第3章短路电流及其计算

2022-12-51第第3章章 短路电流及其计算短路电流及其计算第第1节节 短路的原因、后果及形式短路的原因、后果及形式第第2节节 无限大容量电力系统发生三相短路时的物无限大容量电力系统发生三相短路时的物理过程和物理量理过程和物理量第第3节节 无限大容量电力系统中短路电流的计算无限大容量电力系统中短路电流的计算第第4节节 短路电流的效应和稳定度校验短路电流的效应和稳定度校验2022-12-52教学内容：教学内容：短路的原因、后果及其形式；短路的原因、后果及其形式；无限大容量电力系统发生三相短路时的物理过程和物理量；无限大容量电力系统发生三相短路时的物理过程和物理量；三相短路电流的计算；三相短路电流的计算；两相和单相短路电流的计算；两相和单相短路电流的计算；短路电流的效应和稳定度校验。短路电流的效应和稳定度校验。教学重点：教学重点：短路的原因、后果及其形式；短路的原因、后果及其形式；三相短路电流的计算；两相和单相短路电流的计算；三相短路电流的计算；两相和单相短路电流的计算；短路电流的效应和稳定度校验。短路电流的效应和稳定度校验。教学难点：教学难点：三相短路电流和短路容量的计算；三相短路电流和短路容量的计算；短路电流的电动效应和热效应2022-12-53 绝缘损坏、过电压、外力损伤、违反操作规程、动物造成等二、短路的二、短路的后果后果 产生很大的电动力、很高温度、元器件损坏；电压骤停、影响电气设备正常运行；停电、电力系统运行的稳定性遭到破坏；不平衡电流、不平衡逆变磁场、电磁干扰等出现。三、短路的形式三、短路的形式三相短路两相短路 单相短路两相接地短路)3(kI)2(kI)1(kI一、短路的原因一、短路的原因2022-12-54第第1节节 短路的原因、后果及形式短路的原因、后果及形式一、短路的原因一、短路的原因绝缘损坏、过电压、外力损伤、违反操作规程、动物造成等二、短路的后果二、短路的后果产生很大的电动力、很高温度、元器件损坏；电压骤停、影响电气设备正常运行；停电、电力系统运行的稳定性遭到破坏；不平衡电流、不平衡逆变磁场、电磁干扰等出现2022-12-55三、短路的形式三、短路的形式三相短路三相短路两相短路两相短路2022-12-56单相短路单相短路2022-12-57三相短路三相短路为为对称性短路对称性短路,其他形式短路为其他形式短路为不对称性短路不对称性短路电力系统中发生单相短路的可能性最大电力系统中发生单相短路的可能性最大发生三相短路的可能性最小，但造成的危害最严重。发生三相短路的可能性最小，但造成的危害最严重。因此因此作为选择和校验电气设备用作为选择和校验电气设备用的短路计算中，以的短路计算中，以三相三相短路计算为主短路计算为主。计算短路电流目的：计算短路电流目的：1.选择和校验电气设备。选择和校验电气设备。2.整定继电保护装置的动作电流整定继电保护装置的动作电流2022-12-58第第2节节 无限大容量电力系统发生三相无限大容量电力系统发生三相短路时的物理过程和物理量短路时的物理过程和物理量一、一、无限大容量电力系统及其三相短路的物理过程无限大容量电力系统及其三相短路的物理过程无限大容量电力系统：无限大容量电力系统：指供电容量相对于用户供电系统的用电容量大的多的指供电容量相对于用户供电系统的用电容量大的多的电力系统，当用户供电系统的负荷变动甚至发生短路时，电力系统，当用户供电系统的负荷变动甚至发生短路时，电力系统变电所馈电母线上的电压能基本维持不变。电力系统变电所馈电母线上的电压能基本维持不变。或者电力系统容量大于用户供电系统容量或者电力系统容量大于用户供电系统容量50倍时，倍时，可将电力系统视为无限大容量系统。可将电力系统视为无限大容量系统。对于一般供电系统来说，可将电力系统看作无限大容量对于一般供电系统来说，可将电力系统看作无限大容量电源。电源。2022-12-59(二）无限大容量系统三相短路的物理过程二）无限大容量系统三相短路的物理过程WLWLjXRZ无限大容量电源供电的三相电路上发生三相短路的电路图。