工厂供电第3章..

工厂供电2020/2/9第三章短路电流计算1工厂供电系统要求不间断地对用电负荷供电，以保证工厂生产和生活的正常进行。由于各种原因，难免出现故障，使系统的正常运行受到破坏。其中对系统危害最大、最常见的故障就是短路。第三章短路电流计算指电力系统或供配电系统中，不同相之间，相与中线或地线之间的直接金属性连接或经小阻抗连接。短路：工厂供电2020/2/9第三章短路电流计算2第一节短路概述第二节无限大容量系统三相短路分析第三节无限大容量系统三相短路电流计算第四节两相和单相短路电流计算第五节短路电流的效应工厂供电2020/2/9第三章短路电流计算3第一节短路概述IkIkIka)C电源0BA(3)k负荷(3)(3)(3)一、短路的种类对称短路：三相短路k（3）不对称短路：单相接地短路k（1）两相接地短路k（1,1）两相短路k（2）电源0b)CIkBAIk(2)k负荷(2)(2)工厂供电2020/2/9第三章短路电流计算4负荷0c)C(1)kIk(1)电源BA负荷0d)NC(1)kIk(1)电源BA单相接地短路k（1）两相接地短路k（1,1）(1,1)e)CkI0电源ABkI(1,1)k(1,1)负荷(1,1)f)CkIkIA0电源kIB(1,1)负荷(1,1)kk工厂供电2020/2/9第三章短路电流计算5二、短路的原因（3）鸟、兽跨越在裸露导体上构成短路。（4）雷击或过电压击穿。（1）电力系统中电器设备及载流导体长期运行造成的绝缘损坏。绝缘损坏的主要原因有：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）误操作，工作人员未遵守安全操作规（如带负荷拉闸）而发生的误操作及误接线造成，这类故障占全部故障的70％。在某热电厂高压配电室检修508号油开关过程中，电工曲某下蹲时，臀部无意中碰到了508号油开关上面编号为5081的隔离刀闸的传力拐臂杆，导致5081隔离刀闸动、静触头接触，刀闸被误合，使该工厂电力系统502、500油开关由于“过流保护”装置动作而跳闸，6kV高压二段母线和部分380V母线均失电，2号、3号锅炉停止工作40多分钟，1号发电机停止工作1小时。某变电站接调度令，停某10KV线路。操作员按照规定写好拉2#隔离开关操作票，与监护员一起进行了演练，拿着2#隔离开关的钥匙去现场操作。当时正在严令处理电气误操作问题。如果出现误操作就会解除劳动合同。两人一边走一边议论，要小心一点，别把自己拉回家。说着错走到1#隔离开关前面唱票，用2#钥匙开1#锁，未开，回去换了1#钥匙，拉开1#隔离开关，造成线路停电，两人受到处分。工厂供电2020/2/9第三章短路电流计算65.最严重的短路将破坏电力系统运行的稳定性，使同步发电机失步而解列，破坏系统的稳定性。三、短路的危害短路时，短路电流可达几万安到几十万安。1.短路电流的热效应，导体温度急剧升高，将绝缘损坏，甚至烧毁设备。2.短路电流的力效应，短路产生巨大的电动力，使电气设备机械变形、扭曲甚至损坏。3.短路的压降效应，电流升高，电压骤降，严重影响电器设备的正常工作。4.不对称短路产生的不平衡磁场（磁效应），对附近的通信线路和弱电设备产生严重的电磁干扰，影响其正常工作。工厂供电2020/2/9第三章短路电流计算7四、短路电流计算的目的--供电系统设计的基本运算1.正确选择和校验各种电气设备；2.计算和合理整定保护短路的继电保护和自动装置；3.选择限制短路电流的电气设备；4.选择和评价电气主接线方案的依据。1、三相短路电流：选择或校验电气设备、载流导体和整定供电系统的保护装置—最大运行方式；2、不对称短路电流：校验保护装置的灵敏度-最小运行方式。3、在校验电气设备或载流导体的力、热稳定性时，用到短路冲击电流、稳态短路电流和短路容量—三相时。4、对于瞬时动作的低压断路器，用冲击电流有效值来进行其动稳定校验。五、各种短路电流的作用工厂供电2020/2/9第三章短路电流计算8一、无限大容量供电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。特征：US=常数α，XS=0,SS=∞，可认为是一个恒压源第二节无限大容量系统三相短路分析在工程计算中，当供配电系统容量较电力系统容量小得多（50倍），电力系统阻抗不超过短路回路总阻抗的5-10%以上或短路点离电源的电气距离足够远，发生短路时电力系统母线电压降低很小，可将电力系统看作无限大容量系统。说明：无限大容量系统是一个相对概念，真正的无限容量系统是不存在的。工厂供电2020/2/9第三章短路电流计算9三三三三三三aibisin(120)mUtcisin(120)mUtKrkxkrlxlrlxlrlxlxkrkxkrksin()mUtkirlxlxkrkK(3)三三三三三三三二、无限大容量系统三相短路暂态过程无限大容量的三相对称电路rk、xk为短路回路的电阻和电抗，r1、x1为负载的电阻和电抗。工厂供电2020/2/9第三章短路电流计算10阻抗角式中，电流幅值正常运行电流为：i=sin()mIt22mI()()mklklUrrxxarctan()/()klklxxrr1、正常运行sin()muUt设电源相电压为：rlxlxkrkK(3)工厂供电2020/2/9第三章短路电流计算112、三相短路分析◆电路分析：设在K点发生三相短路，电路则被分为两个独立回路，短路点左侧是一个与电源相连的短路回路，短路点右侧是一个无电源的短路回路。◆定性分析：三相短路时，由于阻抗突变，将发生暂态过渡过程：k点右侧无电源，电流衰减到零；k点左侧有电源，回路阻抗急剧减小，故I急剧↑。