電力系統(tǒng)短路故障

電力系統(tǒng)短路故障一、短路的一般概念電力系統(tǒng)應(yīng)該正常不間斷地供電，保證用戶生產(chǎn)和生活的正常進(jìn)行。但是當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，可能破壞電力系統(tǒng)正常運(yùn)行，從而影響用戶的生產(chǎn)和生活?！岸搪贰笔侵鸽娏ο到y(tǒng)中相與相之間或相與地之間，通過電弧或其他較小阻抗形成的一種非正常連接。電力系統(tǒng)中發(fā)生短路的原因有多種，歸納如下：1)電氣設(shè)備絕緣損壞。其原因有設(shè)計(jì)不合理、安裝不合格、維護(hù)不當(dāng)?shù)?，還有外界原因如架空線斷線、倒桿及挖溝時(shí)損壞電纜、雷擊或過電壓等。2)運(yùn)行人員誤操作。如帶負(fù)荷拉合隔離開關(guān)(刀閘)、帶地線合閘、誤將帶地線的設(shè)備投入等。3)其他原因。如鳥獸跨接導(dǎo)體造成短路等。電力系統(tǒng)短路的基本類型有：三相短路、兩相短路、單相接地短路、兩相接地短路等。各種短路故障示意圖和代表符號(hào)如表1-1所示，其中三相短路為對(duì)稱短路，其他為不對(duì)稱短路。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，電力系統(tǒng)中各種短路故障發(fā)生的幾率是不同的，其中發(fā)生三相短路的幾率最少，發(fā)生單相接地短路的幾率最大。在實(shí)際工程問題中，經(jīng)常需要計(jì)算短路電流，計(jì)算中涉及到如下概念：(1)無限大容量系統(tǒng)。無限大容量電力系統(tǒng)指，容量相對(duì)于被供電系統(tǒng)容量大得多的電力系統(tǒng)，其特征是，當(dāng)被供電系統(tǒng)中負(fù)荷變動(dòng)甚至發(fā)生短路故障，電力系統(tǒng)母線電壓及頻率基本維持不變。一般，電力系統(tǒng)等值電源阻抗不超過短路電路阻抗的5％～10％，或電力系統(tǒng)容量超過被供電系統(tǒng)容量50倍時(shí)，可視為無限大容量電力系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱無限大系統(tǒng)或無窮大系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用中對(duì)11OkV配電網(wǎng)，可將供電變壓器看作無窮大系統(tǒng)對(duì)11OkV配電網(wǎng)供電。(2)短路電流周期分量。電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，與正常負(fù)荷狀態(tài)相比，供電回路的阻抗大為減小，因此出現(xiàn)數(shù)值很大的短路電流。顯然，短路電流的大小由電源電壓和短路回路阻抗決定，電源電壓是正弦周期分量，與之對(duì)應(yīng)，產(chǎn)生的是短路電流中的周期分量。在計(jì)算中，通常求取的就是這個(gè)短路電流周期分量，即在非周期分量衰減完畢后的穩(wěn)態(tài)短路電流。(3)短路電流非周期分量。電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，線路和設(shè)備上流過負(fù)荷電流，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，在短路回路中將流過短路電流。由于短路回路存在電感，導(dǎo)致電流不能突變，因此，在電流變化的過渡過程中，將出現(xiàn)一個(gè)隨時(shí)間衰減的非周期分量電流，即短路電流中的非周期分量。(4)短路沖擊電流。短路全電流中的最大瞬時(shí)值稱為短路沖擊電流，其數(shù)值約為短路電流周期分量的1.8倍。二、三相對(duì)稱短路在電力系統(tǒng)的各種短路故障中，雖然三相短路發(fā)生的幾率最小，但其對(duì)電力系統(tǒng)的影響和危害最大。無窮大系統(tǒng)發(fā)生三相短路示意圖如圖1-9所示。三相短路時(shí)，三相仍然對(duì)稱，三相的短路回路完全相同，短路電流相等，相位互差120o因此只計(jì)算一相即可。根據(jù)電路計(jì)算原理，采用有名值計(jì)算三相短路電流周期分量如下：（1-1）式中——三相短路電流周期分量有效值；——等值電源線電動(dòng)勢(shì)，實(shí)際計(jì)算時(shí)可采用平均額定電壓；——短路回路總電抗，通常計(jì)算時(shí)不考慮回路的電阻。