从电源至短路点的阻抗：从短路点至负荷阻抗LLXjRZ2022-12-510系统正常运行时：电路的负荷电流系统正常运行时：电路的负荷电流ZZUI3当系统发生三相短路时当系统发生三相短路时IZUIk32022-12-511（三）短路有关的电流量（三）短路有关的电流量2022-12-512 1.短路电流周期分量：短路电流周期分量：2.短路电流非周期分短路电流非周期分量：量：3.短路全电流：短路全电流：4.短路冲击电流：短路冲击电流：5.短路稳态电流短路稳态电流Iip 2)0(Iinp 2)0(nppkiiiIkishsh 2kiII 2022-12-513第第3节节 无限大容量电力系统中三相短路无限大容量电力系统中三相短路电流的计算电流的计算一概述一概述首先要绘出计算电路图。首先要绘出计算电路图。并计算短路电路中各元件的阻抗。并计算短路电路中各元件的阻抗。在等效电路图上，只需将被计算的短路电流所流经的在等效电路图上，只需将被计算的短路电流所流经的一些主要元件表示出来，一些主要元件表示出来，并标明其序号和阻抗值一般是分子标序号，分母标阻抗值并标明其序号和阻抗值一般是分子标序号，分母标阻抗值.短路电流计算过程：短路电流计算过程：绘出计算电路图、元件编号、绘等效电路、计算阻抗和总阻抗、计算短路电流和短路容量。2022-12-514短路计算的方法短路计算的方法欧姆法欧姆法标幺制法标幺制法工程设计中采用工程设计中采用的单位的单位电流单位:电压单位:短路容量、断流容量:设备容量单位为：阻抗单位为：kAkVAMV kWAkV.2022-12-515短路容量短路容量二、采用欧姆法进行三相短路计算二、采用欧姆法进行三相短路计算22)3(33XRUZUIcck短路计算短路计算短路电流短路电流)3()3(3kckIUS2022-12-516短路计算中三大主要元件短路计算中三大主要元件：（一）电力系统的阻抗：（二）电力变压器的阻抗1.变压器的电阻:2.变压器的电抗:occSSUX2NckTSUUX100%22)(NckTSUPR2022-12-517(三三)电力线路的阻抗电力线路的阻抗1.线路的电阻2.线路的电抗：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，则电路各元件的阻抗都应统一换算到短路点的短路计算电压去。lRRWL0lXXWL022)()(ccccUUXXUURR2022-12-518电力线路每相的单位长度电抗平均值电力线路每相的单位长度电抗平均值线 路 电 压 线路结构 35kV及以上 610kV 220380V 架空线路 电缆线路 0.40 0.12 0.35 0.08 0.32 0.0662022-12-519 例例4-14-1 某供配电系统如图所示。已知电力系统出口断路器为SN10-10型。试求企业变电所高压10KV母线上k-1点短路和低压380V母线上k-2点短路的三相短路电流和短路容量。2022-12-520 解解 1 1、求、求k-1k-1点的三相短路电流和短路容量点的三相短路电流和短路容量 （U UC1C1=10.5KV=10.5KV)(1)计算短路电路中各元件的电抗及总电抗 电力系统的电抗；电力系统的电抗；由附录表3可查得SN10-10型断路器的断流容量SOC=500MVA，因此 架空线路的电抗架空线路的电抗：由表4-1查得，因此 绘绘k-1k-1点短路的等效电点短路的等效电路如图3-5a所示，并计算总电抗如下：2022-12-521(2)计算三相短路电流和短路容量计算三相短路电流和短路容量 三相短路电流周期分量有效值：kAkVXUIKCk08.397.135.103)1(1)3(12022-12-522三相短路冲击电流三相短路冲击电流三相短路容量：三相短路容量：kAkAIish85.708.355.255.2)3()3(kAkAIIsh65.408.351.151.1)3()3(AMVkAkVIUSkCK5608.35.1033)3(11)3(12022-12-523求求k-2k-2点的三相短路电流和短路容量点的三相短路电流和短路容量架空线路的电抗：架空线路的电抗：电力系统的电抗：电力系统的电抗：（1）计算短路电路