第三章短路电流的计算.pptx
第三章 短路电流的计算第一节第一节 概述概述第二节第二节 无限大容量电源系统供电时短路过程的分析无限大容量电源系统供电时短路过程的分析第三节第三节 无限大容量电源无限大容量电源条件下短路电流的计算方法条件下短路电流的计算方法第四节第四节 低压配电网中短路电流的计算低压配电网中短路电流的计算 第五节第五节 不对称短路电流的计算方法不对称短路电流的计算方法 第六节第六节 感应电动机对短路电流的影响感应电动机对短路电流的影响第七节第七节 供电系统中电气设备的选择与校验供电系统中电气设备的选择与校验自动化系自动化系自动化系第1页/共70页第一节第一节 概述概述 自动化系自动化系自动化系第2页/共70页一、短路及其原因、后果一、短路及其原因、后果 短路：指供电系统中不同电位的导电部分（各相导体、地线等）之间发生的低阻性短接。主要原因：电气设备载流部分的绝缘损坏，其次是人员误操作、鸟兽危害等。短路后果：短路电流产生的热量，使导体温度急剧上升，会使绝缘损坏；短路电流产生的电动力，会使设备载流部分变形或损坏；短路会使系统电压骤降，影响系统其他设备的正常运行；严重的短路会影响系统的稳定性；短路还会造成停电；不对称短路的短路电流会对通信和电子设备等产生电磁干扰等。自动化系自动化系自动化系第3页/共70页二、短路的类型二、短路的类型三相短路自动化系自动化系自动化系第4页/共70页两相短路自动化系自动化系自动化系第5页/共70页单相(接地)短路单相短路两相接地短路两相接地短路自动化系自动化系自动化系第6页/共70页为了选择和校验电气设备、载流导体和整定供电系统的继电保护装置，需要计算三相短路电流；在校验继电保护装置的灵敏度时还需计算不对称短路的短路电流值；校验电气设备及载流导体的力稳定和热稳定，就要用到短路冲击电流、稳态短路电流及短路容量；但对瞬时动作的低压断路器，则需用冲击电流有效值来进行其动稳定校验。三、计算短路电流的目的自动化系自动化系自动化系第7页/共70页第二节第二节 无限大容量电源系统供电无限大容量电源系统供电时短路过程的分析时短路过程的分析自动化系自动化系自动化系第8页/共70页一、无限大容量电源供电系统的概念一、无限大容量电源供电系统的概念 无限大容量电源内阻抗为零的电源。当电源内阻抗为零时，不管输出的电流如何变动，电源内部均不产生压降，电源母线上的输出电压维持不变。二、短路过程的简单分析二、短路过程的简单分析图3-2 分析三相短路时的三相等效电路图和单相等效电路图a）三相等效电路图自动化系自动化系自动化系第9页/共70页图3-2 分析三相短路时的三相等效电路图和单相等效电路图b)单相等效电路图 自动化系自动化系自动化系第10页/共70页等效电路的电压方程为 解之得,短路电流为则得短路电流 当t0时刻，发生三相短路，由于短路电路存在着电感，因此电流不会突变式中，右端第一部分为短路电流周期分量;第二项为短路电流非周期分量。短路前负载电流为解得自动化系自动化系自动化系第11页/共70页 无限大容量系统发生三相短路时的电流曲线如下图：图33 短路时电流波形图 自动化系自动化系自动化系第12页/共70页 在电源电压及短路地点不变的情况下，要使短路全电流达到最大值，必须具备以下的条件：1)短路前为空载，即Im=0，这时2)设电路的感抗X比电阻R大得多，即短路阻抗角kl90。3)短路发生于某相电压瞬时值过零值时，即当t=0时，初相角=0。自动化系自动化系自动化系第13页/共70页三、有关短路的物理三、有关短路的物理量量 短路电流周期分量：短路电流非周期分量：短路全电流：短路冲击电流：短路稳态电流：短路冲击电流有效值：自动化系自动化系自动化系第14页/共70页第三节 无限大电源条件下短路电流的计算方法自动化系自动化系自动化系第15页/共70页一、一、标幺值法标幺值法 在无限大容量电源供电系统中发生三相短路时，短路电流的周期分量的幅值和有效值是不变的。在高压电路的短路计算中，通常只计电抗，不计电阻。