第四章-短路电流计算.ppt
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1、第四章第四章 短路电流计算短路电流计算及电气设备的选择与校验及电气设备的选择与校验2024/5/22 周三周三短路电流短路电流M短路电流的基本概念短路电流的基本概念M短路电流暂态过程短路电流暂态过程M理想供电系统三相短路电流计算理想供电系统三相短路电流计算M短路电流的电动力效应及热效应短路电流的电动力效应及热效应2024/5/22 周三周三第一节第一节 概述概述2024/5/22 周三周三短路的定义短路的定义短路的定义短路的定义所谓短路是指电力系统中带电部分与大地所谓短路是指电力系统中带电部分与大地(包括设备的外壳、变压器的铁芯、低压线包括设备的外壳、变压器的铁芯、低压线路的中线等路的中线等)
2、之间,以及不同相之间的短接。之间,以及不同相之间的短接。(相与相或相与地短接相与相或相与地短接)这种短接可能是通过小阻抗的回路,或者是这种短接可能是通过小阻抗的回路,或者是电弧的形式形成。电弧的形式形成。在中性点非有效接地系统中,短路故障主要在中性点非有效接地系统中,短路故障主要是各种相间短路,而单相接地不会造成短路,是各种相间短路,而单相接地不会造成短路,属于一种运行障碍。属于一种运行障碍。2024/5/22 周三周三短路原因短路原因引起绝缘损坏的原因:引起绝缘损坏的原因:过电压过电压绝缘的自然老化和污秽绝缘的自然老化和污秽运行人员维护不周运行人员维护不周直接的机械损伤直接的机械损伤电力系统
3、其他一些故障也可能导致短路:电力系统其他一些故障也可能导致短路:输电线路断线和倒杆事故输电线路断线和倒杆事故运行人员违章操作运行人员违章操作鸟和小动物等跨接裸导体等。鸟和小动物等跨接裸导体等。2024/5/22 周三周三短路种类短路种类2024/5/22 周三周三短路的危害短路的危害u短路电流的热效应使设备急剧发热,可能导致设备过热损坏;u短路电流产生很大的电动力,可能使设备永久变形或严重损坏;u短路时系统电压大幅度下降,严重影响用户的正常工作;u短路可能使电力系统的运行失去稳定;u不对称短路产生的不平衡磁场,会对附近的通讯系统及弱电设备产生电磁干扰,影响其正常工作。短路电流基本概念短路电流基
4、本概念短路危害短路危害2024/5/22 周三周三短路的预防和限制措施短路的预防和限制措施认真执行运行规程,不断学习以提高电业人员的素认真执行运行规程,不断学习以提高电业人员的素质。严格遵守操作规程和安全规程,避免误操作;质。严格遵守操作规程和安全规程,避免误操作;在短路发生时,采取有效的措施将短路的影响限制在短路发生时,采取有效的措施将短路的影响限制在最小的范围内。在最小的范围内。作好设备的维护、巡视、检查,作好事故的预想和作好设备的维护、巡视、检查,作好事故的预想和预防。预防。采用快速动作的继电保护和断路器,迅速隔离故障。采用快速动作的继电保护和断路器,迅速隔离故障。使系统电压在较短的时间
5、内恢复到正常值。使系统电压在较短的时间内恢复到正常值。增大短路回路的阻抗,如在电路中装设限流电抗器增大短路回路的阻抗,如在电路中装设限流电抗器等。等。2024/5/22 周三周三短路电流研究目的短路电流研究目的选择:选择:导体和设备导体和设备校验:校验:短路时能承受瞬时冲击及热效应短路时能承受瞬时冲击及热效应整定和保护:整定和保护:出现短路时能迅速和准确出现短路时能迅速和准确地切除故障地切除故障确定限流措施:确定限流措施:是否串联电抗器是否串联电抗器确定合理的主接线方式:确定合理的主接线方式:分列运行和并分列运行和并列运行列运行2024/5/22 周三周三第二节第二节 无限大容量电源系统供电无