中各元件的电抗及总电抗）计算短路电路中各元件的电抗及总电抗:kVUC4.024221102.3500)4.0(AMVkVSUXOCC32212021054.25.104.05)/(35.0kVkVkmkmUUlXXCC2022-12-524绘绘k-2点短路的等效电路如图所示，并计算其总电抗如下：点短路的等效电路如图所示，并计算其总电抗如下：电力变压器的电抗：电力变压器的电抗：有附录表有附录表2得得%=4.5,因此因此33344321)2(1086.621081054.2102.3/XXXXXk3222431081000)4.0(1005.4100%AkVkVSUUXXNCZ2022-12-525（2 2）计算三相短路电流和短路容量）计算三相短路电流和短路容量 三相短路电流周期分量有效值：三相短路电流周期分量有效值：三相短路次暂态电流和稳态电流有效值：kAkVXUIkCk7.331086.634.033)2(2)3(2kAIIIkk7.33)3(2)3(2 2022-12-526三相短路容量：三相短路容量：三相短路冲击电流及第一周期短路全电流有效值三相短路冲击电流及第一周期短路全电流有效值:kAkAIish627.3384.184.1)3()3(kAkAIIsh7.367.3309.109.1)3()3(AMVkAkVIUSkCK3.237.334.033)3(22)3(22022-12-527三三.采用标幺制法进行三相短路计算采用标幺制法进行三相短路计算1、标幺值概念 某一物理的标幺值某一物理的标幺值,为该物理量的实际值为该物理量的实际值A A与所选定的基准值比值，与所选定的基准值比值，即即 按标幺制法进行短路计算时，一般先选定基准容量按标幺制法进行短路计算时，一般先选定基准容量和基准电压和基准电压基准容量，工程设计中通常取基准容量，工程设计中通常取基准电压，通常取元件所在的短路计算电压，取基准电压，通常取元件所在的短路计算电压，取选定了基准容量和基准电压以后，选定了基准容量和基准电压以后，可按下式计算基准电流：可按下式计算基准电流：按下式计算基准电抗：按下式计算基准电抗：ddAAA MVASd100cdUU CddddUSUSI33dCdddSUIUX232022-12-5282、元件标幺值：电力系统电抗标幺值：电力变压器电抗标幺值：电力线路电抗标幺值：3、短路电流标幺值及短路电流计算OCddCOCCdSSSSSUSUXXX/22NdKdCNCKdTTSSUSUSUUXXX100%/100%2222/CdOdCOdWLWLUSlXSUlXXXX*)*3()3(2)3()3(13/3/XIIIIXXSUUSXUIIIddKKdCCdCdKK2022-12-5294、三相短路容量、三相短路容量*)3()3(33XSXUIUISdcdCKKZUICK2)2(866.02/3/)3()2(KKII四、四、两相短路电流两相短路电流的计算的计算五、单相短路电流的计算大接地电流系统、三相四线制系统发生单相短路时 321)1(3ZZZUIK工程中简单计算 由此可知：两相短路电流和单相短路电流都比三相短路电流小，因此因此用于选择电气设备的短路稳定度的短路电流，应采用三相短路电流用于选择电气设备的短路稳定度的短路电流，应采用三相短路电流。0)1(ZUIK)3()1(kkII2022-12-530结论：结论：1.单相短路电流主要用于：单相短路保护的整定及单相短路电流主要用于：单相短路保护的整定及单相短路稳定度的校验。单相短路稳定度的校验。2.两相短路电流主要用于：相间短路保护灵敏度的两相短路电流主要用于：相间短路保护灵敏度的校验。校验。3.三相短路电流主要用于：选择电气设备和导体的三相短路电流主要用于：选择电气设备和导体的短路稳定度校验。短路稳定度校验。2022-12-531第第4节节 短路电流的效应和稳定度校验短路电流的效应和稳定度校验 一、概述 发生短路后产生危害效应：电动效应 热效应 二、短路电流的电动效应和动稳定度二、短路电流的电动效应和动稳定度（一）短路时最大电动力 短路电流的电动效应与动稳定度效验 （一）短路电流的电动效验 由电工基础知，处于空气中的两平行直导体分别通过电流i1、i2（A），而导体间轴线距离为a，导体的两支持点距离（档距）为l,则导体间所产生的电磁互作用力即电动力为：2721210/1022ANali iali iF2022-12-5321.