故 按标幺值法进行短路计算时，一般是先选定基准容量Sj和基准电压UjUj，基准电流IjIj和基准电抗XjXj 自动化系自动化系自动化系第16页/共70页二、供电系统中各元件电抗标幺值二、供电系统中各元件电抗标幺值 1 1）输电线路复数量的标幺值表示法可分别用其实部和虚部或模数对基准值的标幺值来表示 图35 多级电压的供电系统示意图 自动化系自动化系自动化系第17页/共70页 结论：不论短路发生在哪一电压等级区段，只要选取短路段的平均电压为基准电压，则任一段线路电抗(欧姆值)对基准值的标幺值，等于该电抗有名值乘以基准容量后，被该线路所在区间段的平均电压的平方值去除。即选取了短路段的平均电压为基准电压后，元件电抗的标幺值就只与元件所在段的平均电压有关，而与短路点发生在哪一段无关。这也是用标幺值法进行短路计算的特点之一。自动化系自动化系自动化系第18页/共70页 2 2）变压器 3 3）电抗器 4 4）电源自动化系自动化系自动化系第19页/共70页三、求电源至短路点的总电抗三、求电源至短路点的总电抗 计算出每个元件的电抗后，就可以画出由电源至短路点的等效电路图。图3-6就是图3-5的等效电路图。求总电抗时，可根据元件间的串、并联关系求出总的电抗标幺值。图36 图35所示系统的等效电路图 自动化系自动化系自动化系第20页/共70页四、短路参数的计算四、短路参数的计算 三相短路容量，用来校验所选断路器的断流能力或断开容量(或称遮断容量)是否满足可靠工作的要求。供电系统的短路电流大小与系统的运行方式有很大的关系。系统的运行方式可分为最大运行方式和最小运行方式。最大运行方式下电源系统中发电机组投运多，双回输电线路及并联变压器均全部运行。此时，整个系统的总的短路阻抗最小，短路电流最大；反之，最小运行方式下由于电源中一部分发电机、变压器及输电线路解列，一些并联变压器为保证处于最佳运行状态也采用分列运行，这样将使总的短路阻抗变大，短路电流也相应地减小。在用户供电系统中，用最小运行方式求，供继电保护校验灵敏度用。自动化系自动化系自动化系第21页/共70页 标幺值法计算短路电流公式简明、清晰、数字简单，特别是在大型复杂、短路计算点多的系统中，优点更为突出。所以标幺值法在电力工程计算中应用广泛。自动化系自动化系自动化系第22页/共70页例：设供电系统图如图3-7a所示，数据均标在图上，试求处的三相短路电流。图37 例31的供电系统图a)电路图自动化系自动化系自动化系第23页/共70页1)选处，取Uj1=6.3kV 则对于处，取Uj2=0.4kV 则2)计算系统各元件阻抗的标幺值，绘制等效电路图，图上按顺序标出其阻抗值。解：自动化系自动化系自动化系第24页/共70页图37 例31的供电系统图b）等效电路图 3)求电源点至短路点的总阻抗。自动化系自动化系自动化系第25页/共70页4)求短路电流的周期分量，冲击电流及短路容量。处的短路参数：最大运行方式时：最小运行方式时:自动化系自动化系自动化系第26页/共70页同理点的短路参数为：自动化系自动化系自动化系第27页/共70页第四节 低压配电网中短路电流的计算自动化系自动化系自动化系第28页/共70页一、低压电网短路计算的特点 l kV以下的低压配电网中短路电流计算具有以下的特点：1)配电变压器一次侧可以作为无穷大功率电源供电来考虑。2)低压配电网中电气元件的电阻值较大，电抗值较小，当XR3时才计算X的影响。因X=R3时，用R代替Z，误差5.4%，在工程允许范围内。3)低压配电网电气元件的电阻多以m计，因而用有名值比较方便。4)因低压配电网的非周期分量衰减快，值在11.3范围。可通过求出XR比值后在图3-8中的曲线查出，也可按下式直接计算图3-8 自动化系自动化系自动化系第29页/共70页二、低压配电网中各主要元件的阻抗计算二、低压配电网中各主要元件的阻抗计算 1 1高压侧系统的阻抗2 2配电变压器的阻抗应计及的电阻、电抗（单位均为 ）有 归算到低压侧的高压系统阻抗可按下式计算：归算到低压侧的变压器阻抗可按下式计算：变压器的电抗 变压器电阻 变压器阻抗 自动化系自动化系自动化系第30页/共70页母线的电阻 3 3母线的阻抗 水平排列的平放矩形母线，每相母线的电抗在工程实用计算中，母线的电抗亦可采用以下近似公式计算：母线截面积在500 mm2以下时 母线截面积在500 mm2以上时 4.