低压电器系统第三章

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1、3.1短路概述,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。,正常的电力系统中，除中性点之外，相与相和相与地之间是绝缘的，不论由于何种原因使绝缘遭到破坏，不同电位的导电部分之间的低阻抗短接而构成通路，即所谓电力系统发生了短路故障。,3.1.1短路的原因,1.设备原因 指电气设备、元件的损坏。如设备绝缘部分自然老化或设备本身有缺陷，正常运行时被击穿导致短路；设计、安装、维护不当所造成的设备缺陷最终发展成短路等。 2.自然原因 由于气候恶劣，如大风、降温、导线覆冰等引起架空线倒杆断线；因遭受直击雷或雷电感应导致设备过电压或绝缘被击穿等。,

2、3.人为原因 工作人员违反操作规程，带负荷拉闸造成相间弧光短路；违反电业安全工作规范，带接地刀闸合闸造成金属性短路；人为疏忽接错线造成短路；运行管理不善，造成小动物进入带电设备内形成短路事故等。 4. 其他原因 如挖沟损伤电缆，鸟兽跨接在裸露的载流部分等。,3.1.2短路故障的危害,1.短路电流的热效应 巨大的短路电流通过导体，短时间内产生很大的热量，形成很高的温度，极易造成设备过热而损坏。 2.短路电流的电动力效应 由于短路电流的电动力效应，导体间将产生很大的电动力。如果电动力过大或设备结构强度不够时，则可能引起电气设备机械变形甚至损坏，使事故进一步扩大。 3.故障点往往有电弧产生，可能烧坏

3、故障元件，也可能殃及周围设备,4.短路时系统电压下降 短路造成系统电压突然下降，给用户带来很大的影响。例如，作为主要动力设备的异步电动机，其电磁转矩与端电压平方成正比。电压大幅下降，将造成电动机转速降低甚至停止运转，给用户带来损失；同时，电压降低会影响照明负荷，如电灯突然变暗或一些气体放电灯的熄灭等，影响正常的工作、生活和学习。,5.不对称短路的磁效应 当系统发生不对称短路时，不对称短路电流的磁效应所产生的足够的磁通在邻近的电路内能感应出很大的电动势，这对于附近的通信线路、铁路信号系统及其他电子设备、电动控制系统可能产生强烈干扰。 6.短路时的停电事故 短路时会造成停电事故，给国民经济带来损失

4、。并且短路越靠近电源，停电波及范围越大。,7.破坏系统稳定性，造成系统瓦解 短路可能造成的最严重后果就是使并列运行的各发电厂之间失去同步，破坏系统稳定性，最终造成系统瓦解，形成地区性或区域性大面积停电。,3.1.3短路故障的类型,1. 基本形式：三相短路、两相短路、两相接地短路、单相短路。 还可以分为： 对称短路：短路后，各相电流、电压仍对称，如三相短路； 不对称短路：短路后，各相电流、电压不对称，如两相短路、两相接地短路和单相短路。,2.三相短路 三相短路是指供配电系统三相导体间的短路。 三相短路是对称短路，用k(3)表示。因为短路回路的三相阻抗相等，所以三相短路电流和电压仍然是对称的，只是

5、电流值比正常值增大，电压比额定值降低。三相短路发生的概率最小，只有5%左右，但它却是危害最严重的短路形式。,3.两相短路 两相短路是指三相供配电系统中任意两相导体间的短路。 两相短路是不对称短路，用k(2)表示，两相短路发生的概率为10%15%。,4.两相接地短路 两相接地短路是指中性点不接地系统中，两个不同的相均发生单相接地而形成的两相短路，亦指两相短路后又接地的情况。 两相接地短路也是一种不对称短路，用k(1,1)表示，两相接地短路发生的概率为10%20%。,5.单相短路 单相短路指供配电系统中任一相经大地与中性点或与中线发生的短路。 单相短路也是一种不对称短路，用k(1)表示，它的危害虽

