近似值,一、低压电网元件阻抗计算小结,（四）线路阻抗,（一）系统电源电抗：,（二）变压器阻抗,变压器的电抗,变压器的电阻,（三）母线阻抗,母线电抗,母线电阻,二、低压电网短路电流计算,（二）冲击电流和短路全电流最大有效值,（一）三相短路电流周期分量,（三）两相短路电流周期分

12、量,（四）单相短路电流周期分量,表6-10屋外架空铝导线“相线中性线”回路的单位长度阻抗值,表611屋内安装在绝缘子上的架空铝芯橡皮绝缘线“相线中性线”回路的单位长度阻抗值,表612铝线穿管敷设并利用电线管作中性线时“相线中性线”回路单位长度阻抗值,表613变压器单相阻抗表,表中变压器的单相阻抗已换算至低压侧,例63,图68,求图68所示低压配电网络点短路时的三相短路电流周期分量和冲击电流值。,计算各元件阻抗,解：取,系统电抗：,变压器阻抗：,计算各元件阻抗,母线阻抗：,计算各元件阻抗,电缆阻抗：由表64查得,电流互感器阻抗：查表68得,HD2开关接触电阻：查表66得,自动空气开关过电流线圈阻

13、抗及触头电阻查表66、7得,计算各元件阻抗,短路回路总阻抗,计算K(3)点的短路电流,考虑异步电动机的冲击电流（仅计入D3电动机的影响）,查表63得,因为,所以,则总冲击电流为：,第七节 短路效应和稳定度校验,短路电流通过电器和导体时产生的效应： 电动效应：即产生很大的电动力，可能使设备损坏或产生永久性变形； 热效应：产生很高的温度，将加速绝缘老化，使绝缘强度降低，过高的温度甚至使绝缘损坏。 为了正确的选择和校验电气设备和载流导体，确保其可靠地工作，必须对它们进行短路电流的热效应及电动力效应的稳定性校验。,一、短路电流的电动力效应和动稳定度,（一）短路时的最大电动力,（二）、短路动稳定度的校验

14、条件,1、一般电器,或,对于电流互感器,式中:l-导体档距;a-导体间距,图6-9 三相母线水平排列 a)平放 b)竖放,一、短路电流的电动力效应和动稳定度,2、硬母线,硬铜母线（TMY）,硬铝母线（LMY）,母线材料的最大允许应力(Pa),母线承受的最大计算应力,母线承受的弯曲力矩,母线的截面系数,当母线的档数为12时，取8； 当母线的档数大于2时，取10,一、短路电流的电动力效应和动稳定度,3、绝缘子,绝缘子的最大允许载荷;如果手册或样本给出的是绝缘子的抗弯破坏载荷值,则应乘以0.6,短路时作用于绝缘子上的计算力,母线在绝缘子上平放(图6-9a) 时：,母线在绝缘子上竖放 (图6-9b)时

15、：,例6-4,设例6-1所示系统变电所380V侧母线上接有250kw的感应电动机一台,其cos=0.7,效率=0.75该母线采用 LMY10010的硬铝母线,水平放置,档距为900mm,档数大于2,相邻两相母线的轴线距离为160mm试求该母线三相短路时所受的最大电动力,并校验其动稳定度 解: 1.计算母线短路时所受的最大电动力 由例6-2知,380V母线的短路电流,接于380V母线的感应电动机额定电流,故需计入感应电动机反馈电流的影响该电动机的反馈电流冲击值为,因此母线在三相短路时所受的最大电动力为,例6-4,2.校验母线短路时的动稳定度 母线在F（3）作用时的弯曲力矩为,母线的截面系数为,故

16、母线在三相短路时所受到的计算应力为,所以,该母线满足短路动稳定度的要求,二、短路电流的热效应和热稳定度,(一)短路时导体的发热过程和发热计算 1短路时导体的发热过程,图610 短路时导体的温度变化短路时导体的发热过程,二、短路电流的热效应和热稳定度,(一)短路时导体的发热过程和发热计算 2短路时导体的发热计算,图611 短路发热假想时间,保护装置实际最长的动作时间,断路器的开断时间,2短路时导体的发热计算,图612 用来确定k的曲线,根据热量Qk,可计算出导体在短路后所能达到的最高温度k, 但计算非常复杂，通常用图612所示曲线来确定 。,2短路时导体的发热计算,图613 由L查k的步骤说明,