电流互感器一次线圈的阻抗、低压断路器过流线圈的阻抗以及刀开关和低压断路器的触头接触电阻通常由制造厂家提供，计算时可参考相应的产品手册。自动化系自动化系自动化系第31页/共70页三、低压配电网的短路计算三、低压配电网的短路计算 三相阻抗相同的低压配电系统、短路电流 图3-9 三相系统中只有A、C两相装设电流互感器 校验低压断路器的最大短路容量时要用没有装设电流互感器那一相（如B相）的短路电流 校验电流互感器的稳定度时，可按AB或BC相间的短路电流值算 自动化系自动化系自动化系第32页/共70页 例：某用户10/0.38kV变电所的变压器为SCB10-1000/10型，Dyn11联结，已知变压器高压侧短路容量为150MVA，其低压配电网络短路计算电路如图所示。求短路点k-1处的三相和单相短路电流。解：1、计算有关电路元件的阻抗 1)高压系统阻抗（归算到400V侧）自动化系自动化系自动化系第33页/共70页相零阻抗(Dyn11联接)2 2）变压器的阻抗（归算到低压侧）因零序电流不能在高压侧流通，故高压侧系统的相零阻抗按每相阻抗值的2/3计算，即 自动化系自动化系自动化系第34页/共70页2 2.三相短路回路总阻抗及三相短路电流 相零阻抗为 3)3)母线的阻抗 自动化系自动化系自动化系第35页/共70页 3.3.单相短路回路总相零阻抗及单相短路电流 单相短路电流为 单相短路回路总相零电抗为单相短路回路总相零电阻为自动化系自动化系自动化系第36页/共70页第五节 不对称短路电流的计算方法自动化系自动化系自动化系第37页/共70页 对称分量法指出，如果某组三相不对称的相量对称分量法指出，如果某组三相不对称的相量 ,可将每相的量分解为正序、负序和零序三个分量之和：即可将每相的量分解为正序、负序和零序三个分量之和：即 式中，式中，一、对称分量法自动化系自动化系自动化系第38页/共70页自动化系自动化系自动化系第39页/共70页二、利用对称分量法分析供电系统中不对称短路图310 用对称分量法分析供电系统的不对称短路a）供电系统不对称短路的计算图 b)正序网络 c)负序网络 d)零序网络 自动化系自动化系自动化系第40页/共70页三序网络的方程为 自动化系自动化系自动化系第41页/共70页三、供电系统元件的各序阻抗 (1)正序阻抗 正序阻抗即各个元件在三相对称工作时的基波阻抗值，也就是在计算三相对称短路时所采用的阻抗值。(2)(2)负序阻抗 因交流电路中同一静止元件相与相之间的互感抗与相序无关，故各元件的负序阻抗与正序阻抗相等，即X2=X1，如架空线、电缆、变压器和电抗器等。至于作为负荷的主要成分的感应电动机，其负序电抗可近似地认为等于它的短路电抗对其额定容量的标幺值，此值在0.20.5之间。因此，实际上综合电力负荷在额定情况下负序电抗的标幺值取为0.35。（3）零序阻抗 供电系统各类元件各序电抗值如表3-1所示。表3-1各类元件的平均电抗值（见教材74页）自动化系自动化系自动化系第42页/共70页图311 双绕组变压器计算零序电抗时不同接法示意图 从结构来看，如果变压器的零序磁通可以在铁心中形成回路，即磁阻很小，因而励磁电流很小，在此条件下可以认为，对于YN d联结法的双绕组变压器，显然也可以认为变压器的零序电抗决定于其绕组接法和结构 自动化系自动化系自动化系第43页/共70页图312 不同接线方式情况下变压器的零序等效电路 自动化系自动化系自动化系第44页/共70页四、不对称短路的计算方法 由以上公式加上供电系统发生不对称短路时的初始条件，即可求出在供电系统中发生不对称短路时的短路参数。自动化系自动化系自动化系第45页/共70页五、正序等效定则正序等效定则就是不对称短路下最大一相短路电流用正序短路电流分量来表示的方法。计算供电系统不对称短路电流可按下列步骤进行：1)求出短路点至供电电源的序阻抗，作出各序等效网络图，忽略电阻，可得X1、X2、X0。2)根据短路类型从表查出Xa和m(n)的算式，进行计算。3)求出短路参数 等。