6、不如其他短路形式严重，但在中性点直接接地系统中发生的概率最高，占短路故障的65%70%。,3.1.4短路电流计算的目的,1.选择和评价电气主接线的方案 短路电流计算可为不同方案进行技术经济比较，并为确定是否采取限制短路电流措施等提供依据。 2.选择和校验各种电气设备 3.确定中性点接地方式 对于35kV、10kV的供配电系统，根据单相短路电流可确定中性点接地方式。 4.选择继电保护装置和整定计算 5.进行电力系统暂态稳定计算，研究短路对用户工作的影响,3.1.5 短路电流计算的主要参数,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）。

7、4. 短路电流稳态值（有效值）。,3.1.6短路电流计算条件,短路电流计算中，为简化分析，通常采用以下基本假定： （1）正常运行时，三相系统对称运行。 （2）所有电源的电动势相位角相同。 （3）系统中所有的同步和异步电动机均为理想电机。 （4）电力系统中各元件的磁路不饱和，即带铁心的电气设备电抗值不随电流的大小而发生变化。 （5）同步电机都具有自动调节励磁装置。,（6）不考虑短路点的电弧电阻。 （7）不考虑变压器的励磁电流。 （8）除计算短路电流的衰减时间常数和低压电网的短路电流外，元件的电阻略去不计。 （9）输电线路的电容略去不计。 （10）元件的计算参数取额定值。,简化假设 1. 负荷用恒

8、定电抗表示或略去不计； 2. 在高压网络中各元件均用纯电抗表示； 3. 系统除不对称故障处出现局部不对称外，其余部分 是三相对称的。,电力系统中，发生在中性点接地系统中的单相短路电流有可能最大，而在中性点接地系统中都采取了限制单相短路电流的措施，因此，单相短路电流不可能最大。一般企业电网都是中性点不接地的635kV电网，距电源较远，因而实际上三相短路电流最大，造成危害也最重，所以短路电流计算的重点是三相短路电流计算。,3.2 无限大容量供电系统三相短路分析,3.2.1无限大容量供电系统的概念,无限大容量供电系统，就是端电压保持稳定，没有内部阻抗和容量无限大（相对于用户内部供配电系统容量大）的电

9、力系统，以致用户的负荷不论如何变动甚至发生短路时，电力系统变电所馈电母线的电压能基本维持不变。,在发生短路时，发电机发生的电磁暂态变化过程复杂，为简化分析，假设发生在无限大容量系统中。,目的：简化短路计算,SS= ZS=0 US=const,合理性：,STSS 误差在允许范围,在实际用户供电设计中，当电力系统总阻值不超过短路电路总阻值的5%-10%，或电力系统容量超过用户供配电系统容量的50倍时，可将电力系统视为“无限大容量电源”。 对一般企业供配电系统来说，由于企业供配电系统的容量远比电力系统总容量小，而其阻抗又较电力系统大得多，因此企业供配电系统内发生短路时，电力系统变电所馈电母线上的电压

10、几乎维持不变，也就是说，可将电力系统看作无限大容量的电源。,3.2.1 无限大容量供电系统的概念,STSS 误差在允许范围 偏保守,无限大容量系统发生三相短路,3.2.2 无限大容量供电系统三相短路暂态过程,发生短路后，由于负荷阻抗和部分线路阻抗被短路，所以电路电流要突然增大；但由于电路中存在电感，电流不能突变，引起一个过渡过程。 由于暂态过程中的短路电流比起稳态值要大很多，所以暂态过程虽然时间很短，但它对电器设备的危害却远比稳态短路电流要严重得多。,1）正常运行,电源相电压：,运行电流：,阻抗角,电流幅值：,等效成单相电路分析,2）三相短路分析,k点右侧，没有电源，电流衰减到零； k点左侧有

11、电源，阻抗突变Z,I；I不突变，出现非周期分量电流，不断衰减（暂态过渡过程），最终达到稳定值。,定性分析,定量分析,非齐次一阶微分方程,该方程式的解就是短路的全电流，它由两部分组成： 第一部分是方程式的特解，代表短路电流的周期分量； 第二部分是对应齐次方程的一般解，代表短路电流的非周期分量。,短路电流周期分量幅值； 短路回路阻抗角； 短路回路时间常数； 短路电流非周期分量初始值,由初始条件决定，即在短路瞬间t=0时，短路前工作电流与短路后工作电流相等。,非周期分量，自由分量，按指数衰减，最终为0,周期分量，稳态分量,3）最严重三相短路时的短路电流,短路地点： 距离电源越近，则短路电流越大；,短

