浅谈电力系统运行中的短路故障及短路电流的计算.pdf

煤矿 现代化 2 0 1 0 年第4 期 总第9 7 期 浅 谈 电 力 系统 运 行 中的短 路 故 障及 短 路 电 琉 的计 算 李淑云 。 黄静 ， 李元金 ， 尚纪磊 ( 1 ． 济 宁二号煤矿 。山东 济宁 2 7 2 0 7 2 ；2 ． 济宁三号煤矿 ，山东 济宁 2 7 2 0 6 9) 摘要 电力系统在运行中， 由于多种原因， 难免出现故障， 而使系统的正常运行遭到破坏。各种短路 故障是破坏电力系统正常运行最为常见而且危害最大的原因。本文简要探讨短路故障的原因、 种类、 危害及 短路 电流计算 的 目的、 计算方法。 关键词短路 ； 短路 电流； 短路 电流 计算 中图分类号 ： T M7 1 3 文献标 志码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 9 — 0 7 9 7 ( 2 0 1 0) 0 4 — 0 0 9 5 — 0 3 1 短路的种类及产生短路的原 因 1 ． 1 短路的种类 在三相 系统 中 ， 短路 的基本类 型有 ： j相短路 、 两相短路 、 两相接地短路、 单相短路和单相接地短路等。三相短路时 ， 三 相短路回路中的阻抗相等， 三相电压和电流仍然保持对称 ， 属 于对称短路 。其他形式 的短路 ，由于短路 回路j相 阻抗 不相 等， 三相电压和电流均不对称， 属于不对称短路。除了上述短 路外，对变压器和电动机等电气设备还可能发生一相绕组的 匝间及层 问短路 。一 切不对称 短路在采用对称分量法后 ， 都可 以归纳为对称短路的计算。 1 ． 2 短路的原 因 造成短路 的原 因很多 ， 主要有 以下 几个方 面 ： ( 1 ) 绝缘损坏。电气设备年久陈旧， 绝缘 自然老化； 绝缘瓷 瓶表面污秽， 使绝缘下降； 绝缘受到机械性损伤； 供电系统受 到雷电的侵袭或者在切换电路时产生过电压 ，将电气装置绝 缘薄弱处击穿 ， 都会造成短路 。 ( 2 ) 误操作。例如 ， 带负荷拉切隔离开关 ， 形成强大的电 弧 ， 造成弧光短路 ； 或将低压设备误码接入高压电网， 造成短 路 。 ( 3 ) 鸟兽危害。鸟兽跨越不等电位的裸露导体时， 造成短 路 。 ( 4 ) 恶劣所气候。雷击造成的闪络放电或避雷器动作， 架 空线路 由于大风或导线覆冰引起 电杆倾倒等 。 ( 5 ) 其他意外事故。挖掘沟渠损伤电缆， 起重机臂碰触架 空导线 ， 车辆撞击电杆等。 2短路 的危 害 短路时系统的阻抗大幅度减小 ， 而 电流则大 幅度增加 。通 常短路电流可达正常工作电流的几十倍甚至几百倍，在大电 力 系统 中短路 电流可达几万甚 至几 十万安培 。这样大 的短路 电流将产生极大的危害， 归纳起来其危害有以下几种： ( 1 ) 损坏 电气设备 。短路 电流产 生 的电动力 效应 和热效 应， 会使故障设备及短路回路中的其他设备遭到破坏。 ( 2 ) 影响电气设备的正常运行。短路时电网电压骤降 ， 使 电气设备不能正常运行 。 ( 3 ) 影响系统的稳定性。严重 的短路会使并列的发 电机组 失去同步 ， 造成电力 系统 解列 。 ( 4 ) 造成停电事故。短路时， 电力系统的保护装置动作， 使 开关跳闸， 从而造成大范围停电。越靠近电源， 停电范围越大， 造成的经济损失也越严重 。 ( 5 ) 产生电磁干扰。不对称短路的不平衡电流， 在周围空 间将产生很大的交变磁场，干扰附近的通讯线路和 自动控制 装置 的正常运行 。 3 短路电流计算的目的 ( 1 ) 确定供电系统的结线和运行方式。供电系统的结线和 运行方式不同， 短路电流的大小也不同。