短路电流计算.ppt

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1、4.5 短路电流计算,考试大纲5.1 了解实用短路电流计算的近似条件5.2 了解简单系统三相短路电流的使用计算方法5.3 了解短路容量的概念5.4 了解冲击电流、最大有效值电流的定义和关系5.5 了解同步发电机、变压器、单回、双回输电线路的正、负、零序等值电路5.6 掌握简单电网的正、负、零序序网的制定方法5.7 了解不对称短路的故障边界条件和相应的复合序网5.8 了解不对称短路的电流、电压计算5.9 了解正、负、零序电流、电压经过Yn，d11 变压器后的相位变化,4.5.1 实用短路电流计算的近似条件,1短路计算的基本假设条件 （1）磁路的饱和、磁滞忽略不计。系统中各元件的参数便都是恒定的，

2、可以运用叠加原理。 （2）系统中三相除不对称故障处以外都可当作是对称的。因而在应用对称分量法时，对于每一序的网络可用单相等值电路进行分析。 （3）各元件的电阻略去不计。如果 ，即 当短路是发生在电缆线路或截面较小的架空线上时，特别在钢导线上时，电阻便不能忽略。此外，在计算暂态电流的衰减时间常数时，微小的电阻也必须计及。 （4）短路为金属性短路。,4.5.1 实用短路电流计算的近似条件,2无限大功率电源 所谓无限大功率电源，是指当电力系统的电源距短路点的电气距离较远时，由短路而引起的电源输出功率（电流及电压）的变化 （ ），远小于电源所具有的功率 ，即存在如下的关系 ，则称该电源为无限大功率电源

3、，记作 。 无限大功率电源的特点是： （1）由于 ，所以可以认为在短路过程中无限大功率电源的频率是恒定的。 （2）由于 ，所以可以认为在短路过程中无限大功率电源的端电压也是恒定的。 （3）电压恒定的电源，内阻抗必然等于零。因此可以认为无限大功率电源的内电抗 。,4.5.2 简单系统三相短路的实用计算方法,标么值计算法计算短路电流的步骤如下： 1. 选择基准电压和基准容量 基准电压 可以选择短路点所在的电网额定电压。 基准容量 可以选择100MVA或系统短路容量 。,4.5.2 简单系统三相短路的实用计算方法,2.求元件的电抗标么值 （1）电力系统的电抗标么值 电力系统的电抗标么值（ ） 或 （

4、4-5-2）式中 基准容量，MVA。 系统高压输电线出口断路器的启断容 量，MVA； 系统短路容量，MVA。,4.5.2 简单系统三相短路的实用计算方法,（2）变压器电抗标么值 （4-5-3）式中 变压器的额定容量，kVA； 变压器的百分阻抗值。,4.5.2 简单系统三相短路的实用计算方法,（3）架空、电缆线路电抗标么值（4-5-4）式中 线路单位长度的电抗值， /km，可查找有关线路参数； 线路长度，km； 线路平均额定电压，kV。,4.5.2 简单系统三相短路的实用计算方法,（4）电抗器电抗标么值 电抗器的百分比电抗（ ）是以电抗器额定工作电压和额定工作电流为基准的，它归算到新的基准下的公

5、式为 （4-5-5）式中 电抗器的额定电压，kV； 电抗器的额定电流，kA； 电抗器的百分阻抗值。,4.5.2 简单系统三相短路的实用计算方法,3求短路回路总电抗标么值 从电源到短路点前的总电抗是所有元件的电抗标么值之和。 4求三相短路电流周期分量有效值 在短路计算中，如选短路点所在线路额定电压（ ）为基准电压 ，则三相短路电流周期分量为 （4-5-6）式中 短路点所在线路的额定电压，kV； 基准电压，kV； 从电源到短路点之间的所有电气元件的电抗 和，。,4.5.2 简单系统三相短路的实用计算方法,三相短路电流周期分量的标么值为 （4-5-7） 三相短路电流周期分量的有名值为 由上式可以看出

6、，计算短路电流关键在于求出短路回路总电抗标么值。,4.5.3 短路容量,短路容量数值为 （4-5-8）式中 短路处的额定电压，kV； t时刻短路电流周期分量的有效值， kA。 在标么制中，若取 ，则 （4-5-9） 短路容量的标么值和短路电流的标么值相等。 （4-5-10）,4.5.4 冲击电流和最大有效值电流,1三相短路最大冲击电流瞬时值 根据产生最大短路电流的条件，短路电流周期分量和非周期分量叠加的结果是在短路后经过半个周期的时刻将会出现短路电流的最大瞬时值，此值称为短路冲击电流的瞬时值。 （4-5-11）式中 短路电流的周期分量，kA； 短路冲击系数。,4.5.4 冲击电流和最大有效值电