自动化系自动化系自动化系第46页/共70页第六节 感应电动机对短路电流的影响自动化系自动化系自动化系第47页/共70页图313 计算感应电动机端点上短路时的短路电流 自动化系自动化系自动化系第48页/共70页电动机向短路点反馈的冲击电流为 因为感应电动机供给的反馈短路电流衰减很快，所以只考虑对短路冲击电流的影响。当计及感应电动机的反馈冲击电流，系统短路电流冲击值为在实际的工程计算中，如果在短路点附近所接的容量在100 kW以上的感应电动机或总容量在100 kW以上的电动机群，当 值为短路冲击电流的 5以上时需考虑其影响。自动化系自动化系自动化系第49页/共70页第七节 供电系统中电气设备的选择与校验自动化系自动化系自动化系第50页/共70页一、短路电流的力效应和热效应一、短路电流的力效应和热效应 强大的短路电流通过电气设备和导体，将产生:电动力效应，可能使电气设备和导体受到破坏或产生永久性变形;热效应，可能使其绝缘强度降低，加速绝缘老化甚至损坏。为了正确选择电气设备和导体，保证在短路情况下也不损坏，必须校验其动稳定和热稳定。对于两根平行导体，通过电流分别为i1和i2，其相互间的作用力F(单位 N）可用下面公式来计算：1 1、短路电流的力效应 k与载流体的形状和相对位置有关的形状系数。自动化系自动化系自动化系第51页/共70页图3-14 矩形母线的形状系数曲线 自动化系自动化系自动化系第52页/共70页 当发生三相短路故障时，短路电流冲击值通过中间相导体所产生的最大电动力为：图3-15 平行敷设的三相载流导体的短路受力分析 自动化系自动化系自动化系第53页/共70页 2 2、短路电流的热效应 在线路发生短路时，强大的短路电流将产生很大的热量。工程上，可近似地认为导体在短路时间内是与周围介质绝热的。规范要求，导体在正常和短路情况下的温度都必须小于所允许的最高温度（见下表）自动化系自动化系自动化系第54页/共70页导体种类和材料短路时导体允许最 高 温 度 Nmax/0 0c导体长期允许工 作 温 度N/0 0c热稳定系数 C 值铝母线及导线、硬铝及铝锰合金硬铜母线及导线200300707087171钢母线（不与电器直接连接）钢母线（与电器直接连接）4103107070706310kV铝心油浸纸绝缘电缆10kV铜心油浸纸绝缘电缆2002206060951656kV铝心油浸纸绝缘电缆及10kV铝心不滴流电缆20065906kV铜心油浸纸绝缘电缆及10kV铜心不滴流电缆220651503kV以下铝心绝缘电缆3kV以下铜心绝缘电缆2002508080铝心交联聚乙烯绝缘电缆铜心交联聚乙烯绝缘电缆200230909080135铝心聚氯乙烯绝缘电缆铜心聚氯乙烯绝缘电缆130130656565100表3-3 导体或电缆的长期允许工作温度和短路时允许的最高温度自动化系自动化系自动化系第55页/共70页图3-16 短路后导体温度对时间的变化曲线 自动化系自动化系自动化系第56页/共70页t0.1s,且Tfi=0.05s时 tjfi=0.05s 自动化系自动化系自动化系第57页/共70页图3-17 M=f()关系曲线 自动化系自动化系自动化系第58页/共70页图3-18 由N查k的步骤说明 利用图3-17曲线求的步骤 1)从纵坐标上找出导体在正常负荷电流时的温度N值。2)由向右查得对应于该导体材料曲线上的a点，进而求出横坐标上的MN值。3)根据式 可求出4)由计算出的值查出对应曲线上的b点，进而求出纵坐标上的k值。自动化系自动化系自动化系第59页/共70页二、供电系统中电气设备的选择和校验二、供电系统中电气设备的选择和校验 供电系统中各种电气设备的选择是根据系统运行的要求和设备的安装环境条件，保证在正常工作时，安全可靠、运行维护方便，投资经济合理。在短路情况下，能满足动稳定和热稳定的要求而不致损坏，并在技术合理的情况下力求经济。