只有计算出在某种结 线和运行方式下 的短路 电流 ，才 能判断这种结 线及运行方式 是否合适 。 ( 2 ) 选择电气设备。选择电气设备时， 需要计算 可能通 过 电气设 备 的最大 短路 电流及 其 产生 的 电动力 效 应及 热效 应， 以检验电气设备的分断能力及动稳定性和热稳定性。 ( 3 ) 选择限流电抗器。当短路电流过大时， 造成设备选择 困难 或不经济 ，这时 可在 供电线路 中串接 电抗器来 限制短路 电流。通过短路电流的计算， 决定是否使用限流电抗器， 并确 定所选电抗器的参数。 ( 4 ) 选择 和整定继 电保护装 置。选择 和整 定继电装置 时 ， 需要计算被保护范围内可能产生的最小短路电流，以校验继 电保护装置 动作 的灵 敏性是否符合要求 。 ( 5 ) 另外接地装置需根 据短路 电流进行设计 ； 在设计 户外 高压配电装置时，需按短路条件校验软导线的相问和相对地 的安全距离 。 4 短路电流计算 4 ． 1 短路 电流 的基本假设 供电系统短路的物理过程是很复杂的， 影响因素也很多。 为了简化分析和计算 ，采取一些合理的假设以满足工程的需 要。通常采用以下假设： ( 1 ) 忽略磁路的饱和与磁滞现象， 认为系统中各元件参数 一 定。 ( 2 ) 忽略各元件的电阻。高压电网的各种电气元件， 其电 阻一般都比电抗小的多。一般当电阻大于 电抗时才考虑。 ( 3 ) 忽略短路点的过渡电阻。过渡 电阻是指相与相之间短 接所经过的电阻， 如被外来物体短接时， 外来物体的电阻、 接 地短路的接地电阻、 电弧短路的电弧电阻等。～般情况下， 都 以金属性短路对待，只在某些继电保护的计算中才考虑过渡 电阻 。 ( 4 ) 除不对 称故障 出现局 部不对称外 ， 实 际的电力系统通 常都可以当作相对称的。 4 _ 2 短路 电流的相对值法 在多电压等的电网中，采用相对值法计算短路电流比较 9 5 煤矿现 代化 2 0 1 0 年第4 期 总第9 7 期 简便 ， 用相对值法计算短路电流， 不必进行阻抗折算。相对值 法又称标么值，它是某一物理量的实际值与选定的该量基准 值的比值。因实际值的单位与选定的基准值的单位相同， 所以 相对值没有量纲。 用相对值法计算短路电流时， 首先要计算各量的相对值， 因此要选定各个物理量的基准值 ， 即基准容量 、 基准电压 、 基 准电流和基准电抗。在四个基准值中，先任意选取两个基准 值 ， 另两个则根据欧姆定律和功率方程确定 。 在选定基准值时，通常先选定基准容量 s 和基准电压 U ， 基准电流 I 和基准电抗 可利用下式求出： I — 、 ／ 3 U Xd ~ - 、 ／ 3 I 为了计算简便 ， 基准容量 S 一般选取 1 0 0 MV A， 当给出系 统 的总额定 容量时 ， 基 准容量 S 一般就 取为系统 的总额定 容 量。基准电压则分别选为各元件及短路点所在线路的平均电 压 U 。 基准值确定之后， 容量 、 电压 、 电流和电抗的相对值便可 表示为 ： s u 一 I 一、 ／ 丁u “ 一 — x -x 式中S 、 U、 I 、 x 一 各物理量的实际值 ； s u I ⋯ x 出 _ 一各物理量的相对基准值。 4 ． 3 系统各元件相对基准值的计算 4 ． 3 ． 1 电源 系统的相对基准 电抗 如果 已知 电源系统母线上的短路容量 S ， 则 电源系统的相 对基 准电抗 X 为 ： x = 丧～ 专 、 S 出 4 ． 3 ． 2变压器的相 对基 准电抗 变压器的短路电压百分数 u z ％就是以百分数表示的变压 器的相对额定阻抗， 如果忽略变压器的电阻， 则变压器的相对 基准 x 为 ： Y w ％S T * d d - " 一 _r 式中s 广一变压器的额定容量。 