17、根据热量Qk,可计算出导体在短路后所能达到的最高温度k,二、短路电流的热效应和热稳定度,(二)短路热稳定度的校验条件,2、导体,1、一般电器：,导体的热稳定系数见附表2,表614,例6-5,试校验例6-4所述变电所380V侧LMY母线的短路热稳定度已知此母线的短路保护实际动作时间为0.6s,低压断路器的断路时间为0.1s该母线正常运行时最高温度为55 解: 用L=55查图6-12的铝导体曲线,对应的,而,由例6-2知,又由例6-4知,因此由式(6-58)得,用Kk去查图6-12中铝导体的曲线可得,满足短路热稳定度要求,例6-5,另解:利用式6-63求母线满足短路热稳定度的最小允许截面 查附录表

18、2得,由表6-14查得Kg1.0,故最小允许截面为,由于母线实际截面A=10010=1000mm2Amin=344m2 因此该母线满足短路热稳定度要求,第八节 电气设备的选择与校验,一高压电气设备选择 原则要求： 根据实际工作特点,按照有关设计规范规定,在保证供配电安全可靠的前提下,力争做到技术先进,经济合理 一般条件: (1)按正常工作条件选择,包括电压电流频率开断电流等条件; (2)按短路条件校验,包括动稳定热稳定条件; (3)按工作环境条件选择,如温度湿度海拔等条件; 选择校验项目： 由于各种高压电气设备具有不同的性能特点,选择与校验条件不尽相同,高压电气设备的一般选择与校验项目见表6-

19、15,表6-16 高压电气设备的选择与校验项,注:表中“”为选择项目,“”为校验项目,(一)额定电压和额定电流的选择,电气设备的额定电压UN1应不低于装设地点电网的额定电压UN2,即 UN1UN2 (6-62) 电气设备的额定电流IN应不小于正常工作时的最大负荷电流Ic,即 INIc (6-63) 我国目前生产的设备,设计时取周围环境温度40作为计算值,若实际使用时的环境温度(取当地最热月的平均最高温度)不是40,则电气设备的额定电流应按下式修正,温度修正系数,电气设备允许最高温度,实际使用时的环境温度,(二)按环境条件选择电气设备的型式,选择电器时,应按装设地点的环境条件选择电气设备的型式如

20、温度,风速湿度污秽海拔地震烈度等条件 由于户外条件比户内差,故在制造上把设备分成户内型与户外型两种形式 当户外装置处于特别恶劣的环境中,例如煤矿化学工厂等,就需要采用特殊绝缘构造的加强型或高一级电压的设备 为了适应各种不同的工作环境,电气设备制造成普通型防爆型湿热型高原型防污型封闭型等多种类型,(三)按短路条件校验电气设备的动稳定和热稳定,1.电气设备的动稳定性校验 (1)断路器负荷开关隔离开关等设备的动稳定性应满足,(2)电流互感器的动稳定性应满足,(3)支柱绝缘子及穿墙套管的动稳定性应满足,(4)硬母线的动稳性应满足,母线所受到的最大计算应力,当母线的档数为12时,当母线的档数大于2时,式

21、中：,2.电气设备的热稳定性校验,(1)断路器负荷开关隔离开关穿墙套管等的热稳定性应满足,(2)电流互感器的热稳定性应满足 (KhIN1)2 ( I(3)2ti Kh,IN1由生产厂给出的电流互感器的1秒钟热稳定倍数及一次侧额定电流 I(3) ,ti 短路稳态电流值及热效应计算假想时间 (3)母线及电缆的热稳定性校验应满足,(四) 开关电器的开断能力校验,高压隔离开关不允许带负荷操作,不必校验开断能力高压断路器负荷开关高压熔断器在选择时,要校验其开断能力 高压负荷开关应满足,负荷开关的最大分断电流,最大负荷电流,可取为1.5Ic3Ic,高压断路器应满足,最大开断电流,最大开断电流,安装点最大三