如果三相线路中发生两相短路，则两相短路冲击电流 通过两相导体时产生的电动力最大，其值为：2.如果三相线路中发生三相短路则三相短路冲击电流在中间相产生的电动力最大：)2(shi272)2(0)2(/10ANaliFsh272)3()3(/103ANaiiFsh3.三相短路时的电动力与两相短路时电动力的关系三相短路时的电动力与两相短路时电动力的关系15.132)2()3(FF2022-12-533由此可见由此可见：三相线路发生三相短路时，中间相导体所受的电动力比两相短路时导体所受的电动力大。因此，校验电器和载流部分的动稳定度，一般应采用三相短路冲击电流)3(shi2022-12-534（二）短路动稳定度校验的条件（二）短路动稳定度校验的条件 1.一般电器的动稳定度校验一般电器的动稳定度校验（包括开关电器和电流互感器等）2.绝缘子的动稳定度校验条件绝缘子的动稳定度校验条件满足动稳定度校验条件是满足动稳定度校验条件是母线在绝缘子上平放：母线在绝缘子上平放：竖放竖放)3()3(maxshmxashIIii)3(calFF)3()3(FFc)3()3(4.1 FFc2022-12-5353.硬母线的动稳定度校验条件硬母线的动稳定度校验条件满足动稳定度的校验条件:硬铜（TMY）最大允许应力：硬铝（LMY）最大允许应力：上述最大计算应力按右式计算：式中：M为母线通过三相短路冲击电流时所受到的弯曲力矩。当母线挡数为12时，当母线档数大于2时W为母线的截面系数。calMPaal140MPaal70WMc8)3(lFM 10)3(lFM 2022-12-536（三）电动机对三相短路电流的影响（三）电动机对三相短路电流的影响供配电系统发生三相短路时，从电源到短路点的系统电压供配电系统发生三相短路时，从电源到短路点的系统电压下降，严重时短路点的电压可降为零。接在短路点附近运下降，严重时短路点的电压可降为零。接在短路点附近运行行的电动机的反电势可能大于电动机所在处系统的残压，此的电动机的反电势可能大于电动机所在处系统的残压，此时时电动机将和发电机一样，向短路点馈送短路电流。同时电电动机将和发电机一样，向短路点馈送短路电流。同时电动机迅速受到制动，它所提供的短路电流很快衰减，一般动机迅速受到制动，它所提供的短路电流很快衰减，一般只考虑电动机对冲击短路电流的影响，如下图所示。只考虑电动机对冲击短路电流的影响，如下图所示。2022-12-537 当短路点附近所接交流电动机的容量超过100kW，或者额定电流之和超过系统短路电流的1%时，应计入电动机反馈电流的影响。MNMshMshICKi.2022-12-538三、短路电流的热效应和热稳定度三、短路电流的热效应和热稳定度（一）短路时导体的发热过程和发热计算导体通过正常负荷电流时，由于导体具有电阻，因此要产生电能损耗。这种电能损耗转换为热能，一方面使导体温度升高，另一方面向周围介质散热，当导体内产生的热量与导体向周围介质散失的热量时，导体就维持在一定温度值。2022-12-539短路前后导体温度变化情况：短路前后导体温度变化情况：sIIttkima2)(05.0短路前后导体的温度变化短路发热假想时间短路发热的假想时间：短路发热的假想时间：ocopkkimakkimatttttststt,105.0短路时间 短路保护装置实际动作时间 断路器的断路时间 取0.10.2秒2022-12-540（二）短路热稳定度的校验条件（二）短路热稳定度的校验条件一般电器和导体热稳定度校验(包括开关电器和电流互感器等)1.一般电器热稳定度校验条件一般电器热稳定度校验条件满足热稳定度校验条件:imattII2)3(2imatCIAA)3(minC-导体热稳定系数2.母线、电缆和绝缘导线的热稳母线、电缆和绝缘导线的热稳定度校验条件定度校验条件通常采用最小热稳定截面来进行校验：