短路电流及其计算

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1、短路电流及其计算第一节短路电流概述本节将了解短路的原因及危害，掌握短路的种类，并知道短路电流计算的基本方法。一、短路的概念短路时至三相电力供电系统中，相与相或相与地的导体之间非正常连接。在电力系统设计和运行中，不仅要考虑正常工作状态，而且还必须考虑到发生事故障碍 时所照成的不正常工作状态。实际运行表明，在三相供电系统中，破坏供电系统正常运新的 故障最为常见而且危害最大的就是各种短路。当发生短路时，电源电压被短接，短路回路阻 抗很小，于是在回路中流通很大的短路电流。对中性点不接地的系统又相遇相之间的短路;对于中性点接地的系统又相遇相之间的短 路，一项于几项与大地相连接以及三相四线制系统中相与零项

2、的连接等，其中两相接地的短 路实际上是两相短路。常见的短路形式如图31所示图5娅路的形式叮二相短谿b）炖相坦晤c）单相熱路d）两相接地担辭2. 短路的基本种类在三相供电系统中，短路的类型主要有：（1）三相电路三相短路是指供电系统中，三相在同一点发生短接。用“d”表示，如图3-1a所示。（2）两相电路两相短路是指三相供电系统中，任意两项在同一地点发生短接。用“1（2）”表示，如图3-1b 所示。（3）单相电路单相短路是指在中性点直接接地的电力系统中，任一项与地发生短接。用勺”表示，如 图3-1c所示。（4）两相接地电路两相接地的短路是指在中性点直接接地的电力系统中，不同的两项同时接地所形成的两相

3、短 路，用“dd-D”表示，如图3-1d所示。按短路电流的对称性来说，发生三相短路时，三项阻抗相等，系统中的各处电压和电流仍 保持对称，属于对称性短路，其他形式的短路三相阻抗都不相等，三相电压和电流不对称, 均为不对称短路。任何一种短路都有可能扩大而造成三相短路。因为短路后所产生的电弧，会迅速破坏向自 家的绝缘，形成三相短路。这种情形在电缆电路中，更为常见。由于煤矿供电系统大都为小接地电流系统，且大都距大发电厂较远，故单相短路电流值 一般都小于三相短路电流值，而两相短路电流值亦比三相短路电流值小。另外，供电系统中： 发生单相短路的可能性最大，一般只发生在中性点直接接地系统或三相四线制系统中，而

4、发 生三相短路的可能性最小；但三相短路的短路电流最大,，因此造成的危害也最严重。为了 使电力系统中的电气设备在最严重的短路状态下也能可靠地工作，在作为选择和校验电气设 备用的短路计算中，要以三相短路计算为主。3. 短路的原因造成短路的原因，主要有以下几个方面：(1 )在绝大多数情况下，绝缘的破坏是由于未及时发现和消除设备中的缺陷，以及设计、 安装和维护不当所造成的，例如过电压、直接雷击、绝缘材料的老化、绝缘配合不当和机械 损坏等。另外，设备长期过负荷运行，使绝缘加速老化或破坏。(2) 运行人员由于违反安全操作规程发生误操作，如带负荷断开隔离开关或检修后未撤 接地线就合断路器等。(3) 线路断线

5、、倒杆。鸟兽跨接裸露的导电部分而发生短路。(4) 在含有损坏绝缘的气体或固体物质地区，而未考虑电气间隙与爬电距离(应符合相关 国家标准)等。4. 短路的后果在供电系统中发生短路将产生以下破坏性的后果：(1 )电流的热效应由于短路电流比正常工作电流大几十倍至几百倍，这将使电气设备过热，绝缘损坏，甚 至把电气设备烧毁。(2) 电流的电动力效应巨大的短路电流通过电气设备将产生很大的电动力，可能引起电气设备的机械变形、扭 曲甚至损坏。(3) 电流的电磁效应交流电通过导线时，在线路的周围空间产生交变电磁场，交变电磁场将在邻近的导体中 产生感应电动势。当系统正常运行或对称短路时，三相电流是对称的，在线路的

