第1章配电网故障分析

1第一章配电网故障分析第一节配电网的三相短路电力系统发生短路故障时，将造成断路器跳闸。监控会听到蜂鸣器响，会看到控制回路的监视灯绿灯闪光、保护动作光字牌亮，有关回路的电流表、有功表、无功表的指示为零。如果有上述情况，说明系统有短路故障发生，应按照事故处理原则进行处理。三相短路和其它短路相比，三相短路时电流比其它短路时的短路电流大，对系统的冲击大。一、短路的基本知识（一）短路的定义及类型电网发生短路是最常见的一种型式。所谓短路是指电力网正常运行情况以外的一切相与相之间的短接，在中性点直接接地系统中还包括一相或多相接地。电力网中短路的基本类型有：三相短路、两相短路、单相接地短路和两相接地短路。分别用符号k(3)、k(2)、k(1)、k(1，1)、见图1-1。图1-1短路的类型a)三相短路b)两相短路c)单相接地短路d)两相接地短路2（二）短路产生的原因发生短路的主要原因是由于各种因素使电气设备的载流部分的绝缘损坏。这种损坏可能是由于设备长期运行使绝缘自然老化或由于设备本身不合格、绝缘强度不够而被正常电压击穿，或设备绝缘正常而被过电压(包括雷电过电压)击穿，或者是设备绝缘受到外力损伤而造成短路。工作人员由于未遵守安全操作规程而发生误操作，或者误将低电压的设备接入较高电压的电路中，也可能造成短路。另外，鸟兽跨越在裸露的相线之间或相线与接地物体之间，或者咬坏设备导线电缆的绝缘，也是导致短路的一个原因。（三）短路的危害短路后，短路电流比正常电流大得多；在大电力系统中，短路电流可达几万安甚至几十万安。如此大的短路电流可对供电系统产生极大的危害，即（1）短路时要产生很大的电动力和很高的温度，而使故障元件和短路电路中的其他元件损坏。（2）短路时电压下降较大，特别是离短路点越近电压下降越厉害，严重影响电气设备的正常运行。（3）短路可造成停电，而且短路点越靠近电源，停电范围越大，给国民经济造成的损失也越大。（4）严重的短路要影响电力系统运行的稳定性，可使并列运行的发电机组失去同步，造成系统解列。（5）不对称短路，将产生零序电流，由此产生的磁场，对附近的通信线路、电子设备等产生干扰，影响其正常运行，甚至使之发生误动作。由此可见，短路的后果是十分严重的，因此必须尽力设法消除可能引起短路的一切因素；同时需要进行短路电流计算，以便正确地选择电气设备，使设备具有足够的动稳定性和热稳定性，以保证在发生可能有的最大短路电流时不致损坏。为了选择切除短路故障的开关设备、整定继电保护装置的动作值等也必须计算短路电流。二、三相短路的分析（一）无限大容量电力系统发生三相短路时的物理过程无限大容量电力系统，指其容量相对于用户供电系统容量大得多的电力系统，当用户供电系统的负荷变动甚至发生短路时，电力系统变电所母线上的电压能基本维持不变。如果电力系统的电源总阻抗不超过短路电路总阻抗的5%~10%，或电力系统容量超过用户供电系统容量50倍时，可将电力系统视为无限大容量系统。对一般工厂供电系统来说，由于工厂供电系统的容量远比电力系统总容量小，而阻抗又较电力系统大得多，因此工厂供电系统内发生短路时，电力系统变电所线上的电压几乎维持3不变，也就是说可将电力系统视为无限大容量的电源。图1-2（a）是一个电源为无限大容量的供电系统发生三相短路的电路图。图中RwL、XwL为线路(WL)的电阻和电抗，RL、XL为负荷(L)的电阻和电抗。由于三相对称，因此这一三相短路的电路可用图1-2（b）的等效单相电路图来分析。设电源相电压为u=Um/3sinωt，Um为短路处电网额定电压的最大值，则正常负荷电流为i=Imsin(ωt-)，现t=0时突然短路(等效为开关闭合)，根据电路理论，突然短路时的电路方程式为RΣik+LΣdik/dt=Um/3sinωt式中RΣ为短路电路的总电阻，LΣ为短路电路的总电感，ik为短路电流瞬时值。