第三張-短路電流課件

第三章短路電流短路電流的基本概念短路電流暫態(tài)過程理想供電系統(tǒng)三相短路電流計算短路電流的電動力效應(yīng)及熱效應(yīng)短路的定義短路的定義所謂短路是指電力系統(tǒng)中帶電部分與大地(包括設(shè)備的外殼、變壓器的鐵芯、低壓線路的中線等)之間，以及不同相之間的短接。(相與相或相與地短接)這種短接可能是通過小阻抗的回路，或者是電弧的形式形成。在中性點非有效接地系統(tǒng)中，短路故障主要是各種相間短路，而單相接地不會造成短路，屬于一種運行障礙。短路原因絕緣損壞引起短路的原因：過電壓絕緣的自然老化和污穢運行人員維護(hù)不周直接的機械損傷電力系統(tǒng)其他一些故障也可能導(dǎo)致短路：輸電線路斷線和倒桿事故運行人員違章操作鳥和小動物等跨接裸導(dǎo)體等。短路種類短路的危害短路電流的熱效應(yīng)使設(shè)備急劇發(fā)熱，可能導(dǎo)致設(shè)備過熱損壞；短路電流產(chǎn)生很大的電動力，可能使設(shè)備永久變形或嚴(yán)重?fù)p壞；短路時系統(tǒng)電壓大幅度下降，嚴(yán)重影響用戶的正常工作；短路可能使電力系統(tǒng)的運行失去穩(wěn)定；不對稱短路產(chǎn)生的不平衡磁場，會對附近的通訊系統(tǒng)及弱電設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，影響其正常工作。短路電流基本概念—短路危害短路電流研究目的

計算短路電流是為了使供電系統(tǒng)安全、可靠運行減少短路帶來的損失和影響。主要應(yīng)用于以下幾個方面：選擇：導(dǎo)體和設(shè)備校驗：短路時能承受瞬時沖擊及熱效應(yīng)整定和保護(hù)：出現(xiàn)短路時能迅速和準(zhǔn)確地切除故障確定限流措施：是否串聯(lián)電抗器確定合理的主接線方式：分列運行和并列運行計算短路電流的簡化條件電力系統(tǒng)的實際情況很復(fù)雜，我們經(jīng)常采用近似的計算方法，按簡化條件計算的短路電流值偏大，誤差為10%-15%.簡化條件如下：（1）不考慮鐵磁飽和現(xiàn)象，認(rèn)為電抗是常數(shù)；（2）變壓器的勵磁電流忽略不計；（3）除高壓遠(yuǎn)距離輸電線路外，一般不考慮電網(wǎng)電容電流；（4）計算短路電流時忽略負(fù)荷電流；（5）當(dāng)短路系統(tǒng)中的電阻值小于電抗值的1/3時，電阻忽略；（6）在1140V以下的低壓電網(wǎng)中發(fā)生短路時，認(rèn)為變壓器一次側(cè)電壓不變。無限大容量電源系統(tǒng)短路電流的暫態(tài)過程

所謂無限大電源容量指的是電源距短路點的“電氣距離”較遠(yuǎn)時，電源的額定電容大量遠(yuǎn)大于系統(tǒng)供給短路點的功率，因此，在短路過程中可近似認(rèn)為電源電壓不變。稱之為無窮大電源容量。工程中，當(dāng)供電的電力系統(tǒng)容量遠(yuǎn)大于企業(yè)負(fù)荷容量，電源內(nèi)阻抗小于短路回路總阻抗的10%時，可以看作無限大容量供電系統(tǒng)。無限大電源容量的暫態(tài)過程電路對稱，可以只取一相討論無窮大容量系統(tǒng)三相短路的暫態(tài)過程短路前電路中的電流為：