7、流,当短路发生在单机容量为12MW及以上的发电机母线上时，短路冲击系数取1.9： （4-5-12） 当短路发生在高压电网的其他各点时，短路冲击系数取1.8： （4-5-13） 在380/220V低压网中，短路冲击系数取1.3： （4-5-14） 冲击电流主要用于校验电气设备和载流导体的电动力稳定度。,4.5.4 冲击电流和最大有效值电流,2三相短路最大冲击电流有效值 在短路过程中，任一时刻，电流有效值是指以时刻为中心的的一个周期内瞬时电流的均方根值 （4-5-15）式中 短路全电流的瞬时值，kA； 时间时非周期分量电流的瞬时值，kA； 时间时周期分量电流的瞬时值，kA。,4.5.4 冲击电流和

8、最大有效值电流,如果短路是发生在最恶劣的情况下，短路电流在第一个周期内的有效值将最大，这一有效值称为短路电流的最大有效值，以 表示。 （4-5-16） 短路冲击系数取1.9时 （4-5-17） 短路冲击系数取1.8时 （4-5-18） 短路冲击系数取1.3时 （4-5-19） 短路电流的最大有效值常用于校验某些电气设备的断流能力或耐力强度。,4.5.5 系统元件各序参数和等值网络,1对称分量法 在一个多相系统中，如果各相量的绝对值相等，且相邻两相间的相位差相等，就构成了一组对称的多相量。 在三相系统中，任意不对称的三相量只可能分为三组对称分量，这三组对称分量分别为 （1）正序分量 （2）负序分

9、量 （3）零序分量,4.5.5 系统元件各序参数和等值网络,三相不对称相量所对应的三组对称分量a）正序分量 b）负序分量 c）零序分量,4.5.5 系统元件各序参数和等值网络,（1）正序分量 三相量大小相等，彼此相位互差120，且与系统在正常对称运行方式下的相序相同，这就是正序分量。此正序分量为一平衡三相系统，正序分量通常又称为顺序分量。 在正序分量中恒有下列关系： （4-5-19）式中 显然存在 （4-5-20）,4.5.5 系统元件各序参数和等值网络,（2）负序分量 三相量大小相等，彼此相位互差120，且与系统在正常对称运行方式下的相序相反，这就是负序分量。负序分量亦为一平衡三相系统。负序

10、分量通常又称为逆序分量。 在负序分量中恒有下列关系： （3）零序分量 由大小相等，而相位相同的相量组成。,4.5.5 系统元件各序参数和等值网络,在任意给定的三组对称分量中，分别把各相的三个对称分量叠加起来，组成一个三相系统，即 （4-5-23） 由上式即可得对称分量之值为 （4-5-24）,4.5.5 系统元件各序参数和等值网络,通常简单地把 、 、 称为正序、负序和零序分量，它们都是以 相为参考相（基准相）的各序分量。以后凡不加以说明都是指以 相为参考相。 在许多情况下，还需要求解网络中某些支路上的电流及网络中某些节点上的电压。故在求得故障点的各序电流及各序电压以后，需进一步求出各序网络中

11、各有关支路的各序电流和各有关节点的各序电压。把同一支路的各序电流按相相加，即得该支路的各相电流；将同一节点的各序电压按相相加，即得到该节点的各相电压。,4.5.5 系统元件各序参数和等值网络,应用对称分量法计算系统的不对称故障，其步骤大致如下： （1）计算电力系统各元件的各序阻抗； （2）制订电力系统的各序网络； （3）由各序网络和故障条件列出对应方程； （4）从联立方程组解出故障点电流和电压的各序分量，将相应的各序分量相加，以求得故障点的各相电流和各相电压； （5）计算各序电流和各序电压在网络中的分布，进而求出各指定支路的各相电流和指定节点的各相电压。,4.5.5 系统元件各序参数和等值网络

12、,2序阻抗的基本概念 所谓某元件的正序阻抗，系指仅有正序电流通过该元件（这些元件三相是对称的）时所产生的正序电压降与此正序电流之比。 设正序电流 通过某元件产生的一相的压降为 正序阻抗 负序阻抗 零序阻抗 元件的三序阻抗完全不同。,4.5.5 系统元件各序参数和等值网络,电力系统中任何静止元件只要三相对称，当通入正序和负序电流时，由于其它两相对本相的感应电压是一样的，所以正序阻抗与负序阻抗相等。 在通入零序电流时，由于三相电流同相，相间的互感影响不同（对于变压器来讲，零序阻抗与变压器的结构及绕组的连接方式有关），因而零序阻抗和正序（负序）阻抗不同。 如果各相之间不存在互感，且中线阻抗为零，那么

