第三章__短路电流计算

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1、1,第三章 短路电流计算,本章讨论供配电系统在短路故障情况下的短路电流计算方法，其目的主要是供母线，电缆，设备的选择和继电保护整定计算用。,第一节 概述,第二节 三相短路过渡过程分析,第三节 供电系统电气元件参数计算,第四节 短路电流计算,第五节 电网短路电流计算中的特殊问题,第六节 短路电流力效应和热效应分析,短路是指电力系统正常运行之外的相与相或相与地之间的“短接”。短接包括：1.金属性连接 2.经小阻抗连接,2,预备知识,小接地系统与大接地系统,小接地系统 电源中性点与大地隔离或经大电抗线圈连接。,大接地系统 电源中性点与大地直接金属性连接。,常用于工业企业供电系统,常用于高压输电系统,

2、3,接地装置,由接地连接线和接地体构成,4,接地电阻测量仪,5,接地变压器 为三相变压器（或三相电抗器），常用来为无中性点的系统提供一个人工的、可带负载的中性点，供系统接地使用。 其接地方式有：直接接地，与接地电抗器、电阻或消弧线圈组合接地。 接地变压器可带一个供连续使用的低电压的二次绕组作为变电站辅助电源。,接地变压器内部,预备知识,接地变压器外部,6,消弧线圈 消弧线圈是一个装设于配电网中性点的可调电感线圈，当电网发生单相接地故障时，消弧线圈的作用是提供一个电感电流，补偿单相接地的电容电流，使电容电流减小到规定值以下；同时，也使得故障相接地电弧两端的恢复电压速度降低，达到自动熄灭电弧的目的

3、。 消弧线圈的电抗或电流通过有载(无载)分接开关调节。,预备知识,7,原理根据系统运行方式及发展情况，确定消弧线圈在过补偿条件下的额定容量，即可确定在接地故障时可提供的电感电流。增设消弧线圈二次电容负荷绕组，同时在该消弧线圈的二次绕组上并联若干只（一般为四至五只）低压电容器，通过控制器控制二次电容器投入的数量，来调节消弧线圈二次容抗的大小，从而改变消弧线圈一次侧电感电流的大小。 电力系统正常运行时，消弧线圈装置工作在最大过补偿状态，保证电网中性点不高于电网额定相电压的15%，控制器实时监测电网线路的对地总容抗，从而计算出所需补偿的电感电流值。,调容式消弧线圈装置装置构成图,8,第一节 概述,一

4、 短路的种类,三相短路 ，两相短路 ，单相短路 和两相接地短路 （仅大接地系统有）。（a、b为小接地系统，c、d为大接地系统）,65%,20%,10%,5%,三相交流系统危害较大的短路类型主要有：,9,二 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。,（3）运行人员不遵守操作规程，如带负荷拉、合隔离开关，检修后忘却拆除地线合闸等非正常操作(人员过失)。,（4）鸟兽跨越在裸露导体上等意外故障。,第一节 概述,元件损坏、气象条件恶化 、人员过失 、其他原因。,（2）气象条件恶化,10,三 短路的危害

5、,（1）短路产生很大的热量，导体温度升高，将导体绝缘破坏。,（2）短路产生巨大的电动力，使电气设备受到机械破坏。,（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）短路造成停电，给国民经济带来损失，给人民生活带来不便。,（5）严重的短路将影响电力系统运行的稳定性，使同步发电机失步。,（6）单相短路产生不平衡磁场，对通信线路和弱电设备产生严重电磁干扰。,第一节 概述,11,四 短路电流计算的目的,（1）正确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。 （4）研究短路对用户工作的影响。,第一节 概述,12,五 短路电流计

6、算的主要参数,（1） 次暂态短路电流（有效值）。 （2） 短路电流最大值（瞬时值） 。 （3） 短路电流最大有效值（有效值）。 （4） 短路电流稳态值（有效值）。,第一节 概述,13,第二节 三相短路过渡过程分析,一 无限大容量三相短路分析,负 载,M,其中：,短路时刻（t=0）前，供电回路的电压电流方程为：,为电源电压初相角,为电源电压角频率,14,第二节 三相短路过渡过程分析,一 无限大容量三相短路分析,当在t=0时刻，发生短路,图3-3无限大系统三相短路电路图,图3-4 无限大系统三相短路单相等值电路图,负 载,K,K,从短路时刻（t=0）开始，短路回路的电压方程为：,M,为电源电压初相