6、限大容量电源系统供电时短路过程的分析时短路过程的分析2024/5/22 周三周三无限大容量电源无限大容量电源特点特点内阻为零内阻为零输出电压不随负载变化输出电压不随负载变化工程中,当供电的电力系统容量远大于企工程中,当供电的电力系统容量远大于企业负荷容量,系统阻抗小于短路回路总阻业负荷容量,系统阻抗小于短路回路总阻抗的抗的10%时,可以看作无限大容量供电系时,可以看作无限大容量供电系统。统。2024/5/22 周三周三短路过程分析短路过程分析基本过程基本过程正常运行正常运行-正常电流(负荷电流)正常电流(负荷电流)-发生短路发生短路-电流突然增大电流突然增大(周期分量加非周期周期分量加非周期分
7、量分量)-稳定新值稳定新值(稳态短路电流稳态短路电流)。2024/5/22 周三周三短路过程分析短路过程分析基本假设基本假设u忽略磁路的饱和与磁滞现象,认为系统中的元忽略磁路的饱和与磁滞现象,认为系统中的元件参数恒定件参数恒定u忽略元件的电阻忽略元件的电阻R,只考虑元件的电抗,只考虑元件的电抗X当当R=X/3时,忽略电阻,误差仅增大时,忽略电阻,误差仅增大5%。u忽略短路点的过渡电阻忽略短路点的过渡电阻u按对称分析按对称分析无限大电源容量的暂态过程无限大电源容量的暂态过程电路对称,可以只取电路对称,可以只取一相讨论一相讨论2024/5/22 周三周三无穷大容量系统三相短路的暂态过程无穷大容量系
8、统三相短路的暂态过程短路前电路中的电流为:式中:短路前电流的幅值 短路前回路的阻抗角 电源电压的初始相角,亦称合闸角;2024/5/22 周三周三短路后电路中的电流应满足:无穷大容量系统三相短路的暂态过程无穷大容量系统三相短路的暂态过程2024/5/22 周三周三短路的全电流可以用下式表示短路的全电流可以用下式表示 式中:式中:短路电流周期分量的幅值,短路电流周期分量的幅值,短路后回路的阻抗角,短路后回路的阻抗角,短路回路时间常数,短路回路时间常数,C 积分常数,由初始条件决定,即短路电流非周期积分常数,由初始条件决定,即短路电流非周期分量的初始值。分量的初始值。无穷大容量系统三相短路的暂态过
9、程无穷大容量系统三相短路的暂态过程2024/5/22 周三周三由于电路中存在电感,而电感中的电流不能由于电路中存在电感,而电感中的电流不能突变,则短路前瞬间的电流应该等于短路发突变,则短路前瞬间的电流应该等于短路发生后瞬间)的电流,生后瞬间)的电流,因此,短路的全电流为因此,短路的全电流为无穷大容量系统三相短路的暂态过程无穷大容量系统三相短路的暂态过程Tfi与衰减时间与衰减时间的关系?的关系?2024/5/22 周三周三短路电流波形短路电流波形黄色曲线为黄色曲线为短路电流波短路电流波形,形,单调下降曲单调下降曲线为非周期线为非周期分量。分量。2024/5/22 周三周三产生最大短路电流的条件产
10、生最大短路电流的条件满足以上条件的情况为:满足以上条件的情况为:(1 1)短路前电路处于)短路前电路处于空载状态空载状态,即,即(2 2)短路回路为)短路回路为纯感性回路纯感性回路,即回路的感抗比电,即回路的感抗比电阻大得多,可以近似认为阻抗角阻大得多,可以近似认为阻抗角 ;(3 3)短路瞬间)短路瞬间电源电压过零值电源电压过零值,即初始相角,即初始相角 。三相短路的有关物理量三相短路的有关物理量 1.短路电流次暂态值短路电流次暂态值 短路电流次暂态值是指短路以后幅值最大的短路电流次暂态值是指短路以后幅值最大的一个周期(即第一个周期)的短路电流周期一个周期(即第一个周期)的短路电流周期分量的有