6、周围空间各 点产生的交变电磁场彼此抵消，在邻近的导体中不会产生感应电动势；当系统发生不对称短 路时，短路电流产生不平衡的交变磁场，对线路附近的通信线路信号产生干扰。(4) 电流产生电压降巨大的短路电流通过线路时，在线路上产生很大的电压降，特别是靠近短路点处电压降 低很多，使用户的电压降低，影响负荷的正常工作(电动机转速降低或停转，白炽灯变暗或 熄灭)，还可能破坏部分或全部用户的供电。在煤矿供电系统中，短路电流可达数千安培至数万安培的数值，如此巨大的短路电流通 过电气设备导体时，必然产生很大的电动力和热的破坏作用。随着短路点距电源的远近和持 续时间的长短不同，其破坏作用可能局限于一部分，也可能影

7、响整个电力系统。短路电流越 大，持续时间越长，对政障设备的破坏程度越大。短路电流所产生的电动力能形成很大的破 坏力，如果导体和它们的支架不够坚固，可能遭到难以修复的破坏。这样大的短路电流即使 通过的时间很短，也会使设备和导体引起不能允许的发热，从而损坏绝缘，甚至使金属部分 退火、变形或烧坏。供电系统发生短路时将产生上述后果，故在供电系统的设计和运行中，必须设法消除可 能引起短路的切因素。为了尽可能减轻短路所引起的后果和防止故障的扩大，一方面，要计 算短路电流以便正确选择和校验各电气设备，保证在发生短路时各电气设备不致损坏；另一 方面，一旦供电系统要发生短路故障，应能迅速、准确地把故障线路从电网

8、中切除，以减 小短路所造成的危害和损失。二、计算短路电流的目的为了防止发生短路所造成的危害及限制故障范围的扩大，需要进行一系列的计算及采取 相应措施，以保证供电系统在正常或故障的情况下：安全、可靠地运行，减小短路所来的损 失和影响。掌握短哮电流的计暮方法很重要，车票用于解决下列技术问题号1. 选择校验电气设备在选择电气设备时，需要计算出可能通过电气设备的最大短路电流及其短路电产生的 热效应及电动力效应,；以便校验电气设备的热稳定性和动稳定性，确保电气设备在运行中 不受短路电流的冲击而损坏。2. 确定选择和校验继电保护装且以及所帘的各种参数上为了确保继电保护装置灵敏、可靠、有选择性地切除电网故障

9、。，在选择、整定雏电保 护装置时，需计算出保护范围末端可能产生的最小两相短路电流，用于校验继电保护装置动 作灵敏度是否满足要求。3. 选择限流的措施和限流装置当短路电流过大造成电气设备选择困难或不经济时,可在供电线路串接限流装置来限制 短路电流。是否采用限流装置，须通过短路电流的计算来决定，同时确定限流装置的参数, 以确保电气设备不被蟑路电流损坏。4. 选择供电系统的主接线和运行方式。不同的接线和浑行方式，短路电流的大小也不同。在判断接线及运行方式是否合理时, 必须计算出在某种接线和运行方式下的短路电流才能确定，以便判断哪种主接线方式更能保 障供电的安全和可靠，然后再决定系统的主要运行方式。5

10、. 确定事故原因根据故障的实际情况，进行故障分析，找出事故的发生原因。三. 、计算短离电流时的基本假设和简化条件因为电力系维的实际情况比较复杂，在实际计算中常采用近似计算的方法丄将计算条 件进行假设和简化。其计算条件简化如下：1. 系统在正常运行时是三相对称的，计算短路电流时忽略负荷电流。2. 不考虑铁磁饱和现象，认为电抗是常数；系统各元件的磁路不饱邴，即各元件电抗 值与电流大小无关，所以在计算可以庳用叠加原理。3. 当短路系统中的电阻值小于电抗值的1/3时.，电阻值可以忽略，按纯电抗电路计算。4. 除远距离高压输电线路外，一般不考虑电网电容电流。5. 变压器的励磁电满略去不计，相当于励磁由坑

