第三章电力系统短路-资料课件

第3章 电力系统短路主要内容：n3.1 电力系统短路n3.2 电力系统继电保护n3.3 电气设备的发热和电动力n3.4 电气设备选型3.1 电力系统短路 电力系统运行有三种状态：正常运行状态、非正常运行状态和短路故障。短路就是指不同电位导电部分之间的不正常短接。n1 短路原因n（1）短路的主要原因是电气设备载流部分绝 缘损坏。n（2）误操作及误接。n（3）飞禽跨接裸导体。n（4）其它原因。3.1 电力系统短路n2 短路后果n电力系统发生短路，短路电流数值可达几万安到几十万安。n（1）产生很大的热量，很高的温度，从而使故障元件和其它元件 损坏。n（2）产生很大的电动力，该力使导体弯曲变形。n（3）短路时，电压骤降。n（4）短路可造成停电。n（5）严重短路要影响电力系统运行的稳定性，造成系统瘫痪。n（6）单相短路时，对附近通信线路，电子设备产生干扰。3.1 电力系统短路n3 短路形式两相接地短路两相接地短路 短路短路 对称短路对称短路 不对称短路不对称短路 单相短路单相短路 两相短路两相短路 单相接地短路单相接地短路 单相接中性点短路单相接中性点短路 两相短路两相短路 两相短路接地两相短路接地 三相短路用三相短路用 表示，二相短路表示，二相短路 表示，单相短路用表示，单相短路用 表示，表示，两相接地短路用两相接地短路用 表示。表示。只有三相短路，属对称短路。只有三相短路，属对称短路。3.1 电力系统短路n图3-1 短路的类型na)三相短路 b)两相短路 c)单相短路 d)单相接中心点短路 e)两相接地短路 f)两相短路接地n选择、检验电气设备，以三相短路计算为主。校验继电器保护装置用两相或单相短路电流。3.2 电力系统继电保护n3.2.1电力系统继电保护的作用n一、电力系统的故障和不正常运行状态n电力系统的故障：n三相短路f(3)、两相短路f(2)、单相短路接地f(1)、两相短路接地f(1,1)、断线、变压器绕组匝间短路、复合故障等。不正常运行状态：小接地电流系统的单相接地、过负荷、变压器过热、系统振荡、电压升高、频率降低等。3.2.1电力系统继电保护的作用n二、发生故障可能引起的后果1、故障点通过很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障 设备烧坏；2、系统中设备，在通过短路电流时所产生的热和电动力使设备缩短使用寿命；3、因电压降低，破坏用户工作的稳定性或影响产品质量；破坏系统并列运行的稳定性，产生振荡，甚至使整个系统瓦解。事故：指系统的全部或部分的正常运行遭到破坏，以致造成对用户的停止送电、少送电、电能质量变坏到不能容许的程度，甚至毁坏设备等等。事故3.2.1电力系统继电保护的作用n三、继电保护装置及其任务 继电保护装置：就是指反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。n基本任务：n1、发生故障时，自动、迅速、有选择地将故障元件（设备）从电力系统中切除，使非故障部分继续运行。n2、对不正常运行状态，为保证选择性，一般要求保护经过一定的延时，并根据运行维护条件（如有无经常值班人员），而动作于发出信号（减负荷或跳闸），且能与自动重合闸相配合。3.2.2继电保护的基本原理和保护装置的组成n一、继电保护的基本原理n继电保护的原理是利用被保护线路或设备故障前后某些突变的物理量为信息量，当突变量达到一定值时，起动逻辑控制环节，发出相应的跳闸脉冲或信号。1、利用基本电气参数的区别。2、利用内部故障和外部故障时被保护元件两侧电流相位（或功率方向）的差别。3、对称分量是否出现。4、反应非电气量的保护。3.2.2继电保护的基本原理和保护装置的组成n1、利用基本电气参数的区别n发生短路后，利用电流、电压、线路测量阻抗等的变化，可以构成如下保护。（1）电流保护：反映电流的增大而动作。（2）低电压保护：反应于电压的降低而动作。（3）距离保护：反应于短路点到保护安装地之间的距离（或测量阻抗的减小）而动作。3.2.2继电保护的基本原理和保护装置的组成n2、利用内部故障和外部故障时被保护元件两侧电流相位（或功率方向）的差别。规定电流的正方向是从母线流向线路。正常运行和线路AB外部故障时，A-B两侧电流的大小相等相位相差180。当线路AB内部短路时，A-B两侧电流一般大小相等、相位相等。