11、效值。在无限大容量系统中,短路分量的有效值。在无限大容量系统中,短路电流周期分量幅值保持不变。电流周期分量幅值保持不变。2024/5/22 周三周三2.短路电流稳态值短路电流稳态值短路电流稳态值(短路电流稳态值(steadystatevalue)是指)是指短路进入稳态后短路电流的有效值。短路进入稳态后短路电流的有效值。无穷大容量电源系统发生三相短路时,短路无穷大容量电源系统发生三相短路时,短路电流周期分量的幅值恒定不变,则电流周期分量的幅值恒定不变,则三相短路的有关物理量三相短路的有关物理量 2024/5/22 周三周三3.短路电流冲击值短路电流冲击值短路电流冲击值(短路电流冲击值(shock
12、value),即在发生),即在发生最大短路电流的条件下,短路发生后约半个最大短路电流的条件下,短路发生后约半个周期出现短路电流最大可能的瞬时值。周期出现短路电流最大可能的瞬时值。式中式中ksh称为冲击系数,称为冲击系数,1ksh2。在高压供电系统中通常取在高压供电系统中通常取ksh=1.8;低压供电系统中如容量为以下车间变电所的出口处发低压供电系统中如容量为以下车间变电所的出口处发生短路,常取生短路,常取ksh=1.3。三相短路的有关物理量三相短路的有关物理量 2024/5/22 周三周三4.短路冲击电流有效值短路冲击电流有效值短路冲击电流有效值指的是短路后的第一个周期内短路冲击电流有效值指的
13、是短路后的第一个周期内短路全电流的有效值。短路全电流的有效值。为了简化计算,可假定非周期分量在短路后第一个为了简化计算,可假定非周期分量在短路后第一个周期内恒定不变,取该中心时刻周期内恒定不变,取该中心时刻t=0.01s的电流值计的电流值计算。算。三相短路的有关物理量三相短路的有关物理量 2024/5/22 周三周三计算公式如下计算公式如下计算公式如下计算公式如下在高压系统(在高压系统(ksh=1.8)ish=2.55Iz=2.55IIsh=1.51Iz=1.51I2024/5/22 周三周三5.短路功率短路功率短路功率又称为短路容量,它等于短路电流短路功率又称为短路容量,它等于短路电流有效值
14、同短路处的正常工作电压(一般用平有效值同短路处的正常工作电压(一般用平均额定电压)的乘积。均额定电压)的乘积。在短路的实用计算中,常只用次暂态短路电在短路的实用计算中,常只用次暂态短路电流来计算短路功率,称为次暂态功率,即流来计算短路功率,称为次暂态功率,即三相短路的有关物理量三相短路的有关物理量 2024/5/22 周三周三Iz、ish、Ish和和I的意义的意义短路电流次暂态值短路电流次暂态值Iz,它是指短路瞬时,短路电流周期分量,它是指短路瞬时,短路电流周期分量电流为最大幅值时所对应的有效值。此值通常用来作继电保电流为最大幅值时所对应的有效值。此值通常用来作继电保护的整定近似和校验断路器的
15、额定断流量。护的整定近似和校验断路器的额定断流量。短路电流冲击值短路电流冲击值ish,它是指在发生最大短路条件下,短路后,它是指在发生最大短路条件下,短路后0.01s时,短路电流所出现的最大瞬时值。此值通常用来校验时,短路电流所出现的最大瞬时值。此值通常用来校验电气设备的动稳定性。电气设备的动稳定性。短路电流冲击有效值短路电流冲击有效值Ish,是指发生短路后的第一个周期内,是指发生短路后的第一个周期内,全短路电流的有效值。此值通常用来校验电气设备的动稳定全短路电流的有效值。此值通常用来校验电气设备的动稳定性。性。短路电流稳态值短路电流稳态值I,它是指短路进入稳定状态后,短路电流,它是指短路进入