22、相短路电流,安装点最大三相短路容量,非限流型高压熔断器,额定开断容量,安装地点的最大三相短路冲击电流有效值,限流型高压熔断器,安装处最大次暂态三相短路电流周期分量有效值,对无穷大容量系统即三相短路电流周期分量有效值,(五)电流互感器的选择与校验,电流互感器的选择条件： 额定电压 额定电流 短路动热稳定 准确度级 二次容量 前三个条件已经述及，下面介绍后两个选择条件。,(五)电流互感器的选择与校验,(1)准确度级 所谓电流互感器的准确度级,是指电流互感器测量误差的百分数 电流互感器的准确度级一般分为0.l (0.2)0.5135以及保护用的5P10P等级 在实验室进行精确测量多选用0.1或0.2

23、级的电流互感器 在工程上用于连接瓦特表或瓦时表,并以此计量收取电费的,应选用0.5级的电流互感器 在运行中只作监视或估算电量用的,可选13级的电流互感器 供辨别被测值是否存在或大致估算的仪表所用的电流互感器及供一般保护装置用的电流互感器,可选用准确度级为5级或5P10P级的电流互感器 对差动保护用的电流互感器应选用5P级的 如果一只电流互感器既要供给仪表又要供给保护装置,可以选择具有两个铁芯,不同准确度级的电流互感器,(五)电流互感器的选择与校验,(2)二次容量或二次负载的校验 ZN2Z2Rm+Rwi+Rtou (6-70) 或 SN2S2Sm+I22Rwi+ I22Rtou (6-71) 式

24、中 Rm, Sm-电流互感器二次回路中所接仪表内阻的总和与仪表所消耗容量的总和; Rwi -电流互感器二次联接导线的电阻; Rtou -电流互感器二次连线的接触电阻,一般取为0.05 仪表消耗的容量与其内阻的关系为Sm=IN2Rm。可由产品样本或附录表21中查得 按规程要求联接导线应采用不得小于1.5 mm2的铜线,实际工作中常取2.5mm2的铜线 当截面选定之后,即可计算出联接导线的电阻Rwi 应该指出 用一只电流互感器时电阻的计算长度应取连接长度的2倍, 用三只电流互感器接成完全星形接线时,由于中线电流近于零,则只取连接长度为电阻的计算长度 用两只电流互感器接成不完全星形结线时,其二次公用

25、线中的电流为两相电流之向量和,其值与相电流相等,但相位差为60,故应取连接长度的根号三倍为电阻的计算长度,(六)电压互感器的选择与校验,(1)额定电压 电压互感器一次绕组线间额定电压不应低于网路的额定电压,电压互感器二次绕组线间额定电压通常为100V (2)装置类型型式 电压互感器应根据安装地点和使用条件选择相应的类型和型式 对6l0kV宜选择3个单相浇注式三绕组的JDZJ型电压互感器,接成两个星形和一个开口三角形接线,见图2-18(c) 对35kV以上的宜选取单相油浸式三绕组的JDX6-35型和JCC型串级式电压互感器如果只作一般测量用也可以选取两只单相的接成V-V接线 (3)准确度级电压互

26、感器的准确度级,是指电压互感器测量误差的百分数供功率测量电能测量以及功率方向保护用的电压互感器应选择0.5级或1级的,只供估计被测值的仪表和一般电压继电器的选用3级电压互感器为宜 (4)二次容量的校验为保证互感器的误差不超出准确度级所允许的误差,电压互感器二次侧所接仪表和继电器的总负荷S2,不应超过所要求准确级下的额定容量SN2,即 SN2S2 S2为各仪表和继电器所消耗容量的总和 计算电压互感器的各相负荷时,必须注意互感器与负荷的连接方式当互感器与负荷接线方式不一致时,每相负荷的计算公式可参考表6-16,表6-16 电压互感器二次绕组负荷计算公式,(七)低压电器的选择,低压电器的选择和高压电