构构成成各各种种差差动动原原理理的的保保护护，如如纵纵联联差差动动保保护护，相相差差高高频频保保护护、方方向向高高频频保保护护等等。3.2.2继电保护的基本原理和保护装置的组成n3、对称分量是否出现 电气元件在正常运行（或发生对称短路）时，负序分量和零序分量为零；在发生不对称短路时，一般负序和零序都较大。因此，根据这些分量的是否存在可以构成零序保护和负序保护。此种保护装置都具有良好的选择性和灵敏性。3.2.2继电保护的基本原理和保护装置的组成n4、反应非电气量的保护 反应变压器油箱内部故障时所产生的气体而构成瓦斯保护；反应于电动机绕组的温度升高而构成过负荷保护等。3.2.2继电保护的基本原理和保护装置的组成n二、继电保护装置的组成继电保护一般由三个部分组成:测量部分、逻辑部分和执行部分，其原理结构如下图所示。测量被保护元件工作测量被保护元件工作状态的物理量，并和状态的物理量，并和已给的整定值进行比已给的整定值进行比较，从而判断保护是较，从而判断保护是否应该起动。否应该起动。根据测量部分各输出根据测量部分各输出量的大小，性质，出量的大小，性质，出现的顺序等，使保护现的顺序等，使保护装置按一定的逻辑程装置按一定的逻辑程序工作，最后传到执序工作，最后传到执行部分。行部分。根据逻辑部分送的信根据逻辑部分送的信号，最后完成保护装号，最后完成保护装置所担负的任务。如置所担负的任务。如发出信号，跳闸或不发出信号，跳闸或不动作等。动作等。3.2.2继电保护的基本原理和保护装置的组成n举例说明正常状态：正常状态：一次设备通过的电流为负载电流一次设备通过的电流为负载电流断路器主、辅触点脱扣器跳闸线圈 KA流过的二流过的二次电流小于动作值次电流小于动作值 KA不动作不动作其接点不闭合其接点不闭合保护不动作保护不动作。电流互感器电流继电器时间继电器中间继电器3.2.2继电保护的基本原理和保护装置的组成n n举例说明举例说明短路故障时：短路故障时：流过一次设备的电流激增流过一次设备的电流激增 KA流过的二次电流流过的二次电流大于大于KA动作值动作值KA接点闭合，接点闭合，KT得电得电KT触点闭合触点闭合KM线圈得电，其触点闭合线圈得电，其触点闭合QF的的YT线圈得电跳闸线圈得电跳闸切除故障。切除故障。3.2.3 对继电保护装置的基本要求 选择性 速动性灵敏性可靠性3.2.3 对继电保护装置的基本要求n一、选择性(Selectivity)n选择性是指保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小，以保证系统中的无故障部分仍能继续安全运行。3.2.3 对继电保护装置的基本要求d3点短路：保护6动作，6QF跳闸；若保护6或6QF拒动，5QF跳闸；d2点短路：保护5动作，5QF跳闸；若保护5或5QF拒动，保护1和保护3动作于1QF、3QF跳闸；d1点短路：保护1和保护2动作，1QF、2QF跳闸；若保护2或2QF拒动，保护3动作于3QF跳闸；3.2.3 对继电保护装置的基本要求主保护：能有选择性地快速切除全线故障的保 护。后备保护：当故障线路的主保护或断路器拒动时用以切除故障的保护。n近后备保护：作为本线路主保护的后备保护。n远后备保护：作为下一条相邻线路主保护或开关拒跳的后备保护。3.2.3 对继电保护装置的基本要求n 二、速动性（Speed)速动性是指尽可能快地切除故障。短路时快速切除故障，可以缩小故障范围，减轻短路引起的破坏程度，减小对用户工作的影响，提高电力系统的稳定性。3.2.3 对继电保护装置的基本要求n三、灵敏性(Sensitivity)灵敏性是指对保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。保护装置的灵敏性，通常用灵敏系数来衡量，灵敏系数越大，则保护的灵敏度就越高，反之就越低。对过量继电器：对欠量继电器：3.2.3 对继电保护装置的基本要求n四、可靠性(Reliability)n 可靠性是指在规定的保护范围内发生了属于它应该动作的故障时，它不应该拒绝动作，而在其它不属于它应该动作的情况下，则不应该误动作。n 以上四个基本要求之间，有的相辅相成，有的相互制约，需要针对不同的使用条件，分别地进行协调。n 此四个基本要求是分析研究继电保护的基础，也是贯穿全课程的一个基本线索。根据被保护元件在电力系统中的地位和作用来确定具体的保护方式，以满足其相应的要求。