第三章 短路电流及其计算.ppt

1、第三章 短路电流及其计算,教学内容： 短路的原因、后果及其形式； 无限大容量电力系统发生三相短路时的物理过程和物理量； 三相短路电流的计算； 两相和单相短路电流的计算； 短路电流的效应和稳定度校验。,教学重点： 短路的原因、后果及其形式； 三相短路电流的计算；两相和单相短路电流的计算； 短路电流的效应和稳定度校验。,教学难点： 三相短路电流和短路容量的计算； 短路电流的电动效应和热效应,电力系统运行有三种状态：正常运行状态、非正常运行状态和短路故障。 短路就是相与相或者相与地之间不通过负载而发生的直接连接的故障。,第一节 短路与短路电流有关概念,电力系统发生短路时，系统的总阻抗显著减少，短路所

2、产生的电流随之剧烈增加。,一、短路的原因,二. 短路的后果 短路后，短路电流比正常电流大得多。在大电力系统中，短路电流可达几万安甚至几十万安。如此大的短路电流可对供电系统产生极大的危害：,电气设备载流导体的绝缘破坏：绝缘自然老化、操作过电压、雷电过电压、绝缘受到机械损伤等。 运行人员违规操作：带电拉、合开关，检修之后忘记拆除地线合闸等。 鸟兽跨越不同相的裸露导体。,(1). 短路时要产生很大的电动力和很高的温度，而使故障元件和短路电路中的其他元件损坏。 (2). 短路时短路电路中的电压要骤然降低，严重影响其中电气设备的正常运行。 (3). 短路时保护装置动作，要造成停电，而且越靠近电源，停电的

3、范围越大，造成的损失也越大。 (4). 严重的短路要影响电力系统运行的稳定性，可使并列运行的发电机组失去同步，造成系统解列。 (5). 不对称短路包括单相短路和两相短路，其短路电流将产生较强的不平衡交变磁场，对附近的通信线路、电子设备等产生干扰，影响其正常运行，甚至使之发生误动作。,由此可见，短路的后果是十分严重的，因此必须尽力设法消除可能引起短路的一切因素；同时需要进行短路电流的计算，以便正确地选择电气设备，使设备有足够的动稳定性和热稳定性，以保证在发生可能有的最大短路电流时不致损坏。为了选择切除短路故障的开关电器、整定短路保护的继电保护装置和选择限制短路电流的元件如电抗器等，也必须计算短路

4、电流。,三、短路形式,三相短路用 表示，二相短路 表示，单相短路用 表示， 两相接地短路用 表示。 只有三相短路，属对称短路。,三相短路,两相短路,单相短路,三相短路为对称性短路,其他形式短路为不对称性短路 电力系统中发生单相短路的可能性最大 发生三相短路的可能性最小，但造成的危害最严重。 因此作为选择和校验电气设备用的短路计算中，以 三相短路短路计算为主。,计算短路电流目的： 1.选择和校验电气设备。 2.整定继电保护装置的动作电流,四： 无限大容量电力系统发生三相短路时的物理过程和物理量,（一）、 无限大容量电力系统及其三相短路的物理过程 无限大容量电力系统： 指供电容量相对于用户供电系统

5、的用电容量大的多 的电力系统，当用户供电系统的负荷变动甚至发生 短路时，电力系统变电所馈电母线上的电压能基本 维持不变。或者电力系统容量大于用户供电系统容 量50倍时，可将电力系统视为无限大容量系统。,对于一般供电系统来说，可将电力系统看作无限大容量 电源。,(二）无限大容量系统三相短路的物理过程,无限大容量电源供电 的三相电路上发生 三相短路的电路图。,从电源至短路点的阻抗：,从短路点至负荷阻抗,(3-1),2) 整理成 +P(x)y=Q(x)形式,(3-2),短路瞬间回路电压方程,3) 解,方程由特解和通解二部分组成；或者说，周期分量就是特解,非周期分量就是通解。,2发生三相短路前后电流、

6、电压的变动曲线 （1） 正常运行状态：因电路一般是电感性负载，电流在相位上滞后电压一定角度。 （2） 短路暂态过程：短路电流在到达稳定值之前，要经过一个暂态过程。 （3）短路稳态过程：一般经过一个周期约0.2s后非周期分量消亡。短路进入稳态过程。,当t 时， 0，这时 = =,短路全电流,周期分量强制分量：由无穷大系统的电源 电压和回路阻抗决定，周期分量电流幅值不变；其中周期分量与电源具有相同的变化规律，依然按照正弦信号，且频率与电源相同。,非周期分量自由分量：按指数衰减；与 指数无关,1.短路电流周期分量： 2.短路电流非周期分量： 3.短路全电流： 4.短路冲击电流： 5.短路稳态电流,五

