工廠供電第三章

1、工廠供電第三章第1頁，共30頁，2022年，5月20日，3點37分，星期三 一. 短路的原因 短路就是指不同電位的導(dǎo)電部分包括導(dǎo)電部分對地之間的低阻性短接。造成短路的原因主要有： (1) 電氣設(shè)備絕緣損壞 (2) 有關(guān)人員誤操作 (3) 鳥獸為害事故第三章 短路電流及其計算第一節(jié) 短路的原因、后果和形式 二. 短路的后果 短路后，系統(tǒng)中出現(xiàn)的短路電流比正常負荷電流大得多。很大的短路電流可對供電系統(tǒng)造成極大的危害：(1) 短路時要產(chǎn)生很大的電動力和很高的溫度，而使故障元件和短路電路中的其他元件受到損害和破壞，甚至引發(fā)火災(zāi)事故。(2) 短路時電路的電壓驟然下降，嚴(yán)重影響電氣設(shè)備的正常運行。(3)

2、短路時保護裝置動作，將故障電路切除，從而造成停電(4) 嚴(yán)重的短路影響電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性使并列運行發(fā)電機組失去同步造成系統(tǒng)解列。(5) 不對稱短路包括單相和兩相短路，其短路電流將產(chǎn)生較強的不平衡交流電磁場，對附近的通信線路、電子設(shè)備等產(chǎn)生電磁干擾，影響其正常運行，甚至使之發(fā)生誤動作。 第2頁，共30頁，2022年，5月20日，3點37分，星期三 三. 短路的形式 在三相系統(tǒng)中，短路的形式有三相短路、兩相短路、單相短路和兩相接地短路等，圖 短路的形式三相短路 兩相短路單相短路 兩相接地短路第3頁，共30頁，2022年，5月20日，3點37分，星期三第二節(jié) 無限大容量電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路時的物理過

3、程和物理量 一. 無限大容量電力系統(tǒng)及其三相短路的物理過程 無限大容量電力系統(tǒng)，是指供電容量相對于用戶供電系統(tǒng)容量大得多的電力系統(tǒng)。其特點是：當(dāng)用戶供電系統(tǒng)的負荷變動甚至發(fā)生短路時，電力系統(tǒng)變電所饋電母線上的電壓能基本維持不變。圖 無限大容量電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路a) 三相電路圖 b) 等效單相電路第4頁，共30頁，2022年，5月20日，3點37分，星期三圖 無限大容量電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路時的電壓、電流變動曲線第5頁，共30頁，2022年，5月20日，3點37分，星期三由于短路電路還存在電阻，因此短路電流非周期分量要逐漸衰減。電路內(nèi)的電阻越大和電感越小，則衰減越快。短路電流非周期分量是按指數(shù)函

4、數(shù)衰減的，其表達式為 2. 短路電流非周期分量短路電流非周期分量的初始絕對值為 二. 短路有關(guān)的物理量 1. 短路電流周期分量式中 ，為短路電流周期分量幅值，其中 為短路電路總阻抗模； 為短路電路的阻抗角。 由于短路電路的 ，因此 。故短路初瞬間（t =0時）的短路電流周期分量為第6頁，共30頁，2022年，5月20日，3點37分，星期三 3. 短路全電流 短路電流周期分量與非周期分量之和，即為短路全電流。短路全電流 的最大有效值是短路后第一個周期的短路電流有效值，用Ish 表示，也可稱為短路沖擊電流有效值，用下式計算： 4. 短路沖擊電流 短路沖擊電流為短路全電流中的最大瞬時值。第7頁，共3

5、0頁，2022年，5月20日，3點37分，星期三在高壓電路發(fā)生三相短路時，一般可取K sh=1.8，因此在1000kVA及以下的電力變壓器和低壓電路中發(fā)生三相短路時，一般可取K sh=1.3 5. 短路穩(wěn)態(tài)電流 短路穩(wěn)態(tài)電流是短路電流非周期分量衰減完畢以后的短路全電流，其有效值 用表示。 在無限大容量系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)饋電母線電壓維持不變，所以其短路電流周期分量有效值（習(xí)慣上用 表示）在短路的全過程中維持不變，即 。 第8頁，共30頁，2022年，5月20日，3點37分，星期三第三節(jié) 無限大容量電力系統(tǒng)中短路電流的計算 一. 概 述短路電流計算的方法，常用的有歐姆法和標(biāo)幺制法。二. 采用歐姆法進