式中：－短路前電流的幅值－短路前回路的阻抗角－電源電壓的初始相角，亦稱合閘角；短路后電路中的電流應(yīng)滿足：

短路的全電流可以用下式表示

式中：——短路電流周期分量的幅值，

——短路后回路的阻抗角，

——短路回路時間常數(shù)，

C

——積分常數(shù)，由初始條件決定，即短路電流非周期分量的初始值。無窮大容量系統(tǒng)三相短路的暫態(tài)過程由于電路中存在電感，而電感中的電流不能突變，則短路前瞬間的電流應(yīng)該等于短路發(fā)生后瞬間的電流，因此，短路的全電流為無窮大容量系統(tǒng)三相短路的暫態(tài)過程Tfi與衰減時間的關(guān)系？短路電流波形黃色曲線為短路電流波形，單調(diào)下降曲線為非周期分量。1.

短路電流穩(wěn)態(tài)值短路電流穩(wěn)態(tài)值（steady－statevalue）是指短路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后短路電流的有效值。無窮大容量電源系統(tǒng)發(fā)生三相短路時，短路電流周期分量的幅值恒定不變，則 三相短路的有關(guān)物理量

短路電流穩(wěn)態(tài)值可用來校驗設(shè)備的熱穩(wěn)定性三相短路的有關(guān)物理量

2.

短路電流次暫態(tài)值

短路電流次暫態(tài)值是指短路以后幅值最大的一個周期（即第一個周期）的短路電流周期分量的有效值。在無限大容量系統(tǒng)中，短路電流周期分量幅值保持不變。短路電流次暫態(tài)值用于繼電保護(hù)裝置的整定和計算3.短路電流沖擊值

短路電流沖擊值（shockvalue），即在發(fā)生最大短路電流的條件下，短路發(fā)生后約半個周期出現(xiàn)短路電流最大可能的瞬時值。式中ksh稱為沖擊系數(shù)，1≤ksh≤2。在高壓供電系統(tǒng)中通常取ksh=1.8；低壓供電系統(tǒng)中如容量為車間變電所的出口處發(fā)生短路，常取ksh=1.3。短路電流沖擊值主要用于校驗電氣設(shè)備和載流導(dǎo)體的動穩(wěn)定性。三相短路的有關(guān)物理量

4.短路沖擊電流有效值短路沖擊電流有效值指的是短路后的第一個周期內(nèi)短路全電流的有效值。為了簡化計算，可假定非周期分量在短路后第一個周期內(nèi)恒定不變，取該中心時刻t=0.01s的電流值計算。三相短路的有關(guān)物理量

5.短路功率短路功率又稱為短路容量，它等于短路電流有效值同短路處的正常工作電壓（一般用平均額定電壓）的乘積。在短路的實用計算中，常只用次暫態(tài)短路電流來計算短路功率，稱為次暫態(tài)功率，即