(一)按正常工作条件选择时要根据以下几个方面(1)环境 供电系统的电气设备在制造上分户内型及户外型(2)电压(3)电流 自动化系自动化系自动化系第60页/共70页(二)按短路情况进行动稳定和热稳定校验(1)动稳定校验 即以设备出厂时的最大动稳定试验电流与短路电流的冲击电流相比，且某些电气设备(例如电流互感器)由制造厂家提供动稳定倍数kd，选择设备时要求：(2)短路情况下的热稳定 热稳定应满足式 的要求。对电流互感器则要满足下面的热稳定关系自动化系自动化系自动化系第61页/共70页(三)电气设备的选择与校验1.断路器 在选择高压断路器时，除了考虑其额定电压、额定电流及动稳定和热稳定等因素外，还应校验其断流容量。（1）按工作环境选型（2）按正常工作条件选择断路器的额定电压及额定电流 （3）按短路电流校验动、热稳定性动稳定性校验 若要断路器在通过最大短路电流时，不致损坏，就必须要求断路器的最大动稳定试验电流峰值不小于断路器安装处的短路电流冲击值 自动化系自动化系自动化系第62页/共70页 热稳定性校验 当断路器在通过最大短路电流时，为使断路器的最高温升不超过最高允许温度，应满足：（4）断流容量的校验 断路器能可靠切除短路故障的关键参数是它的额定断流容量。因此，断路器的额定断流容量应大于安装处的最大三相短路容量，才能保证断路器在分断故障电流时不至于损坏 自动化系自动化系自动化系第63页/共70页2.隔离开关 隔离开关在供电系统中只用于接通和断开没有负荷电流流过的电路，它的作用是为保证电气设备检修时，使需检修的设备与处于电压下的其余部分构成明显的隔离。隔离开关没有特殊的灭弧装置，所以它的接通和切断必需在断路器分断以后才能进行。隔离开关因无切断故障电流的要求，所以它只根据一般条件进行选择，并按照短路情况下进行动稳定和热稳定的校验。自动化系自动化系自动化系第64页/共70页3.电流互感器 在高压电网中，计量仪表的电流线圈(如电流表、功率表等)和继电保护装置中继电器的电流线圈都是通过电流互感器供电的。这样可以隔离高压电，有利于运行人员的安全，同时还可以使仪表及继电器等制造标准化。电流互感器应根据二次设备对互感器的精度等级要求以及安装地点的电网额定电压与长期通过的最大负荷电流来选，并按短路条件校验其动、热稳定性。1）电流互感器的额定电压应大于或等于安装地点的电网额定电压。2）电流互感器一次侧的额定电流应大于或等于线路最大工作电流的1.21.5倍。3）电流互感器的测量精度与它的二次侧所接的负荷大小有关，即与它接入的阻抗Z2大小有关。4）电流互感器的动、热稳定性校验可按式（3-85）、式(3-86）进行。5）校验短路冲击电流通过它一次绕组时在出线瓷帽处出现的应力F是否低于绝缘瓷帽上给定的最大允许应力Fal,自动化系自动化系自动化系第65页/共70页4.电压互感器电压互感器在供电系统中是用来测量高电压的，其一次绕组与高压电网并联。电压互感器二次侧不能短路运行。为了保护电压互感器，在高、低压两侧均装设熔断器来切除内部故障。电压互感器的选择项目如下：1)其额定电压要与供电电网的额定电压相同。2)合适的类型：户内型、户外型。3)应根据电压互感器的测量精度要求来确定二次侧允许接入的负荷。即自动化系自动化系自动化系第66页/共70页5.母线目前变电站的母线除因大电流用铜母线以外，大都采用铝母线，而电流不大的支干线或低压系统的中性线则有时也采用钢母线。图319 母线在绝缘子上的设置a）单条矩形 b)两条矩形 c)楔形 自动化系自动化系自动化系第67页/共70页 母线截面一般按满足长期最大工作电流的发热条件选择，对于平均负荷较大，线路较长的主母线，则可按经济电流密度选择。同时用短路条件校验其动稳定和热稳定性。动稳定校验 支柱式绝缘子在4个或4个以上时 三个支柱绝缘子 母线材料在弯曲时产生的计算应力 不满足上式要求时，就需采用一定措施：如限制短路电流；变更母线放置方式以增大w；增大母线相间距离；减小绝缘子间的跨距或增大母线截面等。其中最经济有效的方法就是减小绝缘子之间的跨距。自动化系自动化系自动化系第68页/共70页根据母线的机械强度的条件来计算绝缘子的最大可能跨距 如果求得lmax很大，为了布置方便，选取的跨距不得超过(1.52)m，最好等于配电装置间隔的宽度。自动化系自动化系自动化系第69页/共70页感谢您的观看！第70页/共70页
