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1、任务四 短路故障和短路电流计算,1. 短路故障的原因和种类,（1）短路故障的原因,设备或装置存在隐患。如绝缘材料陈旧老化、绝缘机械损伤、设备缺陷未发现和消除、设计安装有误等。,运行、维护不当。如不遵守操作规程，技术水平低，管理不善等。,雷击，特大洪水、大风、冰雪、塌方等引起的线路倒杆、断线，鸟，鼠、蛇等小动物跨接裸导体等自然灾害。,（2） 短路故障的种类,单相短路 短路电流仅在故障相中流过，故障相电压下降，非故障相电压会升高。,二相短路 短路回路中流过很大的短路电流，电压和电流的对称性被破坏。,二相短路接地 短路回路中流过很大的短路电流 ，故障相电压为零。,三相短路 三相电路中都流过很大的短路
2、电流，短路时电压和电流保持对称 ，短路点电压为零。,（3） 短路的危害,大电流产生巨大电动力，造成机械损坏（动稳定）；烧毁设备（热稳定）；电网大面积电压下降；破坏电力系统的稳定；影响电力系统通讯。,最严重三相短路时的电流波形图,2003年8月14日美国大停电,美国东部(EDT)时间2003年8月14日16:11开始（北京时间8月15日晨4:11），美国东北部和加拿大东部联合电网发生了大面积停电事故纽约: 交通瘫痪、公路堵塞、人困在电梯和地下隧道里、冒酷热步行回家停电影响 美国： 俄亥俄州、密歇根州、纽约州、 马萨诸塞州、康涅狄克州、新泽西州、 宾夕法尼亚州、佛蒙特州（8个州） 加拿大：安大略省
3、、魁北克省（2个省）,停电前后卫星拍到的美国上空照片,为确保设备在短路情况下不致破坏，减轻短路危 害和防止故障扩大，必须事先对短路电流进行计算。计算短路电流的具体目的是：选择和校验电气设备；进行继电保护装置的选型与整定计算；分析电力系统的故障及稳定性能，选择限制短路电流的措施；确定电力线路对通信线路的影响等。,（4） 短路计算方法简介,如果各种电气设备的电阻和电抗及其他电气参数用有名值表示，称为有名单位制法。低压系统的短路电流计算通常采用这种方法，简单明了。,如果各种电气设备的电阻和电抗及其他电气参数用相对值表示，称为标幺值法。这种计算方法通常用于高压系统。,如果各种电气设备的电阻和电抗及其他
4、电气参数用短路容量表示，称为短路容量法。 这种方法比较适用于高压系统。,绘制短路回路等效电路；计算短路回路中各元件的阻抗值；求等效阻抗，化简电路；计算三相短路电流周期分量有效值及其他短路参数；列短路计算表。,略讲,选择短基准容量、基准电压、计算短路点的基准电流；绘制短路回路的等效电路；计算短路回路中各元件的电抗标幺值；求总电抗标幺值，化简电路；计算三相短路电流周期分量有效值及其他短路参数；列短路计算表。,（5 ） 短路电流的计算概述,在计算电路图上将短路计算所需考虑的各元件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
5、电流通过。接下来要按所选择的短路计算点绘出等效电路图， 如上图所示。,工厂供电系统通常把电力系统当作无限大容量电源，短路电路一般只采用阻抗串、并联的方法进行化简。对简化电路求出其等效总阻抗，最后计算短路电流和短路容量。 短路计算中有关物理量的单位：电流为kA；电压为kV；短路容量和断流容量单位为MVA；设备容量单位为kW或kVA；阻抗单位为等。如果采用工程上常用的单位来计算，则应注意所用公式中各物理量单位的换算系数。,采用欧姆法进行短路计算,欧姆法即有名单位制法。因其短路计算中的阻抗都采用有名单位“欧姆”而得名。在无限大容量系统中发生三相短路时，其三相短路电流周期分量有效值可按下式计算：,式中