图1-2无限大容量电力系统中发生三相短路a)三相电路图b)等值单相解式1-1的方程得ik=ip+inp=Ikmsin(ωt-k)+(Ikmsink-Imsin)e-t/τ式中ip——短路电流周期分量；ipn——短路电流周期分量。由上式可以看出，当t→∞时，inp→0，这时ik=ik∞=Im∞sin(ωt-φ)式中Im∞——短路电流稳态分量的最大值。上述分析也可用图1-3来表示。由图1-3可以看出，短路电流在到达稳定值之前，要经过一个暂态过程。这一暂态过程是短路电流非周期分量存在的那段时间。从物理概念上讲，短路电流周期分量的增大是因短路后电路阻抗突然减小很多倍引起的；短路电流非周期分量的存在是由于短路电路中有电抗，电路电流不可以突变而引起的。（二）三相短路电流的计算1、短路电流的计算程序和方法三相短路电流的计算首先要给出计算电路图，如图1-4所示。在计算电路图上，将短路4计算所需考虑的各元件的额定参数都表示出来，并将各元件依次编号，然后确定短路计算点。短路计算点要选择得使需要进行短路校验的电气元件有最大可能的短路电流通过。图1-3无限大容量电力系统发生三相短路时的电压、电流变化曲线图1-4计算电路图接着，按所选择的短路计算点给出等效电路图，如图1-5所示，并计算电路中各主要元件的阻抗。在等效电路图上，只需将被计算的短路电流所流经的一些主要元件表示出来，并标明其序号和阻抗值，一般是分子标序号，分母标电抗值。然后将等效电路化简。对于工厂供电系统来说，由于将电力系统当作无限大容量电源，而且短路电路也比较简单，因此一般只需采用阻抗串、并联的方法即可将电路化简，求出其等效总阻抗。最后计算短路电流和短路容量。图1-5等效电路图5短路电流计算的方法，常用的有名单位制法和标么制法。一般采用标么制计算。这时仅介绍标么制法。采用标么制法进行短路电流计算因无需进行电压的换算，所以被广泛地采用。2、采用标么制法进行短路计算（1）标么制的定义标么制法即相对单位制法。所谓标么值就是任一物理量的实际值与所选定的基准值的比。*dA=A/Ad（2）系统各元件的电抗标么值采用标么制法进行短路计算时，一般先选定基准容量Sd和基准电压Ud。基准容量Sd通常取100MVA，基准电压通常取元件所在处的平均电压，Ud=Uav，平均电压为额定电压的1.05倍，即10kV取10.5kV，35kV取37kV，110kV取115kV。选定基准容量Sd和基准电压Ud后可求出基准电流Id和基准电抗Xd。Id=ddUS3=avdUS3dX=ddIU3=davSU2系统各元件的电抗标么值为（选定基准容量为Sd和基准电压为Ud）：1）电源的电抗标么值为*SX=Xs/Xd=X”dSd/SsX”d——电源电抗的标么值（电源自己的基准下）；Ss——电源的容量。2)变压器的电抗标么值为*TX=XT/Xd=(Uk%/100)Sd/SNSN——变压器的额定容量。3）电力线路的电抗标么值*WLX=XWL/Xd=X0lSd/U2dl——导线的长度（km）。短路电路中各主要元件的电抗标么值求出以后，即可利用其等效电路图（图1-5）进行6电路简化，计算出其总电抗的标么值*X。（3）无限大容量系统三相短路电流的计算1）三相短路电流周期分量有效值的计算三相短路电流周期分量的标么值为：*)3(kI=I(3)k/Id=(Ud/3XΣ)/(Sd/3Ud)=(U2d/Sd)XΣ=1/*X三相短路电流周期分量的有效值为：I(3)k=*)3(kIId=Id/*X冲击电流：)3(shi=2.55I(3)k2）三相短路容量的计算S(3)k=3UdI(3)k=3UdId/*X=Sd/*X短路计算时，为了便于计算，电压的单位用kV，容量的单位用MVA，则电流的单位为kA。例1-1某供电系统如图1-6所示。试求工厂变电所高压侧10kV母线上k-1点和低压侧0.38kV母线上发生三相短路时的短路电流和短路容量。图1-6例1-1的计算电路图已知电源为无限大容量供电系统，架空线长为5km，电抗为0.4Ω/km；变压器的容量为2×1000kVA，短路电压为Ud%=4.5。解1.