7、、短路有关的电流量,第二节： 无限大容量电力系统中三相短路电流的计算,一概述 首先要绘出计算电路图。 并计算短路电路中各元件的阻抗。 在等效电路图上，只需将被计算的短路电流所流经的 一些主要元件表示出来， 并标明其序号和阻抗值一般是分子标序号，分母标阻抗值.,短路电流计算过程： 绘出计算电路图、元件编号、绘等效电路、 计算阻抗和总阻抗、计算短路电流和短路容量。,短路计算的方法,欧姆法,标幺制法,工程设计中采用 的单位,电流单位: 电压单位: 短路容量、断流容量: 设备容量单位为： 阻抗单位为：,短路电流,二、采用欧姆法进行三相短路计算,短路计算,短路容量,短路计算中三大主要元件：,（一）电力系

8、统的阻抗： （二）电力变压器的阻抗 1.变压器的电阻: 2.变压器的电抗:,(三) 电力线路的阻抗,1.线路的电阻 2.线路的电抗： 注意：在计算短路电路的阻抗时，假如电路内含有电力变压器，则电路各元件的阻抗都应统一换算到短路点的短路计算电压去。,电力线路每相的单位长度电抗平均值,例3-1 某供配电系统如图所示。已知电力系统出口断路器为SN10-10型。试求企业变电所高压10KV母线上k-1点短路和低压380V母线上k-2点短路的三相短路电流和短路容量。,图3-4 例3-1的短路计算电路图,解 1、求k-1点的三相短路电流和短路容量 （UC1=10.5KV) (1)计算短路电路中各元件的电抗及

9、总电抗 电力系统的电抗；由附录表12可查得SN10-10型断路器的断流容量SOC=500MVA，因此,(2)计算三相短路电流和短路容量 三相短路电流周期分量有效值：,架空线路的电抗： 由表3-1查得，因此 绘k-1点短路的等效电路如图3-5a所示，并计算总电抗如下：,图3-5 例3-1的短路等效电路图（欧姆法）,三相短路冲击电流,三相短路容量：,求k-2点的三相短路电流和短路容量,架空线路的电抗：,电力系统的电抗：,（1）计算短路电路中各元件的电抗及总电抗:,绘k-2点短路的等效电路如图所示，并计算其总电抗如下：,电力变压器的电抗： 有附录表8得Uk%=4.5,因此,（2）计算三相短路电流和短

10、路容量 三相短路电流周期分量有效值：,三相短路次暂态电流和稳态电流有效值：,三相短路容量：,三相短路冲击电流及第一周期短路全电流有效值:,三.采用标幺制法进行三相短路计算,1、标幺值概念 某一物理的标幺值,为该物理量的实际值A与所选定的基准值比值，即 按标幺制法进行短路计算时，一般先选定基准容量和基准电压 基准容量，工程设计中通常取 基准电压，通常取元件所在的短路计算电压，取 选定了基准容量和基准电压以后， 可按下式计算基准电流： 按下式计算基准电抗：,2、元件标幺值：,电力系统电抗标幺值： 电力变压器电抗标幺值： 电力线路电抗标幺值： 3、短路电流标幺值及短路电流计算,4、三相短路容量,例3

11、-2 试用标幺制法计算例 3-1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。,解： (1). 确定基准值 取,(2). 计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值 1). 电力系统的电抗标幺值: 由附录表12查得SN10-10型断路器的 ，因此,2). 架空线路的电抗标幺值: 由表3-1查得 , 因此 3). 电力变压器的电抗标幺值: 由附录表8查得 , 因此,绘短路等效电路图如图3-6所示,并标出短路 计算点 k -1和 k -2。,(3). 计算 k -1点的短路电路总电抗标幺值及 三相短路电流和短路容量 1). 总电抗标幺值 2). 三相短路电流周期分量有效值 3). 其

12、他三相短路电流,4). 三相短路容量,(4). 计算k -2点的短路电路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量 1). 总电抗标幺值 2). 三相短路电流周期分量有效值 3). 其他三相短路电流 4). 三相短路容量,四. 低压电网的短路计算,1KV以下,1、供电电源可当作无穷大容量系统处理 2、电阻值较大，感抗值较小 3、电阻值多用有名值（单位毫欧）给出，且在一个电压等级内，所以用欧姆法直接计算比较简单,4、由于电阻值较大，非周期分量电流衰减快，所以冲击系数不大（一般1-1.3）,5、需要计及一些设备的电阻,（1）刀闸开关及自动开关触头的接触电阻,（2）自动空气开关中过电流线圈的电阻及电抗,（