16、稳定状态后,短路电流的稳态有效值。对于无限大容量电源系统的三相短路,的稳态有效值。对于无限大容量电源系统的三相短路,I=Iz。此值通常用来校验电器和线路中载流部分的热稳定性。此值通常用来校验电器和线路中载流部分的热稳定性。2024/5/22 周三周三系统运行方式系统运行方式“运行方式运行方式”是指由于电力系统各开关状态不同,造是指由于电力系统各开关状态不同,造成短路回路阻抗的变化,分为成短路回路阻抗的变化,分为最大运行方式最大运行方式和和最小最小运行方式运行方式两种。两种。前者用以计算可能出现的最大短路电流,作为选择前者用以计算可能出现的最大短路电流,作为选择电气设备的依据;后者用以计算可能出
17、现的最小短电气设备的依据;后者用以计算可能出现的最小短路电流,作为校验继电保护装置动作性能的依据。路电流,作为校验继电保护装置动作性能的依据。最大运行方式实际是将供电系统中的双回路电力线最大运行方式实际是将供电系统中的双回路电力线路和并联的变压器均按并列运行处理,从而得到由路和并联的变压器均按并列运行处理,从而得到由短路点至系统电源的总阻抗最小,短路电流最大。短路点至系统电源的总阻抗最小,短路电流最大。同理,最小运行方式按实际可能的单列系统供电,同理,最小运行方式按实际可能的单列系统供电,阻抗最大,短路电流最小。阻抗最大,短路电流最小。主要在继电保护中用到。主要在继电保护中用到。2024/5/
18、22 周三周三第三节第三节 无限大容量电源条件下无限大容量电源条件下短路电流的计算方法短路电流的计算方法2024/5/22 周三周三通过对短路电流暂态过程的分析可知,在无限大通过对短路电流暂态过程的分析可知,在无限大容量电源供电系统中发生三相短路时,短路电流容量电源供电系统中发生三相短路时,短路电流的周期分量是不变的,因此它的有效值也是不变的周期分量是不变的,因此它的有效值也是不变的。的。如下图如下图:(三相对称化归一相计算三相对称化归一相计算)短路电流计算短路电流计算求短路电流的基本原理求短路电流的基本原理2024/5/22 周三周三在在K点发生三相短路时,如短路回路的阻抗点发生三相短路时,
19、如短路回路的阻抗R,X以以 表示,则三相短路电流的有效值为表示,则三相短路电流的有效值为式中:式中:Uav短路点所在线路的平均电压,短路点所在线路的平均电压,VR,X短路回路的总电阻和总电抗,短路回路的总电阻和总电抗,。均已均已折算到短路点所在处的电压等级。折算到短路点所在处的电压等级。也即也即如果短路回路中有变压器,就必须进行折算。如果短路回路中有变压器,就必须进行折算。求短路电流的基本原理求短路电流的基本原理2024/5/22 周三周三在工程设计中,高压供电系统的在工程设计中,高压供电系统的RX,为,为简化计算,若简化计算,若RX/3,可忽略,可忽略R,用,用X代替代替Z,同理在低压供电系
20、统中,同理在低压供电系统中XR,若,若XR/3,可忽略,可忽略X,用,用R代替代替Z,在这样的简化条,在这样的简化条件下求出的短路电流值,误差不超过件下求出的短路电流值,误差不超过5%,在工程计算及选择设备中是完全允许的。因在工程计算及选择设备中是完全允许的。因此对高压供电系统,上式可写成此对高压供电系统,上式可写成求短路电流的基本原理求短路电流的基本原理2024/5/22 周三周三求短路电流的基本方法求短路电流的基本方法标么值法标么值法将实际值与所选定的基准值的比值来运算。其特点是在多将实际值与所选定的基准值的比值来运算。其特点是在多电压等级系统中计算比较方便。电压等级系统中计算比较方便。有