例1-1某電力系統(tǒng)如圖1-10所示，在母線B和母線C分別發(fā)生三相短路，試求短路點(diǎn)的短路電流周期分量。（等值電源電抗為，線路單位電抗為，變壓器T1、T2的額定容量為1000kVA、短路電壓為）解：（1）母線B三相短路。（2）母線C三相短路。計(jì)算時(shí)需要將等值電源電抗和線路電抗折算到0.4kV側(cè)，并計(jì)算變壓器電抗（詳細(xì)論述請(qǐng)參考電力系統(tǒng)故障分析計(jì)算的有關(guān)書籍）。三、不對(duì)稱短路電力系統(tǒng)不對(duì)稱短路包括兩相短路、兩相接地短路和單相接地短路。（一）序分量的概念當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱短路時(shí)，三相不再對(duì)稱，三相的電流和電壓數(shù)值也不再相等。如果將此不對(duì)稱的電流或電壓進(jìn)行分解，可以分解出正序分量、負(fù)序分量，對(duì)于接地短路還有零序分量，分別用下標(biāo)1、2和0表示。以電流為例，各序分量電流相量圖如圖1-11所示，對(duì)于工頻50Hz，正序電流三相對(duì)稱，即大小相等，相位互差120o；負(fù)序電流三相對(duì)稱，即大小相等，相位互差120o；但相序與正序電流相反；零序電流三相大小相等，相位相同。三相短路電流為（1-2）

可得零序電流為用瞬時(shí)值表示為顯然，電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)僅有正序分量。（二）短路電流1、兩相短路無窮大系統(tǒng)供電發(fā)生BC兩相短路示意圖如圖1-12所示。電力系統(tǒng)發(fā)生兩相短路，經(jīng)故障相和短路點(diǎn)構(gòu)成短路回路，由故障相電源的線電動(dòng)拋產(chǎn)生短路電流，流過故障線路，非故障線路沒有短路電流，因此出現(xiàn)三相不對(duì)稱。不在計(jì)負(fù)荷電流的情況下，三相的短路電流分別為（1-4）可見兩相短路時(shí)的特點(diǎn)是，三相不對(duì)稱，出現(xiàn)負(fù)序電流；只有故障相存在短路電流，且兩相的短路電流數(shù)值相等，相位相反。根據(jù)圖1-12，短路電流數(shù)值可計(jì)算如上： （1-5） 式中——兩相短路電流周期分量有效值?！戎惦娫淳€電動(dòng)勢(shì)，實(shí)際計(jì)算進(jìn)可以采用平均額定電壓；——一相短路回路總電抗。將式（1-5）與式（1-1）比較可得（1-6）式（1-6）說明，兩相短路電流數(shù)值為同一地點(diǎn)三相短路電流的0.866倍，在實(shí)際計(jì)算中，常常求出三相短路電流后，直接用以上關(guān)系得到兩相短路電流。2、單相接地短路（1）中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)。中性點(diǎn)直接接地的無窮大系統(tǒng)供電，發(fā)生A相單相接地短路示意圖如圖1-13所示。中性點(diǎn)直接接地電力系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，經(jīng)直接接地的中性點(diǎn)、故障相和短路點(diǎn)構(gòu)成短路回路，由故障相電源電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生短路電流，流過故障線路，非故障線路沒有短路電流，因此出現(xiàn)三相不對(duì)稱，在不計(jì)負(fù)荷電流的情況下，三相的短路電流分別為（1-7）可見單相接地短路時(shí)的特點(diǎn)是，三相不對(duì)稱，出現(xiàn)負(fù)序電流和零序電流；故障相存在短路電流，在圖1-13（b）中的數(shù)值為3I。關(guān)于單相接地短路電流計(jì)算及兩相接地短路問題需要用到復(fù)合序網(wǎng)等概念，在此不作介紹。（2）中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)。中性點(diǎn)不接地的無窮大系統(tǒng)供電，發(fā)生單相接相短路時(shí)的特點(diǎn)和短路電流分布見第三章的第三節(jié)。（三）短路特征根據(jù)以上分析