6、行三相短路計算 歐姆法又稱有名單位制法，因其短路計算中的阻抗都采用有名單位“歐姆”而得名。 在無限大容量系統(tǒng)中發(fā)生三相短路時，其三相短路電流周期分量有效值按下式計算：第9頁，共30頁，2022年，5月20日，3點37分，星期三供電系統(tǒng)中各主要元件包括電力系統(tǒng)（電源）、電力變壓器和電力線路的阻抗計算。如果不計電阻，則三相短路電流周期分量有效值為 1. 電力系統(tǒng)的阻抗計算 電力系統(tǒng)的電阻相對于電抗來說很小，一般不予考慮。電力系統(tǒng)的電抗，可由電力系統(tǒng)變電站饋電線出口斷路器的斷流容量 來估算。三相短路容量為第10頁，共30頁，2022年，5月20日，3點37分，星期三 基準(zhǔn)電抗Xd 則按下式計算： 下

7、面分別講述供電系統(tǒng)中各主要元件的電抗標(biāo)幺值的計算（取Sd=100 MVA，Ud =Uc） (1) 電力系統(tǒng)的電抗標(biāo)幺值 (2) 電力變壓器的電抗標(biāo)幺值 (3) 電力線路的電抗標(biāo)幺值 短路計算中各主要元件的電抗標(biāo)幺值求出以后，即可利用其等效電路圖進行電路化簡，求出其總電抗標(biāo)幺值 。由于各元件均采用標(biāo)幺值，與短路計算點的電壓無關(guān)，因此電抗標(biāo)幺值無須進行電壓換算，這也是標(biāo)幺制法較之歐姆法優(yōu)越之處。 無限大容量系統(tǒng)三相短路電流周期分量有效值的標(biāo)幺值按下式計算(下式未計電阻，因標(biāo)幺值制法一般用于高壓電路短路計算，通常只計電抗）： 第11頁，共30頁，2022年，5月20日，3點37分，星期三 2. 電力

8、變壓器的阻抗計算 (1) 變壓器的電阻RT 可由變壓器的短路損耗Pk 近似計算。 (2) 變壓器的電抗XT 可由變壓器的短路電壓Uk %近似地計算。 3. 電力線路的阻抗計算 (1) 線路的電阻RWL 可由導(dǎo)線電纜的單位長度電阻乘以線路長度求得，即 第12頁，共30頁，2022年，5月20日，3點37分，星期三 (2) 線路的電抗 XWL 可由導(dǎo)線電纜的單位長度電抗乘以線路長度求得，即 式中 X0 為導(dǎo)線電纜單位長度電抗，亦可查有關(guān)手冊或產(chǎn)品樣本。 為線路長度。圖 三相線路的線間距離b) 水平等距排列c) 等邊三角形排列a) 一般情況第13頁，共30頁，2022年，5月20日，3點37分，星期

9、三 三. 采用標(biāo)幺制法進行三相短路計算 任一物理量的標(biāo)幺值 ，為該物理量的實際量A與所選定的基準(zhǔn)值,Ad 的比值，即 按標(biāo)幺制法進行短路計算時，一般是先選定基準(zhǔn)容量Sd 和 基準(zhǔn)電壓Ud 。 基準(zhǔn)容量，工程設(shè)計中通常取Sd =100 MVA。 基準(zhǔn)電壓，通常取元件所在處的短路計算電壓，即取Ud =Uc。 選定了基準(zhǔn)容量和基準(zhǔn)電壓以后，基準(zhǔn)電流Id 則按下式計算： 第14頁，共30頁，2022年，5月20日，3點37分，星期三無限大容量電力系統(tǒng)中短路電流的算例例1的計算電路圖例1某工廠供電系統(tǒng)如圖所示，所有參數(shù)見圖上所示，試用歐姆法求k1點和k2點的三相短路電流各值和短路容量。第15頁，共30頁