由于电路有电感作用，电流I不能突变，出现非周期电流分量，该分量不断衰减，电流最终达到稳态短路电流。kirlxlxkrkK(3)工厂供电2020/2/9第三章短路电流计算12无限大容量供电系统发生三相短路时前后电流、电压的变化曲线暂态过程：非周期分量电流存在的那段时间。周期分量：因短路后电路阻抗突然减小很多，而按欧姆定律应突然增大很多倍的电流；非周期分量：因短路电路含有感抗，电路电流不可能突变，而按楞次定律感应的、用以维持短路初瞬间电流不致突变的一个反向衰减性电流。此电流衰减完毕后，短路电流达到稳定状态。t0t=0t0工厂供电2020/2/9第三章短路电流计算13其解为：：短路电流周期分量幅值；◆定量分析：sin()kmkkkdiriLUtdt0sin()*tpmnpkkiItie22mmkkkpmUUZrxI：短路回路阻抗角；：短路回路积分时间常数；/tan()kkkrarcx/kkLr短路前后，短路回路应满足微分方程kirlxlxkrkK(3)短路电流非周期分量初值。工厂供电2020/2/9第三章短路电流计算14假设t=0时发生短路，短路前后电流应相等，即由上式求出inp00sin()sin()mpmnpkiII=sin()[]*sin()sin()tpmkkpnpmpmkiIteiiII0np0pm000e)sin()sin(ttktmitIitIinp0kpm)sin()sin(iIIm00ii可得短路全电流公式：工厂供电2020/2/9第三章短路电流计算15故：三相短路电流由周期分量ip和非周期分量inp组成。周期分量：由电源电压和短路回路阻抗决定。在无限大容量系统条件下，幅值不变，又称为稳态分量。与电源具有相同的变化规律，依然是正弦信号，频率与电源相同。非周期分量：按指数规律衰减，3－5个周期后衰减到0，又称自由分量，仅与电路参数有关。因此：稳态时，只包含短路电流的周期分量。=sin()[]*sin()sin()tpmkkpnpmpmkiIteiiII工厂供电2020/2/9第三章短路电流计算16)sin(atUUmm)sin(atIImm))sin(kpmnp0sin(IIim短路电流的相量表示法：◆非周期分量幅值，等于相量和在纵轴上投影之差。◆非周期分量幅值并不是固定的，与短路时刻、初相位、短路前工作电流等因素有关系。0npimIpmItmpmIIk短路后阻抗角短路前阻抗角电源电压相位角sin()[]*sin()sin()tpmkkmpmkiIteII旋转相量在时间轴的投影为其瞬时值。工厂供电2020/2/9第三章短路电流计算17◆当与纵轴垂直时，自由分量不存在，短路过程不经过暂态而直接进入稳态；◆短路电流非周期分量初始值最大时，短路电流最大，称为最严重短路情况。◆一般情况下，电力系统设备的短路阻抗特性为感性，电抗值比电阻值大得多，因此，在忽略电阻时，短路阻抗角◆三相短路时，周期分量对称，非周期分量不对称。pmmIItmpmII。090kk短路后阻抗角短路前阻抗角电源电压相位角工厂供电2020/2/9第三章短路电流计算18由短路全电流公式知，应该使暂态量最大，则：（1）短路时电压过零。（2），则Im=0，即短路前空载，或cosΦ=1。将Im=0,,代入上式，得：0180或k=90sin()0mI（3）短路回路纯电感。IP为短路电流周期分量有效值。cos*2cos2ttpmpmppkiItIeItIek0=90，3.最严重三相短路的短路电流sin()[]*sin()sin()tpmkkmpmkiIteII正弦波峰值为有效值的根号2倍工厂供电2020/2/9第三章短路电流计算19最严重三相短路时的电流波形图工厂供电2020/2/9第三章短路电流计算20四、三相短路的有关物理量3avkpUZI1.短路电流周期分量有效值IPUav=1.05UN（kV）,线路平均额定电压；(Ω)，短路回路总阻抗。2.次暂态短路电流有效值是指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″=IP22kkkZrx''2pmpIII工厂供电2020/2/9第三章短路电流计算213.短路全电流有效值ik为短路全电流瞬时值,T为短路全电流周期2222()2211()TTttktkpnpTTttIidtiidtTT由于短路电流含有非周期性分量，短路全电流不是正弦波，短路过程中短路全电流的有效值Ik(t)，是指以该时间t为中心的一个周期内短路全电流瞬时值的均方根值：sin()[]*sin()sin()tpmkkmpmkiIteII工厂供电2020/2/9第三章短路电流计算2222()()()ktptnptIIi为简化计算，假设非周期分量inp在所取周期内恒定不变，即其值等于在该周期中心的瞬时值inp(t)；周期分量ip的幅值也为常数，其有效值为Ip(t)。在该周期内非周期分量的有效值即为该时间t时的瞬时值inp(t)；周期分量有效值为Ip（t）那么短路全电流有效值：sin()[]*sin()sin()tpmkkmpmkiIteII工厂供电2020/2/9第三章短路电流计算234.短路冲击电流和冲击电流有效值（1）短路冲击电流ish--用于校验电气和母线的动稳定最严重短路情况下，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0.01(0.01)(0.01)2(1)2shpnppshpiiiIekI0.01(1)shKe为短路电流冲击系数。意味着短路电流非周期分量不衰减当电阻R=0时，，2shKLXRR0.010ee11shK当电抗Ｘ=0时，，0.01ee00LXRR意味着不产生非周期分量1＜Ksh＜2因此