三相短路的有關(guān)物理量

Iz、ish、Ish和I∞的意義短路電流次暫態(tài)值Iz

，它是指短路瞬時，短路電流周期分量電流為最大幅值時所對應(yīng)的有效值。此值通常用來作繼電保護(hù)的整定近似和校驗斷路器的額定斷流量。短路電流沖擊值ish，它是指在發(fā)生最大短路條件下，短路后0.01s時，短路電流所出現(xiàn)的最大瞬時值。此值通常用來校驗電氣設(shè)備的動穩(wěn)定性。短路電流沖擊有效值Ish，是指發(fā)生短路后的第一個周期內(nèi)，全短路電流的有效值。此值通常用來校驗電氣設(shè)備的動穩(wěn)定性。短路電流穩(wěn)態(tài)值I∞，它是指短路進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，短路電流的穩(wěn)態(tài)有效值。對于無限大容量電源系統(tǒng)的三相短路，I∞=Iz。此值通常用來校驗電器和線路中載流部分的熱穩(wěn)定性。通過對短路電流暫態(tài)過程的分析可知，在無限大容量電源供電系統(tǒng)中發(fā)生三相短路時，短路電流的周期分量是不變的，因此它的有效值也是不變的。如下圖:(三相對稱化歸一相計算)短路電流計算求短路電流的基本原理在K點發(fā)生三相短路時，如短路回路的阻抗R，X以表示，根據(jù)歐姆定律，則三相短路電流的有效值為式中：Uav－短路點所在線路的平均電壓，VR，X－短路回路的總電阻和總電抗，。均已折算到短路點所在處的電壓等級。也即如果短路回路中有變壓器，就必須進(jìn)行折算。求短路電流的基本原理在工程設(shè)計中，高壓供電系統(tǒng)的R<<X，為簡化計算，若R<X/3，可忽略R，用X代替Z，同理在低壓供電系統(tǒng)中X<<R，若X<R/3，可忽略X，用R代替Z，在這樣的簡化條件下求出的短路電流值，誤差不超過5%，在工程計算及選擇設(shè)備中是完全允許的。因此對高壓供電系統(tǒng)，上式可寫成求短路電流的基本原理求短路電流的基本方法標(biāo)么值法（相對值法）將實際值與所選定的基準(zhǔn)值的比值來運算。其特點是在多電壓等級系統(tǒng)中計算比較方便。有名值法（絕對值法）短路計算中的各物理量均采用有名值(因各阻抗的單位都用歐姆，又有人稱之為歐姆法)。對稱分量法以三相對稱短路情況下的計算結(jié)果為基礎(chǔ)，對不對稱短路情況，采用相應(yīng)的比例系數(shù)，得到不對稱短路電流。兆伏安法圖表法計算曲線法標(biāo)么值法標(biāo)么值法是工程上計算短路電流的一種常用方法，各元件阻抗值的標(biāo)么值是用標(biāo)么值法計算短路電流的基礎(chǔ)。標(biāo)么制：用相對值表示元件的物理量。標(biāo)么制的由來：如果把電氣量的額定值選為基準(zhǔn)值，而該量又處于額定狀態(tài)下，其標(biāo)么值為1，標(biāo)么值的名稱即由此而來。標(biāo)么制屬于相對單位制的一種，在用標(biāo)么制計算時，各電氣元件的參數(shù)都用標(biāo)么值表示，標(biāo)么值又稱相對值。標(biāo)么制是用標(biāo)么值表示系統(tǒng)或元件參數(shù)，并用標(biāo)么值進(jìn)行分析計算的一套工程方法體系。標(biāo)么值是以某一量值大小為基準(zhǔn)的一個相對值，即：標(biāo)么制的優(yōu)點易于從量值上比較各種元件的特性參數(shù)。便于從量值的角度判斷電氣設(shè)備和系統(tǒng)參數(shù)的好壞。在有多個電壓等級的電網(wǎng)中，能極大地方便短路電流計算。標(biāo)么值法標(biāo)么制的基值所謂基準(zhǔn)值是衡量某個物理量的標(biāo)準(zhǔn)或尺度。例如我們選定：基準(zhǔn)容量Sj，基準(zhǔn)電壓Uj，基準(zhǔn)電流Ij和基準(zhǔn)電抗Xj，則供電系統(tǒng)中的容量S、電壓U、電流I和電抗X的標(biāo)么值可用上述的基準(zhǔn)值來表示。標(biāo)么值法標(biāo)么值法基準(zhǔn)量的選擇1、基準(zhǔn)量的選?。汗灿泄β蔛j

、電壓Uj

、電流Ij和電抗Xj等四個量。它們滿足歐姆定律和功率方程式的關(guān)系2、通常選擇Sj和Uj：基準(zhǔn)電壓Uj選線路各級平均電壓Uav；Sj=100MVA