10、，2022年，5月20日，3點37分，星期三例1的短路等值電路圖a)點短路等值電路b)點短路等值電路第16頁，共30頁，2022年，5月20日，3點37分，星期三解(1)求k1點的三相短路電流各值和短路容量：取Uc1=10.5kV。1)計算短路電路各元件電抗值和總電抗值 電力系統(tǒng)的電抗值 架空線路的電抗 繪制k1點的等值電路，如圖所示，并計算其總電抗值2)計算k1點三相短路電流和短路容量 三相短路電流周期分量有效值 三相次暫態(tài)電流和穩(wěn)態(tài)短路電流 沖擊短路電流計算 三相短路容量(2)求k2點的三相短路電流各值和短路容量：取Uc2=0.4kV。1)計算短路電路各元件電抗值和總電抗值第17頁，共30

11、頁，2022年，5月20日，3點37分，星期三 電力系統(tǒng)的電抗值 架空線路的電抗 電力變壓器電抗值 繪制k2點的等值電路，并計算其總電抗值2)計算k2點三相短路電流和短路容量 三相短路電流周期分量有效值 三相次暫態(tài)電流和穩(wěn)態(tài)短路電流 三相短路相沖出電流 三相短路容量第18頁，共30頁，2022年，5月20日，3點37分，星期三3.標(biāo)幺制法進行三相短路計算的方法例2試用標(biāo)幺制法計算例1工廠供電系統(tǒng)中k1點和k2點的三相短路電流和短路容量。解(1)確定基準(zhǔn)值：取Sd100MVA、Uc110.5kV、Uc20.4kV (2)計算短路電路中各元件電抗標(biāo)幺值1)電力系統(tǒng)電抗標(biāo)幺值X2)架空線路的電抗標(biāo)幺

12、值X第19頁，共30頁，2022年，5月20日，3點37分，星期三3)電力變壓器的電抗標(biāo)幺值X(3)k1點總電抗標(biāo)幺值及三相短路電流各值和短路容量1)總電抗標(biāo)幺值2)三相短路電流的周期分量有效值例2等值電路第20頁，共30頁，2022年，5月20日，3點37分，星期三3)其他三相短路電流4)三相短路容量(4)計算k2點的總電抗標(biāo)幺值及三相短路電流各值和短路容量1)總電抗標(biāo)幺值2)三相短路電流的周期分量有效值3)其他三相短路電流4)三相短路容量第21頁，共30頁，2022年，5月20日，3點37分，星期三 四. 兩相短路電流的計算 在無限大容量系統(tǒng)中發(fā)生兩相短路時其短路電流可由下式求得：式中Uc

13、 為短路點的短路計算電壓（線電壓）。圖 無限大容量電力系統(tǒng)中發(fā)生兩相短路如果只計電抗，則兩相短路電流為 關(guān)于兩相短路電流與三相短路電流的關(guān)系，可由 求得，因 ，故第22頁，共30頁，2022年，5月20日，3點37分，星期三 五. 單相短路電流的計算 在大接地電流的電力系統(tǒng)中或三相四線制系統(tǒng)中發(fā)生單相短路時,根據(jù)對稱分量法可求得其單相短路電流為式中 為電源相電壓； 為單相短路回路的正序、負序和零序阻抗。 在工程設(shè)計中，常利用下式計算單相短路電流 式中 為電源相電壓； 為單相短路的阻抗模，可查有關(guān)手冊，或按下式計算： 式中 分別為變壓器單相的等效電阻和電抗； 分別為相線與N線或與PE線、PEN線

14、的短路回路電阻和電抗， 第23頁，共30頁，2022年，5月20日，3點37分，星期三 由于遠離發(fā)電機發(fā)生短路時，Z 0Z 1 ，因此 由此可知，在遠離發(fā)電機的無限大容量系統(tǒng)中短路時，兩相短路電流和單相短路電流都比三相短路電流小，因此用于選擇電氣設(shè)備選擇校驗的短路電流，應(yīng)該采用三相短路電流。兩相短路電流主要用于相間短路保護的靈敏度校驗，單相短路電流則主要用于單相短路熱穩(wěn)定度的校驗。第四節(jié) 短路電流的效應(yīng)和穩(wěn)定度校驗一. 短路電流的電動效應(yīng)和動穩(wěn)定度要使電路元件能承受短路時最大電動力的作用，電路元件必須具有足夠的電動穩(wěn)定度。(一) 短路時的最大電動力 第24頁，共30頁，2022年，5月20日，

