第三章__短路电流计算.

1第三章短路电流计算本章讨论供配电系统在短路故障情况下的短路电流计算方法，其目的主要是供母线，电缆，设备的选择和继电保护整定计算用。第一节概述第二节三相短路过渡过程分析第三节供电系统电气元件参数计算第四节短路电流计算第五节电网短路电流计算中的特殊问题第六节短路电流力效应和热效应分析短路是指电力系统正常运行之外的相与相或相与地之间的“短接”。短接包括：1.金属性连接2.经小阻抗连接2预备知识小接地系统与大接地系统小接地系统电源中性点与大地隔离或经大电抗线圈连接。大接地系统电源中性点与大地直接金属性连接。常用于工业企业供电系统常用于高压输电系统ABCABC3接地装置由接地连接线和接地体构成4接地电阻测量仪5接地变压器为三相变压器（或三相电抗器），常用来为无中性点的系统提供一个人工的、可带负载的中性点，供系统接地使用。其接地方式有：直接接地，与接地电抗器、电阻或消弧线圈组合接地。接地变压器可带一个供连续使用的低电压的二次绕组作为变电站辅助电源。接地变压器内部预备知识接地变压器外部ABCABC6消弧线圈消弧线圈是一个装设于配电网中性点的可调电感线圈，当电网发生单相接地故障时，消弧线圈的作用是提供一个电感电流，补偿单相接地的电容电流，使电容电流减小到规定值以下；同时，也使得故障相接地电弧两端的恢复电压速度降低，达到自动熄灭电弧的目的。消弧线圈的电抗或电流通过有载(无载)分接开关调节。预备知识7原理——根据系统运行方式及发展情况，确定消弧线圈在过补偿条件下的额定容量，即可确定在接地故障时可提供的电感电流。增设消弧线圈二次电容负荷绕组，同时在该消弧线圈的二次绕组上并联若干只（一般为四至五只）低压电容器，通过控制器控制二次电容器投入的数量，来调节消弧线圈二次容抗的大小，从而改变消弧线圈一次侧电感电流的大小。电力系统正常运行时，消弧线圈装置工作在最大过补偿状态，保证电网中性点不高于电网额定相电压的15%，控制器实时监测电网线路的对地总容抗，从而计算出所需补偿的电感电流值。调容式消弧线圈装置装置构成图8第一节概述一短路的种类三相短路，两相短路，单相短路和两相接地短路（仅大接地系统有）。（a、b为小接地系统，c、d为大接地系统）(3)k()2k()1k()1,1k65%20%10%5%三相交流系统危害较大的短路类型主要有：9二短路的原因（1）电力系统中电器设备载流导体的绝缘损坏。造成绝缘损坏的原因主要有设备绝缘自然老化，操作过电压，大气过电压，绝缘受到机械损伤等。（3）运行人员不遵守操作规程，如带负荷拉、合隔离开关，检修后忘却拆除地线合闸等非正常操作(人员过失)。（4）鸟兽跨越在裸露导体上等意外故障。第一节概述元件损坏、气象条件恶化、人员过失、其他原因。（2）气象条件恶化10三短路的危害（1）短路产生很大的热量，导体温度升高，将导体绝缘破坏。（2）短路产生巨大的电动力，使电气设备受到机械破坏。（3）短路使系统电压降低，电流升高，电器设备正常工作受到破坏。（4）短路造成停电，给国民经济带来损失，给人民生活带来不便。（5）严重的短路将影响电力系统运行的稳定性，使同步发电机失步。（6）单相短路产生不平衡磁场，对通信线路和弱电设备产生严重电磁干扰。第一节概述11四短路电流计算的目的（1）正确选择和校验各种电器设备。（2）计算和整定保护短路的继电保护装置。（3）选择限制短路电流的电器设备。（4）研究短路对用户工作的影响。第一节概述12五短路电流计算的主要参数（1）次暂态短路电流（有效值）。（2）短路电流最大值（瞬时值）。（3）短路电流最大有效值（有效值）。（4）短路电流稳态值（有效值）。