21、名值法有名值法短路计算中的各物理量均采用有名值短路计算中的各物理量均采用有名值(因各阻抗的单位都因各阻抗的单位都用欧姆,又有人称之为欧姆法用欧姆,又有人称之为欧姆法)。对称分量法对称分量法以三相对称短路情况下的计算结果为基础,对不对称短路以三相对称短路情况下的计算结果为基础,对不对称短路情况,采用相应的比例系数,得到不对称短路电流。情况,采用相应的比例系数,得到不对称短路电流。兆伏安法兆伏安法图表法图表法计算曲线法计算曲线法2024/5/22 周三周三短路电流计算方法有名制法短路电流计算方法有名制法原理:原理:已知线路电压,计算短路回路的总阻已知线路电压,计算短路回路的总阻抗,再根据欧姆定律求
22、短路电流。抗,再根据欧姆定律求短路电流。有名制:有名制:电流(安培)等于电压(伏特)除电流(安培)等于电压(伏特)除以阻抗(欧姆)。以阻抗(欧姆)。有名制法的实质是欧姆定律有名制法的实质是欧姆定律单线图:单线图:三相系统中的三相用一根线表示。三相系统中的三相用一根线表示。2024/5/22 周三周三单线图单线图2024/5/22 周三周三有名制法求三相短路电流公式有名制法求三相短路电流公式在在K点发生三相短路时,如短路回路的阻抗点发生三相短路时,如短路回路的阻抗R,X以以 表示,表示,则三相短路电流的有效值为则三相短路电流的有效值为式中:式中:Uav短路点所在线路的平均电压,短路点所在线路的平
23、均电压,VR,X短路回路的总电阻和总电抗,短路回路的总电阻和总电抗,。均已。均已折算到短路点折算到短路点所在处的电压等级。所在处的电压等级。也即如果短路回路中有变压器,就必也即如果短路回路中有变压器,就必须进行折算。须进行折算。对高压供系统,电阻可以忽略,则有对高压供系统,电阻可以忽略,则有2024/5/22 周三周三短路计算的基本步骤短路计算的基本步骤1.1.绘制计算电路图,选定短路计算点绘制计算电路图,选定短路计算点要要计计算算短短路路电电流流,首首先先必必须须绘绘出出计计算算电电路路图图,如如图图所所示示。在在计计算算电电路路图图上上,将将计计算算短短路路电电流流时时所所需需要要的的各各
24、元元件件的的额额定定参参数数都都表表示示出出来来,并并将将各各元元件件依依次次编编号号。然然后后选选定定并并标标出出短短路路计计算算点点。短短路路计计算算点点要要选选择择的的使使需需进进行行短短路路校验的电气设备有最大可能的短路电流通过。校验的电气设备有最大可能的短路电流通过。2024/5/22 周三周三短路计算的基本步骤短路计算的基本步骤2.绘制计算用的等效电路图绘制计算用的等效电路图按按照照所所选选择择的的短短路路计计算算点点,用用电电抗抗符符号号表表示示电电路路中中的的各各电电气气设设备备(元元件件),如如图图所所示示。在在等等效效电电路路图图上上,只只需需将将被被计计算算的的短短路路电
25、电流流所所经经过过的的一一些些元元件件绘绘出出,并并表表明明其其编编号号和和电电抗抗值值,其其中中分分数数的的分分子子标标编编号号,分分母母标标计计算算出出的的元元件件电电抗抗值值。根根据据等等效效电电路路就就可可以以计计算算短短路路回回路路的的总总电电抗抗和和各各短短路路参数。参数。2024/5/22 周三周三短路计算的基本步骤短路计算的基本步骤3.元件电抗的计算元件电抗的计算1)系统电抗)系统电抗有有两两种种计计算算方方法法。如如果果上上级级供供电电部部门门提提供供了了电电源源母线上的短路容量母线上的短路容量Ss,则系统电抗可由下式求得,则系统电抗可由下式求得如如果果不不知知Ss而而知知电
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