13、正序（负序）阻抗就和零序阻抗相等。 对于架空输电线、电缆、变压器有 。对于由三个单相电抗器、电容器组成的三相电抗器、电容器以及由三个单相变压器构成的三相变压器组（如果零序电流能够流通）则有 。,4.5.5 系统元件各序参数和等值网络,对于旋转元件，如发电机和电动机，各序电流分别通过时，将引起不同的电磁过程： 正序电流产生与转子旋转方向相同的旋转磁场； 负序电流产生与转子旋转方向相反的旋转磁场； 零序电流产生的磁场则与转子的位置无关。 因此旋转元件的正序、负序和零序阻抗互不相等。,4.5.5 系统元件各序参数和等值网络,3同步发电机的序阻抗 同步发电机正常对称运行时，只有正序电流存在，电机的参数

14、就是正序参数。稳态时用的同步电机电抗 、 过渡过程中用的 、 以及 、 都属于正序阻抗。 汽轮发电机和有阻尼绕组的凸极电机可按 在近似计算时也可当作 对无阻尼绕组的凸极电机 同步电机零序电流产生的磁链在空气隙中之和等于零，所以零序电抗与转子位置无关，但漏磁与定子形式关系密切，通常情况下 以上参数均忽略电机磁饱和的影响，并认为在短路过程中 、 、 恒定不变。,4.5.5 系统元件各序参数和等值网络,4负荷的序阻抗 在负荷中，异步电动机占较大的比重，因此负荷阻抗可以近似地取异步电动机各序的阻抗。 正常运行时负荷的正序阻抗以额定容量为基准的标么值约为 。在短路时，当计算稳态短路电流时通常可取 ；在计

15、算次暂态电流时次暂态电势可取 ， 。 异步电动机的负序阻抗可取 ，为了简化计算出可以仅取电抗部分 。 因为电动机一般中性点不接地，所以不考虑其零序电抗。,4.5.5 系统元件各序参数和等值网络,5变压器的序阻抗 变压器的负序电抗与正序电抗相等。 变压器零序电抗则与变压器绕组的连接方式、中性点是否接地、变压器的结构（单相、三相及铁心的结构形式）有关。,4.5.5 系统元件各序参数和等值网络,a）Yn，d联结变压器 由于变压器每组绕相中感应的零序电动势是同相位而且大小相等，所以零序电流在三角形中流通，形成一合回路，在三角形外电路中则没有零序电流，因而在等效电路中零序电流通过绕组的漏抗 ，绕组的漏抗

16、 。等效电路中绕组一端短接只是表明它是零序电流的闭合回路而不是表示绕组的一端接地。零序电流在 中的电压降与变压器励磁电抗 中的电压降相等。 零序电抗为,4.5.5 系统元件各序参数和等值网络,Yn，yn联结的变压器要在绕组中通过零序电流，其外电路必须要有接地的中性点。如果没有则它的零序等效电路就与Yn，y联结相同。相当于绕组与外电路断开。Yn，y联结变压器的零序电抗为,4.5.5 系统元件各序参数和等值网络,双绕组变压器两个绕组的漏抗标么值几乎相等，并等于短路电压百分数（或标么值）的一半，一般可以当作励磁电抗支路断开。 对于三相三柱式变压器，由于零序磁通需经过空气隙与油箱外壳，因为磁阻大所以零

17、序电抗较小，通常可认为零序励磁电抗标么值在0.31.0的范围内。,4.5.5 系统元件各序参数和等值网络,Yn，d，y联结三绕组变压器，绕组是开路的，所以零序电抗为,4.5.5 系统元件各序参数和等值网络,Yn，d，yn联结的变压器。在绕组中若通过零序电流，则在零序网络中必须有外部电流通路。,4.5.5 系统元件各序参数和等值网络,Yn，d，d联结的变压器，绕组和中的电压降相等可以并联，零序电抗为,4.5.5 系统元件各序参数和等值网络,6输电线路的序阻抗 架空输电线的负序电抗与正序电抗相等，零序电抗与平行线的回路数以及有无架空地线和地线的导电性能等因素有关。 由于零序电流在三相线路中是同方向