第一节概述shIIshiI13第二节三相短路过渡过程分析一无限大容量三相短路分析sin()sin()mmuUtiItsin()muUtzz(,)RL线路负载i(,)RL工作负载'()arctanLLRR～负载Msin()uUtamsin(120)uUtmbsin(240)uUtcm其中：'||mmUIZZ～短路时刻（t=0）前，供电回路的电压电流方程为：为电源电压初相角为电源电压角频率14第二节三相短路过渡过程分析一无限大容量三相短路分析当在t=0时刻，发生短路sin()kmkdiUtRiLdt图3-3无限大系统三相短路电路图图3-4无限大系统三相短路单相等值电路图sin()muUtzz(,)RL线路负载ki(,)RL工作负载～负载Ksin()uUtamsin(120)uUtmbsin(240)uUtcmK从短路时刻（t=0）开始，短路回路的电压方程为：M为电源电压初相角为电源电压角频率～15sin()sin()mpmkAII00iik为短路回路的阻抗角，arctankLR一无限大容量三相短路分析求解上述微分方程，得到：()sin()sin()||RtmLkkRpkptLapmItUitAeZAeii周期分非周期分量量其中：由于感性电路在短路瞬间电流不能突变，由此特征求解A值：sin())sin(pmkmtIAIt||mpmUIZ得：pmI为短路电流周期分量幅值，第二节三相短路过渡过程分析16sin()[sin()sin()]atTkpmkmpmkiItIIeaT：非周期分量衰减时间常数，aLTR一无限大容量三相短路分析将A带入的表达式，得到短路后短路电流随时间变化的表达式：ki第二节三相短路过渡过程分析决定非周期分量按指数规律衰减的快慢短路发生在高压电网时：0.05aTs短路发生在发电机附近时：0.2aTspi周期分量部分api非周期分量部分17二产生最大短路电流的条件（1）线路近似于纯感性（，）LR90kcos()[sin()cos]atTkpmmpmiItIIe（2）当发生短路瞬间，电压瞬时值过零（）cos[sin]atTkpmmpmiItIIe（3）如短路前，线路空载（）0mIcosatTkpmpmiItIe0第二节三相短路过渡过程分析sin()[sin()sin()]atTkpmkmpmkiItIIe18二产生最大短路电流的条件满足上述三个条件的短路，称为无载线路合闸严重短路cos()atTkpmpmiItIe三个短路相电流分别为coscos(120cos(240aaatTkapmpmtTkbpmpmtTkbpmpmiItIeiItIeiItIe））※只有电压瞬时值过零的那一相才有最大短路电流产生。第二节三相短路过渡过程分析19二产生最大短路电流的条件三相短路时最严重相的电流波形图第二节三相短路过渡过程分析201、——次暂态短路电流周期分量有效值))()()ptptpttIIIIIII短路中任一时刻短路瞬间（短路瞬间（短路中任一时刻无限大容量电路有限大容量电路（）2pmII,,,三的确定shshIiIII第二节三相短路过渡过程分析212、——短路电流冲击值短路冲击电流是短路全电流的瞬时最大值，出现在短路后半个周期位置，即t=0.01秒时刻。cosatTkpmpmiItIe0.01220.010.01coscos2(1)2aaatTTaTkpmpmpmpmtTtTTpmpmphpsshiItIeIIeIIeIeIiK0.011aTshKe——冲击系数,,,三的确定shshIiIIshi因为第二节三相短路过渡过程分析其中：220.010.0102001ashaashLRTeKLTRRLTeK纯电感电路纯电阻电路11.8,2.5511.3,1.84shshpshshpkVKiIkVKiI当短路点位于高压系统时（以上）：当短路点位于低压系统时（以下）：,,,三的确定shshIiII第二节三相短路过渡过程分析233、——短路电流冲击有效值22220000222111()(2(-1))12(1-12)TapaptTpapTTTshpappapiipshppshIiidtidtidtTTTIkIIiidtTk:1.8,1.51:1.3,1.09shshpshshpkIIkII高压系统低压系统,,,三的确定shshIiII短路冲击电流有效值是短路后第一个周期的短路全电流有效值。