《工厂供电》第4章__短路电流及其效应的计算

第4章短路电流及其效应的计算第4章短路电流及其效应的计算•4.1短路的基本概念•4.2三相短路过程的简化分析•4.3无穷大容量系统三相短路电流计算•4.4低压电网中的短路计算•4.5两相和单相短路电流计算•4.6短路电流的效应4.1短路的基本概念•短路就是电源未经过负载而直接由导线接通成闭合回路。1、短路产生很大的热量，导体温度升高，将绝缘损坏。2、短路产生巨大的电动力，使电气设备受到机械损坏。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、严重的短路将电力系统运行的稳定性，使同步发电机失步。5、单相短路产生的不平衡磁场，对通信线路和弱电设备产生严重的电磁干扰。6、短路造成停电，给国民经济带来损失，给人民生活带来不便。一、短路的危害二、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。(2)运行人员不遵守操作规程，如带负荷拉、合隔离开关，检修后忘拆除地线合闸。(3)鸟兽跨越在裸露导体上。•三相短路、两相短路、单相短路和两相接地短路三、短路的种类四、短路电流计算的目的•确保电器设备在短路情况下不致损坏，减轻短路危害和防止故障扩大•1、正确地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•在现代工业企业供电系统中，单相短路电流的最大可能值通常不超过三相短路电流的最大可能值,故今后我们在进行短路电流的计算时，均按三相短路来进行。只有在校验继电保护灵敏度时，才需要进行两相短路电流计算。4.2三相短路过程的简化分析短路发生后，系统就由工作状态经过一个暂态过程，然后进入短路后的稳定状态。电力系统的短路故障往往是突然发生的。暂态过程虽然时间很短，但它对电气设备的危害远比稳态短路电流要严重得多。短路电流的暂态过程的变化与电源系统的容量有关，一般分成无限大容量电源系统和有限容量电源系统当供配电系统容量较电力系统容量小得多，电力系统阻抗不超过短路回路总阻抗的5%-10%，或短路点离电源的电气距离足够远，发生短路时电力系统的母线压降很小，此时可以把电力系统看作无限大容量系统一、无限大容量系统所谓“无限大容量系统”指端电压保持恒定，没有内部阻抗以及容量无限大的系统。无限大容量系统：US=常数α，XS=0,SS=∞二、无限大容量系统三相短路暂态过程阻抗角式中，电流幅值正常运行电流为1、正常运行设电源相电压为sin()muUtsin()miItarctankLkLxxrr22()()mmkLkLUIrrxx无限大容量系统三相短路图（b）三相电路图（c）单相等效电路图2、三相短路分析（1）定性分析：三相短路，阻抗突变，发生暂态过渡过程，k点右侧，没有电源，电流衰减到零，k点左侧有电源，L↓,I↑,I不突变，出现周期容量（2）定量分析：短路电流应满足微分方程sin()kkkkmdiLriUtdt式中，kikrkL相电流瞬时值由电源至短路点之间的电阻由电源至短路点之间的电感设在图中K点发生三相短路。其解为sin()fitTkzmdiItCe式中，ZdfiT由电源至短路点之间的阻抗短路电流与电压之间的相位差角，非周期分量电流衰减时间常数C常数，其值由初始条件决定22()ZrLarctandLrmzmUIZzmI周期分量电流幅值kfikLTr在短路瞬间t=0时，短路前工作电流与短路后短路电流相等，即0sin()sin()mzmdiIIC短路全电流瞬时值为：sin()sin()mzmdfiCIIi非周期分量电流的初始值式中，fii短路前电流与电压之间的相位差角sin()[sin()sin()]fitTkzmdmzmdpnpiItIIeii无限大容量系统三相短路时的短路电流波形图3、最严重三相短路的短路电流三相短路时的相量图短路电流非周期分量的初值等于相量和之差在纵坐标上的投影mUmIzmI电源电压相量工作电流相量短路电流周期分量相量mIzmI产生最严重短路电流的条件：(1)短路前空载或cosΦ=1(2)短路瞬时电压过零α=0或1800(3)短路回路纯电感将Im=0,α=0,代入，得cosfitTkzmzmiItIesin()[sin()sin()]fitTkzmdmzmdiItIIe无载线路合闸严重短路90d90d最严重三相短路时的电流波形图三、有限容量电源供电系统三相短路的过渡过程•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。•分析过渡过程（略）IpmtI2ipi正常状态短路暂态过程短路稳定状态4-7(b)uii(t=0)ishiKiap(t=0)Ip(t=0）无自动励磁调节装置的发动机短路电流变化曲线iKipiapIpmt2Iiap(t=0)Ip(t=0）ui短路暂态过程正常状态短路稳定状态i(t=0)有自动励磁调节装置四、三相短路的有关物理量0.010.01(0.01)(1)2''fifiTTchktszmzmzmchiiIIeIeIkchi1、短路冲击电流短路冲击电流是短路全电流的最大瞬时值，出现在短路后半个周期，即t=0.01秒时，得为短路电流冲击系数。0.011fiTchke纯电阻性电路，kch=1；纯电感性电路，kch=2。因此0≤kch≤2。高压Kch=1.8低压Kch=1.32.55''chiI1.84''chiI2、短路冲击电流有效值Ich是短路后第一个周期的短路全电流有效值。高压系统Kch=1.8低压系统Kch=1.30.012''2''2''201()(2)12(1)fiTTchpnpchIiidtIIeIkT1.52''chII1.09''chII3、次暂态短路电流I″次暂态短路电流是短路电流周期分量在短路后第一个周期的有效值,用I″表示。