18、的，互感很大，因而零序电抗要比正序电抗大。零序电流是通过地及架空地线返回的，所以架空地线会对三相导线产生屏蔽作用，使零序磁链减少，因而使零序电抗减小。,4.5.5 系统元件各序参数和等值网络,7电缆的序阻抗 电缆的负序阻抗与正序相等，由于三相芯线间距离小所以正序电抗比架空输电线路要小得多。 电缆的电阻通常不能忽略。 电缆的零序电抗与电缆的外包皮的接地情况有关，一般由试验决定。在短路电流计算中可以取,4.5.6 系统相序网络的构成,凡属由同一序的相应的电势和阻抗根据电力系统的接线所构成的单相等值电路，称为该序的序网络。 在制订各序网络时，必须先了解系统的接线，接地中性点的分布状况以及各元件的各序

19、参数和等效电路；进而再分别各序，由短路点开始，查明序电流在网络中的流通情况，以确定各序网络的组成元件及其网络的具体连接。,4.5.6 系统相序网络的构成,1正序网络 正序网络就是通常用以计算对称三相短路时的网络，流过正序电流的全部元件的阻抗均用正序阻抗表示。 在不对称短路时短路点的正序电压 、 和 不等于零，所以短路点不能和零电位线相连。正序电势就是发电机的电势。,4.5.6 系统相序网络的构成,2负序网络 负序电流在网络中所流经的元件与正序电流所流经的相同。因此，组成负序网络的元件与组成正序网络的元件完全相同，只是各元件的阻抗要用负序参数表示，其中发电机及各种旋转电机的负序阻抗与正序阻抗不同

20、，而其它静止元件的负序阻抗等于正序阻抗。 因为发电机的负序电势为零，所以负序网络中电源支路负序阻抗的终点不接电势，而与零电位相连，并作为负序网络的起点，短路点就是该网络的终点。短路点的负序电压 不为零。,4.5.6 系统相序网络的构成,3零序网络 在零序网络中，不包含电源电势。只在短路点存在有由故障条件所决定的不对称电势源中的零序分量。各元件的阻抗均应以零序参数表示。 零序电流实际上是一个流经三相电路的单相电流，经过地或与地连接的其它导体（例如地线、电缆包皮等），再返回三相电路中。只有当和短路点直接相连的网络中至少具有一个接地中性点时，才可以形成一个零序回路。如果与短路点直接相连的网络中有好几

21、个接地的中性点，那么有几个零序电流的并联支路。 在绘制等值网络时，只能把有零序电流通过的元件包括进去，而不通过零序电流的元件应舍去。作出系统的三线图，在短路处将三相连在一起，接上一个零序电势源，并从这一点开始逐一的查明零序电流可能通行的回路。,4.5.6 系统相序网络的构成,变压器绕组的接法对零序电流的通行路径有很大影响。Yn，d接线绕组中，星形侧绕组中的零序电流只能在三角形侧各相绕组中引起零序环流，并不能流到外线路上去。Yn，yn连接的变压器中，当其中一侧的绕组中有零序电流通过时，另一侧的绕组中有否零序电流出现，要看另一侧绕组的外电路中还有其它接地的中性点等。 对于那些有零序电流通过的，连在

22、发电机或变压器等中性点的元件，例如消弧线圈中通过的零序电流为三相的零序电流之和（即每相零序电流的三倍），而零序网络所表示的只是一相的等值网络，为了使零序网络中在这一元件上的电压降与实际值相等，就必须将该元件的阻抗值扩大为3倍而串接在与之相连的流过同一零序电流的支路中。,4.5.6 系统相序网络的构成,平行的线路中有零序电流通过时，平行线路中的零序电流要产生互感作用，在制订零序网络时应计及零序互感的影响。 对于能够找到公共节点并且各支路间互感又一样的情况，可以应用如建立变压器的等值电路时所采用的方法“直接去耦法”，建立无互感的等值网络。 当有互感的支路难于找到连在一起的公共节点时，可以先求出对应

23、这部分网络的节点导纳矩阵，然后再根据节点导纳矩阵中的诸元素来建立与之对应的无互感的等值网络。,4.5.7 简单的不对称故障的分析,1等值网络 应用对称分量法分析计算简单不对称故障时，对于各序分量的求解，一般有两种方式： （1）直接的联立求解三个序的电势方程和三个边界条件方程； （2）借助于复合序网图进行求解，即根据不同故障类型所确定的边界条件，将三个序网络进行适当的连接，组成一个复合序网，对复合序网进行计算，便可求出电流、电压的各序对称分量。,4.5.7 简单的不对称故障的分析,系统接线图 正、负、零序等值网络图,4.5.7 简单的不对称故障的分析,为从正序网络故障口看过去的戴维南等值电势。其