shI第二节三相短路过渡过程分析244、——短路电流稳态值短路稳态电流有效值是短路电流非周期分量衰减完后的短路电流有效值，用表示。在无限大容量系统中，在有限大容量系统中，,,,三的确定shshIiIIIIpII|pttII第二节三相短路过渡过程分析25主要指同步发电机及其附近发生三相突然短路不能当作“无限大”系统的情况1）发电机端点或端点附近发生短路；2）短路点虽离发电机较远，但发电机容量有限。表象原因：有限容量电源系统，是和无限大容量电源系统相对而言的。在这种系统中发生短路时，或因电源容量较小，或是短路点靠近电源，这时电源的母线电压不能继续维持恒定。四有限容量电源供电系统三相短路分析第二节三相短路过渡过程分析26四有限容量电源供电系统三相短路分析本质原因：在以上地点发生三相突然短路时，由于短路电流所造成的强烈去电枢磁性反应，使发电机端口电动势和内部电抗在短路的暂态过程中发生变化，相应的短路电流周期分量的振幅也随之变化，这是与无限大系统相区别的地方。分析过渡过程时，要考虑各部分磁通和定子绕组阻抗的变化。第二节三相短路过渡过程分析同步发电机发生三相突然短路27同步发电机主磁通变化同步发电机发生三相突然短路四有限容量电源供电系统三相短路分析电枢磁势Fa与励磁磁势Ff反向，合成磁势的幅值减小，此时电枢反应性质为直轴去磁电枢反应。28突然短路后的几个阶段同步发电机发生三相突然短路四有限容量电源供电系统三相短路分析短路电流周期分量最大值Ipm29突然短路后定子绕组电抗的变化同步发电机发生三相突然短路四有限容量电源供电系统三相短路分析阻尼绕组阻尼绕组励磁绕组励磁绕组阻尼绕组阻尼绕组30突然短路后电流的衰减同步发电机发生三相突然短路四有限容量电源供电系统三相短路分析定子电流周期性分量的最大值为Im″=E0m/xd″;当阻尼绕组中感应电流分量衰减完毕后，电枢反应磁通可以穿过阻尼绕组，电流幅值变为Im′=E0m/xd′;当励磁绕组中的感应电流分量也衰减完毕后，达到稳态短路电流，电枢反应磁通可以穿过励磁绕组，电流幅值变为Im=E0m/xd。当A相绕组交链的空载磁通为零时出现短路，A相短路电流的衰减过程如下图所示短路发生的时刻不同，其短路电流的值也不同，在最恶劣的情况下发生短路时可能出现的最大电流值称为冲击电流im″，其值可达额定电流的10-20倍，它出现在短路后半个周波时刻。考虑到衰减，冲击电流im″=KshIm″，其中Ksh称为冲击系数，取值范围为1.8-1.9。31发电机突然短路对发电机的影响同步发电机发生三相突然短路四有限容量电源供电系统三相短路分析1.定子绕组的端部受到很大的电磁力的作用，使绕组变形：定子绕组端部与转子绕组端部相互间的作用力F1；定子绕组端部与铁心之间的作用力F2。定子绕组端部相互间的作用力F3；2.转轴受到很大的电磁力矩作用，使振动加剧（转子绕组端部受到的作用力F1所引起）；3.短路电流很大，会引起绕组过热。32短路电流的周期分量式中：----次暂态短路电流的有效值；----暂态短路电流的有效值；----稳态短路电流的有效值；----次暂态分量电流衰减的时间常数；----暂态分量电流衰减的时间常数。从