4 33 电抗 器的相对基 准电抗 在电抗器的产品样本中通常给出电抗器百分电抗值 x i ~ ／ o ， 它是电抗器通过额定电流时电抗器两端的电压占额定电压的 百分值， 是电抗器的相对额定电抗值。则电抗器的相对基准电 抗值 x 为 ： x ， 需 需 一 9 6 式 中U 一 电抗器 的额定 电压 ， k V； I 广 一电抗器 的额定 电流 ， k A 。 4 ． 3 ．4 线路的相对基准 电抗 线路的相对基准电抗 X 为 x 山 如需计算线路的相对基准电阻值 R ， 可用下式求得 R ” R 啬 式中R 、 x 一线路的电阻、 电抗值， n； ro、x旷-一线路每千米电阻 、 电抗值 ， l ~ ／ k m； L ～ 线路的长度 ， k m 。 4 ． 4 短路电流的计算 4 ． 4 ． 1 短路 电流的相对基准值 忽略短路 回路中的电阻时 ， 短路电流的相对基准值 I 为 ． T ( 3) 一 一、 v ／ 3 Xx—x 女一1 一 一 —l J 一 一 —Xz —*d a 、 ／ 3 X 该式表 明 ，当基准 电压 等于短路点所 在线 路的平均 电压 时， 三相短路电流的相对基准值与短路回路总电抗的相对值 x ∑ 互为倒数 。 4 ． 4 ． 2 短路 电流的计算 短路点的三相短路电流可用下式计算 ： I =I I 4 ． 4 - 3三相短路容量 三相短路容量用相对基准值 表示 为 s = 三 = 亡I (3da da 、 ／ 3 U l A ∑ ‰ 因此 ， 三相短路容量 为： s = S =、 厂 u 4 ． 4 ． 3 短路 电流计算示例 图( 1 一 a ) 为某矿高压供电系统的计算电路图， 2台变压器 并列运行 ， 有关参数如图所示。试计算 s 。 点和 s ： 点的三相短 路电流和短路容量。 解 ： 分别绘制 s 。 点和 S 点的等值电路图并计算各元件的 相对基准 电抗 。 S =6 3 0 0k VA U = 6k V U ％= 7． 5 I = 20 0 A ( 1 - a ) 等值 电路 图 ( 1 - b ) S ． 点的等值 电路 图 煤矿 现代化 2 0 1 0 年第4 期 总第9 7 期 矿 区 铁 路 轨 道 电 路 分 路 不 良 治 理 方 案 赵杰。 周恒， 邱波 ( 兖矿集 团铁路 运输 处 ， 山东 邹城 2 7 3 5 ~ ) 摘要 由于诸多客观 因素， 导致矿区铁路轨道电路许多区段分路不良， 不但影响了运输效率也威胁 着行车安全。本文通过综合分析矿 区铁路的现状以及比对 、 论证在铁路系统中所应用的几种解决分路不良 的方案， 力求找到一种既能解决问题， 又能节约成本的实用方案。笔者认为在矿区铁路现有设备中加入“ 智 能轨道 电路 防护监控 盒” 方案 ， 基本上达 到 了上述效果 ， 并对该套设备工作原理进 行 了简单介绍。 关键词 轨道 电路 ；分路 不 良；解决方案 ；智 能轨道 电路 防护监控 盒 中图分类号： U 2 8 4 ． 2 3 1 文献标志码： B 文章编号： 1 0 0 9 — 0 7 9 7 ( 2 0 1 0) 0 4 — 0 0 9 7 — 0 2 兖矿集团矿区铁路轨道电路采用的是非电码化安全型交 流连续式轨道电路( J Z X C 一 4 8 0型交流轨道电路) ， 它是以铁路 线路的两根钢轨作为导体，并用引接线连接信号电源和接收 设备所构成的电气回路。它用来监督和反映铁路线路是否空 闲， 其自动地和连续地将列车的运行和信号设备联系起来 ， 以 保证行车安全 ， 它是我们矿区铁路各种铁路信号设备( 如计算 机联锁 系统 、 6 5 0 2电气集 中系统 、 半 自动 闭塞 系统 、 调 度监督 系统 、 机车信号等 ) 的最基础环节， 更是关乎行车安全的核心 设备之一。 