15、3點37分，星期三 由于三相短路沖擊電流 與兩相短路沖擊電流 有下列關(guān)系：，因此三相短路與兩相短路產(chǎn)生的最大電動力之比為 如果三相線路中發(fā)生三相短路，則三相短路沖擊電流 在中間相產(chǎn)生的電動力最大，其值（單位為N）為(二) 短路動穩(wěn)定度的校驗條件 1. 一般電器的動穩(wěn)定度校驗條件 按下列公式校驗： 2. 絕緣子的動穩(wěn)定度條件按下列公式校驗： 第25頁，共30頁，2022年，5月20日，3點37分，星期三3. 硬母線的動穩(wěn)定度校驗條件按下列公式校驗：式中M 為母線通過 時所受到的彎曲力矩；當(dāng)母線檔數(shù)為12時， 當(dāng)母線檔數(shù)大于2時， 圖 水平排列的母線a) 平放 b) 豎放第26頁，共30頁，202

16、2年，5月20日，3點37分，星期三 三. 短路電流的熱效應(yīng)和熱穩(wěn)定度(一) 短路時導(dǎo)體的發(fā)熱過程和發(fā)熱計算 導(dǎo)體通過正常負荷電流時，由于導(dǎo)體具有電阻會產(chǎn)生電能損耗。電能損耗轉(zhuǎn)化為熱能，一方面使導(dǎo)體溫度升高，另一方面向周圍介質(zhì)散熱。當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的熱量與向周圍介質(zhì)散發(fā)的熱量相等時，導(dǎo)體就維持在一定的溫度值。當(dāng)線路發(fā)生短路時，短路電流將使導(dǎo)體溫度迅速升高。由于短路后線路的保護裝置很快動作，切除短路故障，所以短路電流通過導(dǎo)體的時間不長，通常不超過23s。因此在短路過程中，可不考慮導(dǎo)體向周圍介質(zhì)的散熱，即近似地認為導(dǎo)體在短路時間內(nèi)是與周圍介質(zhì)絕熱的，短路電流在導(dǎo)體中產(chǎn)生的熱量，全部用來使導(dǎo)體的溫度升高

17、。圖 短路前后導(dǎo)體的溫度變化 如果導(dǎo)體和電器在短路時的發(fā)熱溫度不超過允許溫度，則應(yīng)認為導(dǎo)體和電器是滿足短路熱穩(wěn)定度要求的。 要確定導(dǎo)體短路后實際達到的最高溫度 ，按理應(yīng)先求出短路期間實際的短路全電流 或 在導(dǎo)體中產(chǎn)生的熱量 。但是 和 都是幅值變動的電流，要計算其 是相當(dāng)困難的，因此一般是采用一個恒定的短路穩(wěn)態(tài)電流 來等效計算實際短路電流所產(chǎn)生的熱量。第27頁，共30頁，2022年，5月20日，3點37分，星期三短路發(fā)熱假想時間可由下式近似地計算： 由于通過導(dǎo)體的短路電流實際上不是 ，因此假定一個時間，在此時間內(nèi)，設(shè)導(dǎo)體通過 所產(chǎn)生的熱量，恰好與實際短路電流 或 在實際短路時間 內(nèi)所產(chǎn)生的熱量相等。這一假定的時間，稱為短路發(fā)熱的假想時間也稱熱效時間，用 表示，如圖所示。圖 短路發(fā)熱假想時間 在無限大容量系統(tǒng)中發(fā)生短路時，由于 ，因此ss 當(dāng) s時，可以認為 。實際短路電流通過導(dǎo)體在短路時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量為 根據(jù)這一熱量 可計算出導(dǎo)體在短路后所達到的最高溫度 在工程設(shè)計中，通常是利用圖所示曲線來確定 。該曲線的橫坐標(biāo)用導(dǎo)體加熱系數(shù)K 來表示，縱坐標(biāo)表示導(dǎo)體發(fā)熱溫度 。第28頁，共30頁，2022年，5月20日，3點37分，星期三 ： 圖 由L 查k 的曲線圖 用來確定k 的曲線 第29頁，共30頁，2022年，5月20