24、值等于故障发生之前故障点的相电压。当计算稳态时，网络中的电势用稳态电势。当计算暂态时网络中的电势用暂态电势或次暂态电势。 假定短路是纯金属性的（短路点弧光电阻及接地电阻均为零），短路是发生在假想的阻抗等于零的引出线上。 电流的正方向规定由电源指向短路点。 电压的正方向规定由故障点的每相对地电压。 计算中均以相作为基准相。,4.5.7 简单的不对称故障的分析,2两相短路 （1）故障边界条件 假定 两相短路，以相量表示的边界条件方程如下： 两相短路的以序分量表示的三个边界条件是,两相短路时的系统接线图,4.5.7 简单的不对称故障的分析,（2）复合序网两相短路时的序网及复合序网图 由于相间故障时不

25、存在零序分量，所以复合序网只包括正序和负序网络。 根据两相短路的边界条件： ； ，图中的正序和负序网络联成一个复合序网络。,4.5.7 简单的不对称故障的分析,3单相接地短路 （1）故障边界条件 假定 相接地短路，短路处用相量来示的边界方程为： 用对称分量表示 ： 或,单相接地短路时系统接线图,4.5.7 简单的不对称故障的分析,（2）复合序网 根据故障处的边界条件：三个序电流相等，三个序电压之和等于零，可以将三个序网串联组成一个复合序网。,单相接地短路时的复合序网图,4.5.7 简单的不对称故障的分析,4两相接地短路 （1）故障边界条件 假定两相接地短路，短路处以相量表示的边界条件为： 用对

26、称分量表示 或,两相接地短路时的系统接线图,4.5.7 简单的不对称故障的分析,（2）复合序网 短路处的各序电压相等，而各序电流之和等于零。,两相接地短路复合序网图,4.5.8 不对称短路电流、电压的计算,根据不对称短路的边界方程和复合序网求出的各序电流、电压对称分量及各相电流、电压值，一般都是指起始时或稳态时的基频分量。 不对称短路的电流、电压计算可以根据短路序网的基本方程式和边界条件方程式列出若干个独立方程，针对防城中的未知数，联立求解，即可获得电流、电压的计算值。,4.5.8 不对称短路电流、电压的计算,1.两相短路 （1）电流的计算 根据bc两相短路故障的边界条件和复合序网的接线图得

27、故障处的各相电流,4.5.8 不对称短路电流、电压的计算,（2）电压计算 根据bc两相短路故障的边界条件和复合序网的接线图得到 故障处的各相电压 或,4.5.8 不对称短路电流、电压的计算,当在远离发电机的地方发生两相短路时，可以认为整个系统的 ，此时有 式中 在同一点发生三相短路时 的短路电流。,4.5.8 不对称短路电流、电压的计算,2单相接地短路 假定a相短路，各序的电气量 或,4.5.8 不对称短路电流、电压的计算,短路处的各相电流、电压量,4.5.8 不对称短路电流、电压的计算,3两相接地短路 假定bc两相发生接地短路，各序的电气量,4.5.8 不对称短路电流、电压的计算,短路处的各

28、相电流 两相接地短路时，流入地中的电流为,4.5.8 不对称短路电流、电压的计算,故障处的各相电压为,4.5.9 对称相量经Yn，d11（或Y，d11）变压器后的相位变换,1.电压变化 Yn，d11（或Y，d11）的变压器，在次侧给以正序电压时，次侧的线电压与次侧的相电压相同，但次侧的相电压都超前于次侧的相电压30。如在次侧给以负序电压时，次侧的相电压都落后于次侧的相电压30。当用标么值表示电流时有,Yn，d11（Y，d11）联接的三相变压器的正序电压和负序电压相量图,4.5.9 对称相量经Yn，d11（或Y，d11）变压器后的相位变换,2.电流变化 对于电流也有类似的情况，次侧的正序线电流超

29、前于次侧线电流30，次侧的负序线电流落后于次侧线电流30 。 当用标么值表示电流时有,Yn，d11（Y，d11）联接的变压器的正序电流及负序电流相量图,4.5.9 对称相量经Yn，d11（或Y，d11）变压器后的相位变换,3. 零序变化 对于Yn，d11联接的变压器，当接地故障发生在一次侧时，零序电流和电压都存在，而二次侧的引出线上零序电压和零序电流均为零，因零序电流在二次绕组内自成环流，即零序电压都降落在二次绕组的漏抗上了。对Yn，d11联接的变压器，由于一次侧中性点不接地，故无论哪一侧发生接地故障时，零序电流均为零。,4.5.9 对称相量经Yn，d11（或Y，d11）变压器后的相位变换,电气量经过Yn，d11（Y，d11）接法的变压器时，由星形侧转到三角形侧，正序系统要逆时针转过30，而负序系统要顺时针转过30。零序系统为零。,