轨道电路的工作原理是：信号电源通过 B G 5变压器变换 出适当的低电压经限流器后送至钢轨 ，经钢轨传输到达轨道 电路 的受 电端 ，电压经 B Z 4变压 器升压 后送 至室 内 的 J Z X C 一 4 8 0型轨道电路继电器 G J 上， 使继电器保持可靠吸起 ， 以此来监督区段空闲状态 ；而当轨道电路所监督的区段被车 辆 占用 ， 或因故障 、 维修 、 施工等造 成短路 、 断路及 断轨 等情况 时，作为接受设备的轨道继电器 C J电气 回路因被分路或切 断， 继电器所接受到的电压较低或者为零 ， 使继电器处于落下 状 态 ， 这样 在控制台上对应 区段位 置就会 } n 现 红色光带 ， 以此 来监督该区段有车占用或故障状态。 l 兖矿集团矿区铁路轨道 电路分路不 良的现状分析 轨道电路分路不良是困扰我矿区铁路乃至全国铁路系统 多年的老大难问题。正常情况下， 当列车进入轨道电路区段， 车轮和轮轴将轨道电路分路 ，使轨道继电器的交流端电压不 大于 2 ． 7 V， 即小于轨道继电器的释放值， 使轨道继电器可靠落 下。而所谓轨道电路分路不 良就是我们俗称的“ 压不死” 、 “ 丢 车 ” 、 或 “ 白光带 ” 现象 ： 当列车进入某 一轨道 区段 时 ， 对应 区段 的轨道继电器却仍处在吸起状态或时吸时落状态，此时相应 的区段在控制台上会错误的显示为白光带或无车 占用状态， 表 明该轨道 电路 已失去 了对轨道 区段 占用状态检查的功能。 j l 1 9 ( 1 - c )S 点的等值 电路 图 图 1各点等值电路图 绘制等值电路图如图 ( 1 - b ) 、 ( 1 - c )所示 ，取基准容量 S a = 1 0 0 MV A 。则 各元件 的相对基准 电抗 为 ： 电源系统的相对基 准电抗 ： x。 = _0．41 3 高压架空线路的相对基准电抗： x2 x _0．4 l 6 _0．48 2 变压 器的相对基准 电抗 ： x 析x 需 = 9 电抗器 的相对基准 电抗 ： x s+ 需 =1 ． 7 5 电缆线路的相对基准电抗： X6 , &= Xo L 6 - 0． ( ) 80． 6 x _0． 1 2l u uJ 将各元件的相对基准电抗值按要求标注在等值电路中。 4 ． 5计算短路电流和短路容量 4 ． 5 ． 1 S 点的短路 电流和短路容量 ( 1 ) S 。 点短路时短路回路的总相对基准电抗为： X∑ =Xl x2 下 1 x 3 0．41 3 +0． 4 82 +下 1 1 ．1 9=1 ． 22 ( 2 ) s 点短路电流和短路容量为 ： S 。 点 的基准 电流 I — ： 一 ： 9 ． 1 6 5 k A 、 ／3 U 、 ／3 6 ． 3 三相短路电流I = X z, a = =7 ． 51 2k A J 二 二 三相短路容量s = = 8 1 ． 9 7 MV A A Z 也 1 二 4 ． 5 ． 2 S ， 点 的 短路 电流 和 短 路 容 量 ( 1 ) S 点短路时短路回路的总相对基准电抗为： x∑ 出 = xl x2 1 x 3 x5 x6 _ 出 =0 - 4 13 + 0 ．4 8 2 + 争 l _1 9 7 5 + 0 ．1 2 1 = 3 -0 9 1 ( 3 ) S ： 点短路 电流和短路容量 为： 三相短路电流 )_ = ： 厶2 9 6 5 k A ∑‰ J u7 三相短路容量S a = = = 3 2 ．3 5 M V A A ∑ 也 j u，1 ( 收稿 日期： 2 0 1 0 — 1 — 9 ) 9 7