7、角,为电源电压角频率,15,为短路回路的阻抗角，,一 无限大容量三相短路分析,求解上述微分方程，得到：,其中：,由于感性电路在短路瞬间电流不能突变 ，由此特征求解A值：,得：,为短路电流周期分量幅值，,第二节 三相短路过渡过程分析,16,：非周期分量衰减时间常数，,一 无限大容量三相短路分析,将A带入 的表达式，得到短路后短路电流随时间变化的表达式：,第二节 三相短路过渡过程分析,决定非周期分量按指数规律衰减的快慢,短路发生在高压电网时：,短路发生在发电机附近时：,17,二 产生最大短路电流的条件,（1）线路近似于纯感性（ ， ）,（2）当发生短路瞬间，电压瞬时值过零（ ）,（3）如短路前，线

8、路空载（ ）,第二节 三相短路过渡过程分析,18,二 产生最大短路电流的条件,满足上述三个条件的短路，称为无载线路合闸严重短路,三个短路相电流分别为,只有电压瞬时值过零的那一相才有最大短路电流产生。,第二节 三相短路过渡过程分析,19,二 产生最大短路电流的条件,三相短路时最严重相的电流波形图,第二节 三相短路过渡过程分析,20,1、 次暂态短路电流周期分量有效值,第二节 三相短路过渡过程分析,21,2、 短路电流冲击值 短路冲击电流是短路全电流的瞬时最大值，出现在短路后半个周期位置，即t=0.01秒时刻。,因为,第二节 三相短路过渡过程分析,其中：,22,第二节 三相短路过渡过程分析,23,

9、3、 短路电流冲击有效值,短路冲击电流有效值是短路后第一个周期的短路全电流有效值。,第二节 三相短路过渡过程分析,24,4、 短路电流稳态值 短路稳态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 表示。 在无限大容量系统中， 在有限大容量系统中，,第二节 三相短路过渡过程分析,25,主要指同步发电机及其附近发生三相突然短路,不能当作“无限大”系统的情况 1）发电机端点或端点附近发生短路； 2）短路点虽离发电机较远，但发电机容量有限。 表象原因：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

10、续维持恒定。,四 有限容量电源供电系统三相短路分析,第二节 三相短路过渡过程分析,26,四 有限容量电源供电系统三相短路分析,本质原因： 在以上地点发生三相突然短路时，由于短路电流所造成的强烈去电枢磁性反应，使发电机端口电动势和内部电抗在短路的暂态过程中发生变化，相应的短路电流周期分量的振幅也随之变化，这是与无限大系统相区别的地方。 分析过渡过程时，要考虑各部分磁通和定子绕组阻抗的变化。,第二节 三相短路过渡过程分析,同步发电机发生三相突然短路,27,同步发电机主磁通变化,同步发电机发生三相突然短路,四 有限容量电源供电系统三相短路分析,电枢磁势Fa与励磁磁势Ff反向，合成磁势的幅值减小 ，此

11、时电枢反应性质为直轴去磁电枢反应。,28,突然短路后的几个阶段,同步发电机发生三相突然短路,四 有限容量电源供电系统三相短路分析,短路电流周期 分量最大值Ipm,29,突然短路后定子绕组电抗的变化,同步发电机发生三相突然短路,四 有限容量电源供电系统三相短路分析,阻尼绕组,阻尼绕组,励磁绕组,励磁绕组,阻尼绕组,阻尼绕组,30,突然短路后电流的衰减,同步发电机发生三相突然短路,四 有限容量电源供电系统三相短路分析,定子电流周期性分量的最大值为Im=E0m/xd; 当阻尼绕组中感应电流分量衰减完毕后，电枢反应磁通可以穿过阻尼绕组，电流幅值变为Im=E0m/xd; 当励磁绕组中的感应电流分量也衰减