13、3）电流互感器一次线圈的电阻及电抗,（5）母线及电缆,6、三相短路电流公式,三相短路冲击电流及有效值,例3-3 某车间变电所接线如图3-7所示。已知电力变压器高压侧的高压断路器断流容量Soc=300MVA；电力变压器为S9-800/10型；低压母线均为铝母线（LMY），平放，WB1为808mm2，l=6m，= 250mm， WB2为505mm2；l=1m,a=250mm； WB3为404mm2 ，l=2m,a=120mm; 其余标注如图。试求k 点三相短路电流和短路容量。,解： (1). 计算短路电路中各元件的电阻和电抗（取Uc =400V） 1).电力系统S的电抗为,2). 电力变压器T的电

14、阻和电抗 查附录表8得Pk =7500W，Uk %=4.5，故,3). 母线WB1的电阻和电抗 查附录表4得 ，故,4). 母线WB2的电阻和电抗 查附录表4得 故,5). 母线WB3的电阻和电抗 查附录表4 得, 故,6). 电流互感器TA一次线圈的电阻和电抗 查附录表5得,7). 低压断路器QF过电流线圈的电阻和电抗 查附录表6得,8). 电路中各开关触头的接触电阻 查附录表7得 隔离开关QS的接触电阻为0.03m，刀开关QK的接触电阻为0.4m，低压断路器QF的接触电阻为0.6m，因此总的接触电阻为,9). 低压电缆VLV-1000-350mm2的电阻和电抗 查附录表3得 电缆长度l=3

15、5m，因此,(2). 计算短路电路总的电阻、电抗和阻抗,(3). 计算三相短路电流和短路容量,第三节 两相和单相短路电流计算,目的：用于继电保护灵敏度的校验。,一、两相短路电流的计算,无限大容量系统两相短路,1.无限大容量系统两相短路电流 无限大容量系统两相短路电流时，其短路电流为,式中，Uc为短路计算电压， 为短路回路一相总阻抗。,2. 两相短路电流与三相短路电流的关系,因此：无限大容量系统短路时，两相短路电流较三相短路电流小。,回顾短路种类,结论： 1.单相短路电流主要用于：单相短路保护的整定及单相短路稳定度的校验。 2.两相短路电流主要用于：相间短路保护灵敏度的校验。 3.三相短路电流主

16、要用于：选择电气设备和导体的短路稳定度校验。,第四节： 短路电流的效应和稳定度校验,一、概述 发生短路后产生危害效应：电动效应 热效应 二、短路电流的电动效应和动稳定度 短路电流的电动效应与动稳定度效验 （一）短路时最大电动力 由电工基础知，处于空气中的两平行直导体分别通过电流i1、i2（A），而导体间轴线距离为a，导体的两支持点距离（档距）为l,则导体间所产生的电磁互作用力即电动力为：,1.如果三相线路中发生两相短路，则两相短路冲击电流 通过两相导体时产生的电动力最大，其值为： 2.如果三相线路中发生三相短路则三相短路冲击电流在中间相产生的电动力最大：,3.三相短路时的电动力与两相短路时电动

17、力的关系,由此可见：三相线路发生三相短路时，中间相导体所受的电动力比两相短路时导体所受的电动力大。因此，校验电器和载流部分的动稳定度，一般应采用三相短路冲击电流,（二）短路动稳定度校验的条件,1.一般电器的动稳定度校验（包括开关电器和电流互感器等） 2.绝缘子的动稳定度校验条件 满足动稳定度校验条件是 母线在绝缘子上平放： 竖放,3.硬母线的动稳定度校验条件,满足动稳定度的校验条件: 硬铜（TMY）最大允许应力： 硬铝（LMY）最大允许应力： 上述最大计算应力按右式计算： 式中：M为母线通过三相短路冲击电流时所受到的弯曲力矩。 当母线挡数为12时， 当母线档数大于2时 W为母线的截面系数。,（

18、三）电动机对三相短路电流的影响,供配电系统发生三相短路时，从电源到短路点的系统电压 下降，严重时短路点的电压可降为零。接在短路点附近运行的电动机的反电势可能大于电动机所在处系统的残压，此时电动机将和发电机一样，向短路点馈送短路电流。同时电动机迅速受到制动，它所提供的短路电流很快衰减，一般只考虑电动机对冲击短路电流的影响，如下图所示。,当短路点附近所接交流电动机的容量超过100kW，或者额定电流之和超过系统短路电流的1%时，应计入电动机反馈电流的影响。,三、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 导体通过正常负荷电流时，由于导体具有电阻，因此要产生电能损耗。这种电能损耗转换为热能，一方面使导体温度升高，另一方面向周围介质散热，当导体内产生的热量与导体向周围介