11、回断开，这样可简化变压器的等值电 路。6. 在1 140 V以下的低压电网中发生短路时，可认为变压器上次侧电压末变。按假设 简化条件计算的短路电流值偏大，其误差为10%15%。第二节。短路电流的计算一、短路电流的过渡过程电力系统短路的因素往往是逐渐形成的，由故障因素转变成短路故障往往是突然的。在 发生突然短路时，系统总是由工作状态经过一个暂态过程进入短路稳定状态，电流也由正常 值突然增大，经过暂态过程达到新的稳态值。而暂态过程中的短路电流值，比其稳态值大得 多；虽然它经历的时间很短，但它对电气设备的危害性远比稳态短路电流严重得多。所以了解短路电流的暂态过程具有重要意义。短路电流的暂态过程与系统

12、的电源容量有关。对于无限大容量系统暂态过程比较简单, 而有限容量系统暂态过程要复些，现讨论无限大电源容量系统短路电流暂态过程。所谓无限 大头电源系统是一个相对的概念，它是电源额定容量大于系统短路容量3倍时的电源。就 是说短路点距电源轻远，短路回路的阻抗较大，短路点的短路舂虽比电源容量小得多，实际 上短路点的短路容量小于电源容量的1/3时，电力系统可认为是无限大电源容量系统。在这样电源的系统中，若发生三相突然短路,。由于电源系统阻抗比起变压器、电抗器、 鳃政等夫件的阻抗小很多，而容量支大得多。因此在暂态过程中，短路电流在电源系统内部 产生的压降很小，所以电源母线电压变动甚微。在分析短路电流变化规

13、律时，可以认为系统 母线电压维持不变。当供电系统正常运行时，电路中流过的电流是负荷电流系统在稳定状态下二作。当供 电线路发生兰相短路故障后，系统将进入新的稳定状态，即系境由正常士作稳态过渡到短路 后的稳态，这一变化过程称为短路电流的暂态过程，或称为短路电辑的过渡过程。二、有关短路计算的物理昼1.稳态短路电流I当非周期分量衰减到零后，短路故障的曹态过程即告结束，此时进入短路的稳定状态, 这时的电流称为稳态短路电流，其有效值用I 表示。当系统容量为无限大时，稳态短路电流I。就等于短路电流周期分量有效值I也等于带计算的短路电流有效值Id，Id是短路 sspe保护装置整定和校验的依据，也是选择、校验电

14、气设备的依据。2.短路电流冲击值i.短路电流可能的最大瞬时值，称为冲击电流，用i 表示i 是用来校验电气设备和 母线动稳定的重要数据。在实际计算中，对于高压供电系统，短路电流冲击值为:(31)对于低压电网，则短路电流冲击值为:(32)如果短路是在产生最大瞬时值的条件下发生，则在短路后第一个周期内的短路电流有效值将 最大，该值称为短路全电流的最大有效值（又称冲击电流有效值），用I： m表示。11m常用 来校验电气设备的动稳定性。在高压电网中为：(33)在低压电网中为:(34)4.短路容量Sdd在短路计算和电气设备选择时，常通勤短路牢直的概念，它定义为短路回路的电源电压Ud d 和短路电流Jd所构

15、成的三相视在功率，即=d(35)额定电压下的最大开断电流I表示，或者用额定断容量来表示，即S =、UNI ,它应大ococN oc于电网的短路容量才能选用。三、矿井高压电网短路计算在煤矿企业的供电系统中，大多属于无限大电源容重系统。对无限大电源容量系统短 路电流的计算方法常用欧姆法和标么制法。有限大电源容量系统短路电流计算，一般采用查 串线和查表法。这里只介绍最简单的欧姆法，又称有名制法，即根据电源电压及回路阻抗按欧姆定律什 算。因其在短路计算的阻抗，都采用有名单位“欧姆”而得名占计算的主要任务是求出短 路意态电流1 = Id (含三相和两相)、冲击电流I.、冲击电流有效值I.和短路容量sd的具体 ss dimid数据。在高压电路的短路电流计算时，通常总电抗X2远比总电阻R2大，所以一般只计电抗, 不计电阻。在计算低压侧短路时，也只有当R2 X2/3时，才需计人电阻。1.高压电网短路计算的基本公式高压电网短路计算的基本公式如下二 S爲二 Z 55/玉25炉晋=0.初6打：式中ij3)稳态三相短路电流，kA；dUc短路点所在处线路的平均电压，kV；Xz短路回路的总电抗IJ2稳态两相短路电流，kA IJ2);的表达式可由对称分量法导出。dA， d为了简