在无限大容量系统中，短路电流周期分量不衰减，即I″=IP；4、短路电流周期分量有效值IP式中，Uav=1.05UN（kV）线路平均额定电压；(Ω)为短路回路总阻抗。3avpkUIZ22kkkZrx5、稳态短路电流I∞稳态短路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I∞表示。在无限大容量系统中，I∞＝Ip。6、短路容量SK三相短路容量是选择断路器时，校验其断路能力的依据，它根据计算电压即平均额定电压进行计算，即式中，SK为三相短路容量（MVA）；Uav为短路点所在级的线路平均额定电压（kV）；Ik为短路电流（kA）。4.3无限大容量系统三相短路电流计算通常采用标幺值计算，以简化计算，便于比较分析。一、标幺制用相对值表示元件的物理量，称为标幺制。容量、电压、电流、阻抗的标幺值分别为标么值有单位的实际值与实际值同单位的基准值****jjjjjjjjSUIXSUIXSUIX基准值的选取是任意的，但为简化计算，取Sd=100MVA,。通常选定基准容量和基准电压，按下式求出基准电流和基准阻抗。3jjjSIU23jjjjjUUZSI额定电压(kV)2201103510630.380.22平均电压(kV)2301153710.56.33.150.40.23电力系统的平均电压二、短路回路元件的标幺值阻抗1、发电机式中，XF为发电机的电抗(Ω/km),Sn为基准容量(MVA)，Un为线路所在电压等级的基准电压(kV)。*2nFnFnSXXU2**2jnFFFnjnjSUXXXXSU2、变压器的电抗标幺值式中，SN为额定容量（MVA）和Ud%为阻抗电压。2*2%%%()100100100jdjjdndBBjnjnnSUSSUUUXXXSUSS2%100dnBnUUXS3、电抗器的电抗标幺值式中，U.N电抗器的额定电压、I.N为电抗器的额定电流、XL%电抗器的电抗百分数*223%%%10010031003jjjjkknknknkjjjjnnnSUIIXXUXUXUXXUUUIII%1003knknXUXI4、线路的电抗标幺值式中，l为线路长度（km），X0为线路单位长度的电抗（Ω/km）,Sd为基准容量（MVA），Ud为线路所在电压等级的基准电压（kV）。0LXxl0*2jLLjjxlSXXXU5．电力系统的电抗标幺值①无限大容量系统XS=0②已知系统电抗有名值XS③已知系统的短路容量SK④已知系统出口断路器的短路容量SOC*2dssdSxxU*dsKSxS2*2ddddssdocSUSSxxUSSS6．短路回路总阻抗若时，可略去电阻，**2*2kkkZRX**13kkRX**kkZX三、三相短路电流计算无限大容量系统发生三相短路时，短路电流的周期分量的幅值和有效值保持不变，短路电流的有关物理量I″、Ich、ich、I∞和Sk都与短路电流周期分量有关。因此，只要算出短路电流周期分量的有效值，短路其它各量按前述公式很容易求得，采用的标幺值计算。而故1．三相短路电流周期分量有效值短路电流周期分量有效值的标幺值等于短路回路总阻抗标幺值的倒数。即短路电流周期分量有效值为***213333avddddkkkkdkddUUUSSIZZZZZUU3dddSIU*dkkIIZ**1kkIZ*kkdIII2、冲击短路电流冲击短路电流和冲击短路电流有效值为高压ich=2.55IKIch=1.52IK低压ich=1.84IKIch=1.09IK3、三相短路容量或上式表示，三相短路容量数值上等于基准容量与三相短路电流标幺值或与三相短路容量标幺值的乘积，三相短路容量的标幺值等于三相短路电流的标幺值。2chchkikI12(1)chchkIkI*dkkSSZ***33dkavkddkdkkISUIUSISSZ4、短路电流的计算步骤①画出短路计算系统图，包含与短路计算所有元件的单线系统，标出元件的参数，短路点。②画出短路计算系统图的等值电路图，一个元件用一个电抗表示，电源用一个小圆表示，并标出短路点，同时标出元件的序号和阻抗值，一般分子标序号，分母标阻抗值。③选基准容量和基准电压，计算元件的标幺值电抗。⑤计算短路电流标幺值，短路电流有名值和短路其它各量。即短路电流、冲击短路电流和三相短路容量。④简化等值电路图，求出短路总阻抗标幺值。简化时电路的各种简化方法都可以使用，如串联、并联、Δ-Y或Y-Δ变换、等电位法等。例3-1试求图中供电系统总降变电所10kV母线上K1点和车间变电所380V母线上K2点发生三相短路时的短路电流和短路容量，以及K2点三相短路流经变压器3T一次绕组的短路电流。Soc=1000MVA5km1km解：1．由上面短路电流计算系统图画出短路电流计算等效电路图,如下图所示。由断路器断流容量估算系统电抗，用X1表示。2．取基准容量Sj=100MVA，基准电压Uj=Uav，三个电压的基准电压分别为:计算各元件电抗标幺值:12337;10.5;0.4;jjjUkVUkVUkV1100/10000.1jocXSS线路1WL变压器1T和2T线路2WL变压器3T系统S3、计算K1点三相短路时的短路电流（1）计算短路回路总阻抗标幺值,短路回路总阻抗为（2）计算K1点所在电压级的基准电流（3）计算短路电流各值*4．计算K2点三相短路时的短路电流（1）计算短路回路总阻抗标幺值，短路回路总阻抗标幺值为（2）计算K2点所在电压级的基准电流（3）计算K2点三相短路时短路各量5．计算K2点三相短路流经变压器3T一次绕组的短路电流I'K2,有二种计算方法。（1）方法1由短路计算等效电路图中可看出:K2点短路时流经变压器3T一次绕组的三相短路电流标幺值与短路点K2的短路电流标幺值相同，用变压器3T一次绕组所