27、器的选择一样,除应满足电气设备使用环境条件要求外,也应按正常工作条件选择,根据情况按短路故障条件进行校验 1.按使用环境条件选择 按环境特征选择相应的设备类型 比如根据干燥潮湿特别潮湿灰尘化学腐蚀高温火灾危险爆炸危险室内室外等环境条件 确定选择开启式保护式防尘式密封式防爆式隔爆式等不同结构特征的设备,(七)低压电器的选择,2.按正常工作条件选择 (1)电器设备的额定电压应不低于所在电网的额定电压 电器设备的额定频率应符合所在电网的额定频率 (2)电器设备的额定电流应不小于所在回路的计算电流 如熔断器熔体电流的选择应同时满足正常运行时线路上的计算电流和起动时产生的尖峰电流两个条件 (3)对需带负

28、荷接通或断开的电器设备,应校验其接通开断能力 如刀开关断开的负荷电流不应大于制造厂容许的开断电流 低压熔断器选择时,要求上一级熔体电流应比下一级熔体电流大24级 自动空气开关其瞬时或短延时动作过电流脱扣器的整定电流应大于线路上的尖峰电流;其长延时动作过电流脱扣器的整定电流应大于线路的计算电流,同时应校验过负荷时是否可靠动作 (4)某些电器还应按有关的专门要求选择如互感器还应符合准确度等级的要求等,(七)低压电器的选择,3.按短路工作条件校验 (1)可能通过短路电流的电器设备,应满足短路条件下的动稳定和热稳定要求 (2)需断开短路电流的电器设备,应满足短路条件下的分断能力 对于熔断器低压自动开关

29、的脱扣器尚需按短路电流校验其灵敏度 低压电器设备选择校验项目如表6-20所示 关于低压电流互感器电压互感器电容器及母线绝缘子等的选择校验项目,与相应的高压设备相同 关于低压断路器和熔断器保护性能的选择详见第七章有关章节的介绍,此处从略,表6-20 低压电器设备的选择校验项目,(八)高低压成套开关柜的选择,无论哪一种型号的高低压开关柜,均根据柜中所安装的设备构成各种类型的一次接线方案,并给予不同的编号 选择高低压开关柜时,可根据各类型开关柜的结构特点,柜内设备配置及适用情况并结合现场实际环境选择适当的型号 再结合配电装置的主电路图,由该型号高低压开关柜一次接线方案中选出相适应的编号,画出各编号的

30、布署图,并填注其中装设设备的型号数量规格以便核算投资,提出订货 必须说明,高低压成套开关柜内配置的电气设备必须满足前述各选择条件要求,例6-6,如图6-14所示为某35/10kV总降压变电所主接线简图,一台主变压器的容量为6300kVA,其短路电压百分值为Uk%=7.5,变电所由无限大容量系统供电,10kV母线上短路电流为=18.8kA作用于高压断路器的定时限保护装置的动作时限为tp=l.4s,瞬时动作的保护装置的动作时限为0.05s,拟采用高速动作的高压断路器,其固有开断时间为0.05s,灭弧时间为0.05s,断路时间则为tOFF=0.05+0.05=0.1s,试选择高压断路器QF与隔离开关

31、QS,例6-6,解:通过所选断路器的工作电流为,短路电流冲击值为 ish=2.55 I=2.5518.8=48(kA) 短路电流热效应的假想时间为 ti =tp+tOFF=1.4+0.1=1.5s 根据上述计算数据结合具体情况和选择条件,由产品样本或附录表1112选择 SN10-10I-600型的高压断路器 GN2-10T/600型的隔离开关,经短路稳定性校验,均合格 将计算数据和其额定数据列于表6-17中,并选取CD10与CS6-lT型操作机构,例6-6选择结果表选用SN10-10I-600型高压断路器和GN2-10-600型隔离开关数据表,思考题,61 什么叫短路？短路故障产生的原因有哪些？短路对电力系统有哪些危害？ 62 短路有哪几种形式？哪种短路几率最高？哪种短路危害最严重？ 63 什么叫无限大系统？无限大系统中发生短路时，短路电流将如何变化？ 64 什么叫短路冲击电流和短路冲击电流有效值？什么叫稳态电流？ 65 如何考虑大型交流电动机对短路冲击电流的影响？ 66 在无限大容量系统中，如何计算两相短路电流和单相