确定基准值取Sd=100MVA，Ud=Uav，则k-1点短路时的基准电流为Id1=Sd/3Ud1=100/（3×10.5）=5.50(kA)k-2点短路时的基准电流为7Id2=Sd/3Ud2=100/（3×0.4）=144(kA)2.计算短路电路中各元件的电抗标么值1）电力系统系统容量为无限大容量，*1X=02）架空线路(架空线路每公里的电抗约为0.4)*2X=0.4×5×(100/10.52）=1.813）变压器*3X=*4X=(Uk%/100)Sd/SN=(4.5/100)×100/1=4.5等效电路图如图1-7所示，图上标出各元件的序号和电抗标么值，并应标出短路点。图1-7例1-1的短路等效电路图3、求k-1点短路时的短路电流和短路容量*1X=*2X=1.81三相短路电流周期分量的有效值为Ik1=Id1/*1X=5.50/1.81=3.04（kA）冲击电流为)3(shi=2.55×3.04=7.75（kA）三相短路容量为31kS=Sd/*1X=100/1.81=55.25（kA）4．求k-2点短路时的短路电流和短路容量*2X=*2X+*3X//*4X=1.72+4.5/2=3.97三相短路电流周期分量的有效值为8Ik2=Id2/*2X=144/3.97=36.27（kA）冲击电流为)3(shi)=2.55×36.27=92.51（kA）三相短路容量为32kS=Sd/*2X=100/3.97=25.19（kA）电力系统中，最容易发生的不是三相短路而是单相短路，但三相短路所产生的冲击最大。分析三相短路主要是为了保护整定，设备选择及其核验。第二节单相短路的分析电力系统按中性点接地方式的不同，分为中性点直接接地系统、中性点不接地系统，中性点消弧线圈或经电阻接地系统等。中性点直接接地系统称为大接地电流系统。中性点不接地和经消弧线圈接地的系统，称为小接地电流系统。对小接地电流系统来说，单相接地运行时间不得超过2h，这主要是受电压互感器和消弧线圈带接地允许运行时间的限制。毕竟单相接地是电力系统的一种异常状态，而且如果又发生另一相接地，或不同线路不同相接地，则会形成相间接地短路，造成出线断路器或母线断路器跳闸的事故。因此，发生单相接地后，应加强监视，及时汇报和处理。1、接地故障的判断在某些情况下，系统的绝缘没有损坏，而因其它原因，产生某些不对称状态，例如:电压互感器一相高压熔断器熔断，用变压器对空载母线合闸充电等，可能报出接地信号。所以应注意区分判断。(1)用对比法判断。在同一个电气系统中，如几组电压互感器同时出现接地信号，绝缘监视对地电压均发生相同的变化(如一相电压下降或为零，其它两相电压升为线电压)，且线电压不变，则应判断为接地。而电压互感器高压熔断器一相熔断，虽报出接地信号，但其对地电压一相降低，另二相不会升高，线电压指示则会降低。(2)根据消弧线圈的仪表指示进行判断。如线路有接地，变压器中性点将出现位移电压，该电压加在所接消弧线圈上，它的电压表、电流表将有指示。通过检查这些表计就可以确定系统的接地情况。(3)根据系统运行方式有无变化进行判断。用变压器对空载母线充电时，断路器三相合闸不同期，三相对地电容不平衡，使中性点位移，三相电压不对称，故报出接地信号。这9种情况是系统中有倒运行方式操作时发生的，且是暂时的，当投入一条线路时即可消失。(4)用验电器进行判断。例如对系统三相带电导体验电，发现一相不亮，其它两相亮，同时在设备的中性点上验电，电器也亮(说明有位移电压)，则证明系统有单相接地，并接地故障发生在验电器验电不亮的那一相上。2、单相接地故障的处理当发生接地时，值班员应记录接地时间、接地相别，零序电压及消弧线圈电压和电流值。然后根据当时的具体情况穿上绝缘靴，详细检查所内设备。若所内有接地点，巡视人员不得靠近(室内不得接近接地点4m，室外不得接近接地点8m)。若不是所内设备接地，应考虑是输电线路接地。此时，应按上述的拉路试验顺序进行查找，查找和处理时必须两人进行并互相配合。接地点查