選定基準(zhǔn)值后，S、U、I、X的標(biāo)么值見右邊的公式。3、式中各量的右上標(biāo)“*”表示標(biāo)么值右下標(biāo)“j”表示基準(zhǔn)值（一）輸電線路架空線路阻抗計算架空線路的阻抗中，電抗成分遠(yuǎn)大于電阻成分，可近似認(rèn)為其阻抗為純電抗。架空線路的標(biāo)么值為，取Uj=Uav，則有：供電系統(tǒng)中各元件電抗標(biāo)么值的計算輸電線路的單位長度電抗（二）變壓器變壓器的電抗基準(zhǔn)標(biāo)幺值為供電系統(tǒng)中各元件電抗標(biāo)么值的計算變壓器的額定容量供電系統(tǒng)中各元件電抗標(biāo)么值的計算（三）串聯(lián)電抗器計算

串聯(lián)電抗器的主要作用是限制短路電流的大小，一般用混凝土澆灌固定，故又稱為水泥電抗，其銘牌上給出的參數(shù)為額定電壓UN.L(kV)、額定電流IN.L(kA)、電抗百分?jǐn)?shù)XLR%。當(dāng)以Sj(MVA)、Uj(kV)為基值時，電抗標(biāo)么值為：供電系統(tǒng)中各元件電抗標(biāo)么值的計算（四）電源

Sk－變電站出口斷路器的短路容量

三相短路電流的計算無限大容量系統(tǒng)三相短路周期分量有效值的標(biāo)么值按下式計算:

由此可得三相短路電流周期分量有效值：

標(biāo)么值法計算的一般步驟選擇基準(zhǔn)量，一般為基準(zhǔn)功率Sj和基準(zhǔn)電壓Uj。Sj可選100MVA，或選系統(tǒng)中某個元件的額定容量?；鶞?zhǔn)電壓應(yīng)選短路點所在區(qū)段的平均電壓值。計算系統(tǒng)各元件阻抗的標(biāo)么值。繪制等效電路，圖上按順序標(biāo)出其阻抗值。求電源點至短路點的總阻抗。求短路電流的周期分量、沖擊電流和短路容量。例題某供電系統(tǒng)：A是電源母線，l1為架空線，l2為電纜，L為電抗器，整個系統(tǒng)并列運行。參數(shù)如下，試求短路點分別發(fā)生在K1、K2和K3點時的三相短路電流。Sk=560MVA，l1=20km，x01=0.4Ω/km，SNT=5600kVA，ΔUk%=7.5%，UNL=6kV，INL=200A，XL%=3，l2=0.5km，x02=0.08Ω/kmK1點等值電路圖：K2點等值電路圖：標(biāo)么值法總結(jié)基準(zhǔn)值原則上可以任選，但一般有約定。優(yōu)點：對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)計算方便，避免折算缺點：物理意義不明顯，有時可能計算錯誤。由于計算短路電流時經(jīng)常采用標(biāo)么值法，為簡化表達(dá)式，可以將上標(biāo)“*”省略，例如XS*可寫成XS供配電系統(tǒng)中最常見的是三相導(dǎo)體平行布置在同一平面里的情況。如圖所示當(dāng)三相導(dǎo)體中通以幅值的三相對稱正弦電流時，可以證明中間相受力最大，大小為：短路電流的點動力效應(yīng)考慮最嚴(yán)重的情形，即在三相短路情況下，導(dǎo)體中流過沖擊電流時，所承受的最大電動力為：上式就是選擇校驗電氣設(shè)備和母線在短路電流作用下所受沖擊力效應(yīng)的計算依據(jù)。短路電流力效應(yīng)短路電流的熱效應(yīng)電流通過電氣設(shè)備和載流導(dǎo)體時，由于電阻損耗、渦流以及磁滯損耗等轉(zhuǎn)變成熱能，使電氣設(shè)備和載流導(dǎo)體的溫度升高。當(dāng)發(fā)熱溫度超過一定數(shù)值時，就會引起導(dǎo)體機械強度的下降，絕緣材料的絕緣強度下降，導(dǎo)體連接部分的接觸情況惡化，從而使電氣設(shè)備的使用年限縮短，甚至損壞電氣設(shè)