3.3 电气设备的发热和电动力n一、运行中的电气设备发热的致因1.载流导体的电阻损耗；2.载流导体周围金属构件处于交变磁场中所产生的磁滞和涡流损耗；3.绝缘材料内部的介质损耗等。上述损耗都会转变成热量使电气设备的温度升高。(即即电电器器元元件件、设设备备在在工工作作中中都都有有热热损损耗耗。热热源源 P（W）能能耗耗（零部件的）（零部件的）温度升高温度升高)3.3 电气设备的发热和电动力n二、电气设备的允许温度n1、电气设备的运行特点发热绝缘老化介质损耗涡流和磁滞损耗电能损耗影响设备正常寿命和工作状态强电场绝缘材料交变磁场铁磁物质电流导体3.3 电气设备的发热和电动力n2、电气设备的发热类型n长期发热由正常工作电流引起，可用来确定导体正常工作时的最大允许载流量。n特点：电流小，持续时间长，热量的产生与散失将维持一动态平衡，达到一稳定温升，温度不再改变。n短（路）时发热由短路电流引起，可用来确定短路切除以前可能出现的最大温度。n特点：电流大且时间短暂，热量几乎全部用于导体温升。3.3 电气设备的发热和电动力n3、发热的其它概念：n热稳定性长期工作电流或短路电流通过导体、电器时，实际发热温度不超过各自发热的允许温度，即具有足够热稳定性。n允许温度：可承受的最高温度值。n允许温升：n长期发热的允许温升较周围（计算）环境温度的温度升高值。n短时发热的允许温升较短路前的温度升高值，通常与导体长期工作时的最高允许温度相比较。3.3 电气设备的发热和电动力n三、导体长期发热的计算n两种计算思路：n根据y（导体长期发热允许温度）Iy（允许电流）；进而校验，使满足Ig.zdIy n根据Ig.zd（导体最大长期工作电流）c（导体长期发热稳定温度）；进而校验，使满足cy3.3 电气设备的发热和电动力n1、允许电流Iy的确定n对于母线、电缆等均匀导体，其允许电流Iy可查标准截面允许电流表。n注意：n对应查得的电流的条件为：计算环境温度0 25，最高发热允许温度y70；n故当实际环境温度与0不一致或敷设条件不同时，需要进行温度校正：3.3 电气设备的发热和电动力n2、导体长期发热温度cc（y）(Ig.zd/Iy)实际环境温度Ig.zd最大长期工作电流（一般考虑持续30min以上的最大工作电流）Iy校正后的允许电流3.3 电气设备的发热和电动力n四、导体短路时的发热计算n导体必须能承受短路电流的热效应而不致使绝缘材料软化烧坏，也不致使芯线材料的机械强度降低，这种能力即导体的短路热稳定性。n短路热稳定性的校验n思路：当导体通过短路电流时的最高发热温度dd y规定的导体短时发热允许温度，则认为导体在短路条件下是热稳定的；否则是热不稳定的。3.3 电气设备的发热和电动力n1、短路时发热的计算条件由其短时发热的主要特点而决定:na、视为绝热过程短路时间内产生的热量全部用来提高导体本身的温度，即不考虑散热；nb、短路时导体的物理特性，如比热、电阻率等不能视为常数，而是温度的函数；nc、短路电流瞬时值的实际变化规律复杂，故选取短路电流全电流的有效值来进行发热计算。3.3 电气设备的发热和电动力n2、短路时最高发热温度d的计算3.3 电气设备的发热和电动力3.3 电气设备的发热和电动力3.3 电气设备的发热和电动力3.3 电气设备的发热和电动力3.3 电气设备的发热和电动力3.3 电气设备的发热和电动力3.3 电气设备的发热和电动力3.3 电气设备的发热和电动力n五、导体短路时的电动力基本概念n载流导体的电动力：载流导体处在磁场中会受到力的作用，载流导体间也会有力的作用，这种力称为电磁互作用力，即电动力。n在电器中，载流导体间、线圈匝间、动静触头间、电弧与铁磁体间等都有电动力的作用。n在正常电流下，电动力不致于使电器损坏，但动、静触头间的电动斥力过大会使接触压力减小、接触电阻增大，从而造成触头的熔化或熔焊，影响其正常工作。3.3 电气设备的发热和电动力n在强大短路电流下所形成的电动力，可能使电器发生误动作或使导体机械变形，甚至损坏。n电动力常用来验证电气设备的机械强度是否足够。n电动力稳定性：简称动稳定性，是指n当大电流通过电器时，在其产生的电动力作用下，电器有关部件不产生损坏或永久变形的性能；n或者说，电器有关部分在电动力作用下不产生损坏或永久变形所能通过的最大电流的能力。n以可能的最大冲击电流的峰值表示，也有的以其与额定电流的比值表示。