6、UC是短路点的短路计算电压，也称为平均额定电压。由于线路首端短路时其短路最为严重，因此按线路首端电压考虑，即短路计算电压取为比线路额定电压UN高5%。 在高电压的短路计算中，通常总电抗远比总电阻大，所以一般可只计电抗，不计电阻。在计算低压侧短路时，也只有当短路电路的电阻大于电抗的三分之一时才需考虑电阻。,（1） 电力系统的阻抗,电力系统的电阻相对于电抗来说很小，一般不予考虑。电力系统的电抗由电力系统变电所高压馈电线出口断路器的断流容量SOC来估算，SOC可看作是电力系统的极限短路容量Sk，因此电力系统的电抗：XSUC2/SOC 式中，UC是高压馈电线的短路计算电压，SOC是系统出口断路器的断流
7、容量，如只有开断电流IOC的数据，则断流容量：,不计电阻时，三相短路电流的周期分量有效值为：,三相短路容量为：,（2） 电力变压器的阻抗,式中UC、SN、Pk、 Uk%均可从相关手册或产品样本查阅。,变压器的短路损耗,由短路损耗可近似地求出变压器的电阻：,变压器的短路电压,由短路电压可近似地求出变压器的电抗：,（3） 电力线路的阻抗,求出短路电路中各元件的阻抗后，就化简了短路电路，求出其总阻抗，然后可计算短路电流周期分量,线路的电阻RWL可由导线、电缆的单位长度电阻R0值求得,线路的电抗XWL可由导线、电缆的单位长度电抗X0值求得,式中R0、X0是分别为导线、电缆单位长度的电阻和电抗， l是线
8、路长度。均可从相关手册或产品样本查阅。,（3） 电力线路的阻抗,必须注意：在计算短路电路的阻抗时，假如电路内含有电力变压器，则电路内各元件的阻抗都应统一换算到短路点的短路计算电压。阻抗等效换算的条件是元件的功率损耗不变。阻抗换算的公式为,式中，R、X和UC为换算前元件的电阻、电抗和元件所在处的短路计算电压；R、X和UC为换算后元件的电阻、电抗和短路点的短路计算电压。,采用标幺制法进行短路计算,电压kV，电流kA，容量kVA，电阻和电抗 等物理量均可用标幺值表示。标幺值无量纲。 按标幺制法进行短路计算，通常先选定基准容量Sd和基准电压Ud。工程设计中通常取基准容量Sd=100MVA；通常取元件所
9、在处的短路计算电压为基准电压，即取Ud= Uc 则基准电流Id和基准电抗Xd可按下述公式计算：,线路的额定电压和基准电压（kV）,假设短路发生在4WL，选基准容量为Sd，各级基准电压分别为Ud1=Uav1，Ud2=Uav2，Ud3=Uav3，Ud4=Uav4，则线路1WL的电抗X1WL归算到短路点所在电压等级的电抗X1WL为,1WL的标幺值电抗为,电力系统的电抗标幺值计算公式,上述分析表明：变压器的变比标幺值等于1，这种近似估算法避免了多级电压系统中阻抗的换算，使得计算简单、结果清晰。这也是采用标幺制法计算短路电流具有的突出优点。,电力变压器的电抗标幺值计算公式,电力线路的电抗标幺值计算公式,
10、短路电路中各主要元件的电抗标幺值求出以后，即可根据其电路图进行电路化简，计算其总电抗标幺值。由于各元件电抗相对值与短路计算点的电压无关，因此不需要进行电压换算，这一点也是标幺制法的优越之处。,无限大容量电源系统的概念,无限大容量电源系统是指其容量相对于一个工厂（或任意一个电力用户）的用电设备容量大得多的电力系统，以致馈电用户的线路上无论如何变动甚至发生短路时，系统变电站馈电母线上的电压能始终维持基本不变。 在实际应用中，为了简化短路计算，通常把内阻抗小于短路回路总阻抗10%的电源或系统均作为无穷大容量电源进行分析。,无限大容量系统三相短路电流周期分量有效值,无限大容量系统三相短路电流周期分量有
11、效值的标幺值,三相短路容量的计算公式,试用标幺制法计算下图所示供电系统中k-1点和k-2点的三相短路电流和短路容量。,解,例,确定基准值,Sd=100MVA，Uc1=10.5kV；Uc2=0.4kV,解,计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值 查有关资料得电力线路的Soc=500MVA，所以,查有关资料得架空线路的Xo=0.38/km，所以,查有关资料得电力变压器的Uk%=0.45，所以,绘出短路等效电路如下图所示,解,求k-1点的短路总电抗标幺值及三相短路电流和短路容量 总电抗标幺值,三相短路电流周期分量有效值,其它三相短路电流,三相短路容量,解,求k-2点的短路总电抗标幺值及三相短路电流和短