12、路回路纯电感，即 。,最严重短路电流的条件： 在短路瞬间t=0时，A相电压过零，a=0或180；,短路前，电路空载 或 ；,3.2.3 三相短路的有关物理量,1）短路电流周期分量有效值,短路点的短路计算电压（或称平均额定电压），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 线路额定电压高5%，按我国标准有0.4,0.69,3.15,6.3,10.5,37,短路电流非周期分量最大值：,2）次暂态短路电流,短路电流周期分量在短路后第一个周期的有效值。,3）短路全电流有效值,指以时间t为中心的一个周期内，短路全电流瞬时值的均方根值。,无限大容量系统发生三相短路时，

13、短路电流周期分量有效值保持不变。,4）短路冲击电流和冲击电流有效值,最严重三相短路时短路全电流最大瞬时值发生时刻,4）短路冲击电流和冲击电流有效值,短路冲击电流：短路全电流的最大瞬时值,出现在短路后半个周期，t=0.01s,短路电流冲击系数；对于纯电阻电路，取1； 对于纯电感性电路，取2；因此，介于1和2之间。,冲击电流有效值：短路后第一个周期的短路全电流有效值。,6）三相短路容量,选择断路器时，校验其开断能力的依据。,5）稳态短路电流有效值,短路电流非周期分量衰减后的短路电流有效值,无限大容量系统发生三相短路时，短路电流周期分量有效值保持不变。,3.3 无限大容量供电系统三相短路电流的计算,

14、短路电流计算步骤,短路计算电路图,短路等效电路图,短路电流计算方法,（1） 有名单位制法欧姆法,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去。 阻抗等效换算的条件是元件的功率损耗不变。,短路计算中，电气设备各元件的阻抗及其电气参数用有名单位（欧、安、伏）来计算,（2）相对单位制法标幺值法,需考虑变压器变比和电气设备参数的归算问题，不方便,3.3.1 标幺制,概念：用相对值表示元件的物理量,步骤,选定基准值,基准容量、基准电压、基准电流、基准阻抗,通常选定 、,计算标幺值,注：标幺值是一个没有单位的相对值，通常用带*的上标以示区

15、别。,换算到短路点电压等级的等效电抗,换算到短路点电压等级的等效电抗标幺值,用基准容量和元件所在电压等级的基准电压计算的阻抗标幺值，和将元件阻抗换到短路点所在的电压等级，再用基准容量和短路点所在电压等级基准电压计算的阻抗标幺值相同，即变压器变比标幺值为1。,3.3.2 短路回路元件的标幺值阻抗,1.线路的电阻标幺值和电抗标幺值,电力线路阻抗有名值：,给定参数：电力线路长度、单位长度电阻和电抗,2.变压器的电抗标幺值,变压器阻抗有名值：,电阻很小，可以忽略不计,给定参数：额定容量和阻抗电压,换算到变压器一次侧的等值阻抗,3.电抗器的电抗标幺值,给定参数：电抗器的额定电压、额定电流、电抗百分数,用

16、来限制短路电流的电感线圈,电抗器电抗有名值为：,注意：安装电抗器的网路电压不一定和电抗器的额定电压相等。,4.电力系统的电抗标幺值,1）给定参数：电力系统电抗有名值Xs,2）给定参数：电力系统出口断路器断流容量,3）给定参数：电力系统出口处的短路容量,若电力部门提供相关参数，则考虑,5.短路回路的总阻抗标幺值,给定参数：总电阻标幺值和总电抗标幺值,高压系统：只计及电抗而忽略电阻；,若 ，可忽略电阻，即 。,低压系统：往往需计及电阻。,3.3.3 三相短路电流的计算,三相短路电流周期分量有效值,总阻抗标幺值,冲击短路电流,高压系统：,低压系统：,三相短路容量,由短路回路总阻抗标幺值计算短路电流标幺值，再计算短路各量，即短路电流、冲击短路电流和三相短路容量。,短路电流具体计算步骤：,画出短路电流计算系统图；包含所有与短路计算有关的元件，并标出各元件的参数和短路点；,画出等效电路图；每个元件用一个阻抗表示，电源用一个小