3.3 电气设备的发热和电动力n电动力的计算：n1、两平行圆导体（实心、空心即圆管形均可）为两导体中心距离，L为导体长度，d为截面半径；当d且L时，可不考虑电流在导体截面上的分布：3.3 电气设备的发热和电动力n2、两平行矩形截面导体截面宽为h，厚为b；为两导体中心距离，L导体长度：n若b1时，Kx 1；b/h1时，Kx 1；b/h=1,Kx=1。3.3 电气设备的发热和电动力n3、三相母线短路时的电动力n短路冲击电流ish产生的电动力最大，故均以ish为准；n又因为n故以为准；n又因为实践证明中间相所受电动力最大；n故（回顾：短路冲击电流Ksh短路电流冲击系数，一般取12之间。）3.3 电气设备的发热和电动力n4、校验动稳定性na、母线母线通过时受到的最大计算应力。nb、一般电器为极限通过电流（或动稳定电流），可查。3.4 电气设备选型 1按正常工作条件选择额定电压和额定电流 （1）额定电压和最高工作电压 导体和电器所在电网的运行电压因调压或负荷的变化，常高于电网的额定电压，故所选电气设备允许最高工作电压 不得低于所接电网的最高运行电压 ，即 （3-4-1）一般电气设备允许的最高工作电压：当额定电压在220kV及以下时为1.15；额定电压为330500kV时为1.1。而实际电网运行的，一般不超过1.1，因此在选择设备时，一般可按照电气设备的额定电压不低于装置地点电网额定电压的条件选择。3.4 电气设备选型（2）额定电流 电气设备的额定电流是指在额定周围环境温度下，导体和电器的长期允许电流（或额定电流）应不小于该回路的最大持续工作电流 ，即 （3-4-2）由于发电机、调相机和变压器在电压降低5时，出力保持不变，故其相应回路的 （为电机的额定电流）；母联断路器回路一般可取母线上最大一台发电机或变压器的 ；母线分段电抗器 的应为母线上最大一台发电机跳闸时，保证该段母线负荷所需的电流；出线回路 的除考虑线路正常负荷电流（包括线路损耗）外，还应考虑事故时由其它回路转移过来的负荷。3.4 电气设备选型（3）按当地环境条件校核 在选择电器时，还应考虑电器安装地点的环境条件，当气温、风速、湿度、污秽等级、海拔高度、地震烈度和覆冰厚度等环境条件超过一般电器使用条件时，应向制造部门提出要求或采取相应的措施。我国目前生产的电气设备，设计时取周围空气温度40作为计算值，若装置地点日最高气温高于40，但不超过60，最大连续工作电流应适当降低，设备的额定电流应乘以温度校正系数。3.4 电气设备选型温度修正系数：（3-4-3）式中 实际环境温度，取最热月平均最高气温，；导体或电气设备正常发热允许最高温度（当 导作用螺栓连接时为70）；温度修正系数。当 时，每降低1允许 电流增加0.5，但总数不得超过20；当 时，每增高1允许电流应减 少1.8。3.4 电气设备选型2按短路情况来校验电气设备的动稳定和热稳定 （1）短路热稳定校验 短路电流通过时，导体和电器各部件温度（或发热效应）应不超过允许值。热稳定校验应选择两相短路和三相短路中最严重的一种作为计算依据。3.4 电气设备选型 或 （3-4-4）式中 规定的电气设备在时间 s内的热稳定电流，kA。在指定时间内短路电流不会使电气设备 发热超过设备允许的最大短时温度的电流；与 对应的时间，s；短路稳态电流，kA；假想时间，s。取距离短路点最近的继电保 护装置的主保护动作时间与断路器固有动作 时间之和，如主保护装置有保护死区，假想 时间可根据该保护区短路故障的后备保护装 置的动作时间来校验。3.4 电气设备选型（2）电动力稳定校验 电动力稳定是导体和电器承受短路电流机械效应的能力，亦称动稳定。动稳定校验应以三相短路电流为计算类型，并应满足下式要求：或 （3-4-5）式中 、厂家规定的电气设备极限通过电 流的有效值和峰值，kA；、按三相短路计算所得的冲击电流 的有效值和瞬时值，kA；3.4 电气设备选型（3）按三相短路容量来校验开关电器的断流能力（遮断容量）（3-4-6）式中 、制造厂提供的在额定电压下允许的开断 电流，kA；允许的断流容量，MVA；、电器设备安装处的短路电流，kA；短路 容量，MVA。铭牌断流容量值所规定的使用条件，一般的断路器如用于高海拔地区、矿山井下，或电压较低的电网中，都要降低断流容量值。当断路器采用手动操动机构或自动重合闸装置时，其遮断容量应下降到原来的额定值的6070。