12、路容量 总电抗标幺值,三相短路电流周期分量有效值,其它三相短路电流,三相短路容量,两相短路电流的计算,图示电路发生两相短路时，短路电流为,Uc为短路点的平均额定电压X为短路回路一相总阻抗,其他两相短路电流 、 、 、 等，都可以按前,面的三相短路对应短路电流的公式进行计算。,关于两相短路电流与三相短路电流的关系，可由,单相短路电流的计算,在中性点接地电流系统中或三相四线制系统中发生单相短路时，根据对称分量法可求得其单相短路电流为,通常可按下式求得,式中 是电源的相电压； 是单相短路回路的阻抗，,式中RT和XT分别为变压器单相的等效电阻和电抗，R-0和X-0分别为相与零线或与PE线或PEN线的回
13、路电阻和电抗，包括回路中低压断路器过流线圈的阻抗、开关触头的接触电阻及电流互感器一次绕组的阻抗等，可查有关手册或产品样本获得。,在远离发电机的用户变电所低压侧发生单相短路时，正序阻抗Z1约等于负序阻抗Z2，单相短路电流为,三相短路电流为,比较上述两式可得出结论：在无限大容量系统中或远离发电机处短路时，两相短路电流和单相短路电流均较三相短路电流小，因此用于选择电气设备和导体的短路稳定度校验的短路电流，应采用三相短路电流；两相短路电流主要用于相间短路保护的灵敏度检验；单相短路电流主要用于单相短路保护的整定及单相短路热稳定度校验。,电力系统故障后的一般计算方法示意图,等值,对称分量 法,叠加原理,问
14、题与思考,某供电系统如下图所示。试求工厂配电所10kV母线上k-1点短路和车间变电所低压380V母线上k-2点短路的三相短路电流和短路容量。,任务四 供配电系统电气设备的选择和校验,电气设备的额定电压不得低于所接电网的最高运行电压。,电气设备的额定电流不小于该回路的最大持续工作电流或计算电流。,应考虑设备的安装地点、环境及工作条件，合理地选择设备的类型，如户内户外、海拔高度、环境温度及防尘、防爆等。,短路热稳定校验：系统中有短路电流通过电气设备时，导体和电器各部件温度(或热量) 不应超过允许值，应满足热稳定的条件,短路动稳定校验：当短路电流通过电气设备时，短路电流产生的电动力应不超过设备的允许
15、应力，即满足动稳定的条件,开关设备断流能力校验对断路器、熔断器等能开断短路电流的开关设备，其断流容量不小于安装处的最大三相短路容量，即,试选择下图所示电路中高压断路器的型号和规格。已知10kV侧母线短路电流为5.3kA，控制QF的线路继电保护装置实际最长的动作时间为1.0s。,解,例,变压器高压侧最大工作电流按变压器的额定电流计算得,线路首端短路时流过断路器的电流最大，而线路首端k1点短路与母线k2点短路，其短路电流相等，即短路电流冲击值：,解,短路容量,拟选用高压真空断路器，断路时间toc=0.1s。故短路假想时间,高压断路器选择和校验结果,根据选择条件和相关数据，可选用ZN310/630型
16、高压真空断路器，其技术数据可由相关手册查出。,校验结果表明所选高压真空断路器满足要求。,低压断路器过电流脱扣器的选择过流脱扣器的额定电流应大于或等于线路的计算电流，即： IN.ORI30低压断路器过流脱扣器的整定a.瞬时过流脱扣器动作电流应躲过和大于线路的尖峰电流，即 IOp(o)KrelIpk 式中：Krel可靠系数。对动作时间在0.02s以上的DW系列断路器可取1.35；对动作时间在0.02s及以下的DZ系列断路器宜取22.5。可见，断路器动作时间越短，越不易防止尖峰电流使其动作，所以可靠系数越要取大。b.短延时过流脱扣器动作电流和时间的整定应使过流脱扣器的动作电流IOp(s)躲过线路短时间出现的负荷尖峰电流Ipk，即 IOp(s) KrelIpk 式中：Krel可靠系数。取1.2。,