12、完毕后，达到稳态短路电流，电枢反应磁通可以穿过励磁绕组，电流幅值变为Im=E0m/xd。 当A相绕组交链的空载磁通为零时出现短路，A相短路电流的衰减过程如下图所示,短路发生的时刻不同，其短路电流的值也不同，在最恶劣的情况下发生短路时可能出现的最大电流值称为冲击电流im，其值可达额定电流的10-20倍，它出现在短路后半个周波时刻。考虑到衰减，冲击电流im= Ksh Im，其中Ksh称为冲击系数，取值范围为1.8-1.9。,31,发电机突然短路对发电机的影响,同步发电机发生三相突然短路,四 有限容量电源供电系统三相短路分析,1. 定子绕组的端部受到很大的电磁力的作用，使绕组变形： 定子绕组端部与转

13、子绕组端部相互间的作用力F1； 定子绕组端部与铁心之间的作用力F2。 定子绕组端部相互间的作用力F3； 2. 转轴受到很大的电磁力矩作用，使振动加剧（转子绕组端部受到的作用力F1所引起） ； 3. 短路电流很大，会引起绕组过热。,32,短路电流的周期分量,式中： -次暂态短路电流的有效值； -暂态短路电流的有效值； -稳态短路电流的有效值； -次暂态分量电流衰减的时间常数； -暂态分量电流衰减的时间常数。,从短路瞬间起，经历了次暂态、暂态、稳态的过程。 短路电流周期分量的幅值：,同步发电机发生三相突然短路（无自动励磁调节装置）,四 有限容量电源供电系统三相短路分析,第二节 三相短路过渡过程分析

14、,33,短路电流的周期分量,）空载短路时：,为发电机空载电动势。,）负载情况下端口短路：,为次暂态电动势、暂态电动势、稳态电动势。,其中：,、,依次为发电机额定电压和额定电流。,一般取,，,。,同步发电机发生三相突然短路（无自动励磁调节装置）,四 有限容量电源供电系统三相短路分析,34,短路电流的周期分量,）经外电路短路,其中：,从短路点到发电机端点的总电抗,同步发电机发生三相突然短路（无自动励磁调节装置）,四 有限容量电源供电系统三相短路分析,35,短路电流的非周期分量,最不利条件下（即 ，且 ）,为定子回路衰减时间常数。,则最不利条件下，同步发电机三相突然短路电流瞬时值：,同步发电机发生三

15、相突然短路（无自动励磁调节装置）,四 有限容量电源供电系统三相短路分析,36,次暂态短路电流、冲击短路电流、稳态短路电流,次暂态短路电流,校验机端快速动作断路器开断电流和开断容量时，用对应于开断时刻t的短路电流全电流有效值。,机端短路：,经外电阻短路：,次暂态短路功率：,同步发电机发生三相突然短路（无自动励磁调节装置）,四 有限容量电源供电系统三相短路分析,37,次暂态短路电流、冲击短路电流、稳态短路电流,冲击短路电流,t=0.01s 时,其中 Ksh=1.9 ，机端短路； Ksh=1.8 ，经外阻抗短路。,稳态短路电流,机端短路：,经外电阻短路：,同步发电机发生三相突然短路（无自动励磁调节装

16、置）,四 有限容量电源供电系统三相短路分析,38,装有自动励磁调节装置时同步发电机的三相短路电流,不考虑励磁调节时 认为整个短路过程中发电机的励磁电流不变，则感应电动势为常数。 考虑自动励磁时 a.由于发电机的励磁回路有较大的电感, 励磁电流不能在短路发生后立即增大,所以自动励磁装置的调节效果要在短路后的一定时间内才显示出来。因而在短路后最初几个周波内，励磁电流不会变化. 故: 次暂态短路电流和冲击短路电流的计算与无励磁时相同。 b.当自动励磁装置起作用后,周期分量电流不再减小而是逐渐增加,最后过渡到稳态值. 因此稳态短路电流以及自励装置起作用后的某一时刻的短路电流的计算变得复杂。 稳态值的大小主要与短路点的远近和自动励磁装置的调整程度。 励磁装置起作用后