第三章短路電流及其計算

1、3 建筑供配電系統(tǒng)短路電流及其計算,,第一節(jié) 概述,一 短路原因、類型、后果及計算短路電流的目的（一）主要原因：1.電氣設(shè)備、元件的損壞。2.自然原因3.人為事故,（二）類型：1.三相短路2.兩相短路3.單相短路,（三）后果：1.產(chǎn)生很大的電動力和很高的溫度，使故障元件和短路電路中的其它元件損壞。2.電壓驟降，影響電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。3.造成停電事故。4.造成不對稱電路，其電流將產(chǎn)生較強(qiáng)的不平衡磁場，對

2、附近的通信設(shè)備、信號系統(tǒng)及電子設(shè)備等產(chǎn)生干擾。5.嚴(yán)重的短路運(yùn)行電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，使并列運(yùn)行發(fā)電機(jī)組失去同步，造成系統(tǒng)解列。,,（四）目的：1.選擇和校驗(yàn)電氣設(shè)備。2.繼電保護(hù)裝置的整定計算。3.設(shè)計時作不同方案的技術(shù)比較。,二.電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)運(yùn)行方式（一）類型 三相交流電力系統(tǒng)中，供電電源的發(fā)電機(jī)和變壓器的中性點(diǎn)運(yùn)行方式： 1.小電流接地電源中性點(diǎn)不接地電源中性點(diǎn)經(jīng)消弧圈接地2.大電流接地電源中性

3、點(diǎn)直接接地,（二 ） 電源中性點(diǎn)不接地電力系統(tǒng),,電網(wǎng)對地存在分布電容C，若三相對稱電網(wǎng)正常時流入分布電容的電流對稱中性點(diǎn)與地電位相同，地中無電流流過,,,C相單相接地時三相負(fù)載不對稱 電流見圖 C相電位為零非故障相電壓升高中性點(diǎn)與地之間存在電位差線電壓不變設(shè)備可繼續(xù)運(yùn)行接地電流為,,單相接地后特點(diǎn)：故障相電位為零非故障相相電壓升高為線電壓—電網(wǎng)按線電壓設(shè)計中性點(diǎn)與地之間存在電位差----零序電

4、壓線電壓不變設(shè)備可繼續(xù)運(yùn)行2小時接地電流為3倍零序電流，較小，電流保護(hù)不動作我國6~35kV中壓采用10kV單相接地電流應(yīng)小于30A35kV單相接地電流應(yīng)小于10A,（三 ） 電源中性點(diǎn)經(jīng)消弧圈接地的電力系統(tǒng),當(dāng)10kV單相接地電流應(yīng)大于30A，35kV單相接地電流應(yīng)大于10A，發(fā)生單相接地時會產(chǎn)生間歇電弧，造成過電壓，因此要采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地。用電感電流補(bǔ)償電容電流，可減少接地電流,,,,,補(bǔ)償方式欠補(bǔ)償完全補(bǔ)償

5、過補(bǔ)償,易諧振，不采用,產(chǎn)生諧振過電壓，不用,采用,（四） 電源中性點(diǎn)直接接地的電力系統(tǒng),,特點(diǎn)接地電流很大，可使保護(hù)動作非故障相相電壓不變，可按相電壓設(shè)計，電網(wǎng)造價低人觸電很危險110kV以上電網(wǎng)和低壓電網(wǎng)采用,（五）建筑供配電系統(tǒng)分為TN、TT、IT系統(tǒng),對于低壓系統(tǒng)（TN)： 中性線（N) 保護(hù)線(PE) 三相四線制,,第一個字母表示電源中性點(diǎn)的對地關(guān)系；（電力系統(tǒng)的對

6、地關(guān)系） T—一點(diǎn)直接接地； I—所有帶電部分與地絕緣，或一點(diǎn)經(jīng) 阻抗接地。,,第二個字母表示裝置的外露可導(dǎo)電的部分對地關(guān)系； T—外露可導(dǎo)電部分對地直接電氣連接， 與電力系統(tǒng)的任何接地點(diǎn)無關(guān)； N—外露可導(dǎo)電部分與電力系統(tǒng)的接地 點(diǎn)直接電氣連接。橫線后面的字母(S、C或C-S)表示保護(hù)線與中性線的結(jié)合情況。,,,,,,,,,3.2 短路電流的暫態(tài)過程,無限大電源容量系統(tǒng)

7、短路電流的暫態(tài)過程暫態(tài)過程：正常穩(wěn)態(tài)到短路穩(wěn)態(tài)的過程。無限大電源容量：系統(tǒng)電壓基本不變。1）短路容量：3倍或以上。2）電源總阻抗≤5%～10%線路總阻抗。3）電網(wǎng)容量>或=50倍用戶容量。有限大電源容量系統(tǒng)系統(tǒng)電壓隨時間變化。電源總阻抗 > 5%～10%線路總阻抗。,3.2.1無限大容量系統(tǒng)短路電流暫態(tài)過程,由圖得，短路前 短路后解微分方程，短路的全電流為：

8、其中：,,可見：短路電流由兩部分組成。其一按指數(shù)規(guī)律衰減變化------非周期分量其二按正弦規(guī)律變化-----周期分量,短路電流非周期分量是由于電路存在著電感，用以維持短路瞬間的電流不致突變。,,無限大容量系統(tǒng)短路電流的暫態(tài)過程,結(jié)論：1)周期分量幅值不變。2)非周期分量總要衰減，而且短路電路總電阻Rk越大，時間常數(shù)T越小，衰減越快。3)短路后經(jīng)半個周期（0.01s），出現(xiàn)最大值，稱為短路的沖擊電流ish4)暫態(tài)過程經(jīng)十個周

9、期（0.2s）進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。稱為短路的穩(wěn)態(tài)電流i∞ 有限大容量系統(tǒng)短路電流的暫態(tài)過程。1)周期分量幅值是變化的。2)非周期分量也是衰減。,3.2.2 需要計算的短路電流參數(shù),1）短路次穩(wěn)態(tài)電流： 短路開始第一個周期周期分量的有效值。用 I’’表示。2）短路穩(wěn)態(tài)電流： 短路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時的有效值。用 I ∞表示。作用：校驗(yàn)電氣設(shè)備的熱穩(wěn)定性 3）短路電流沖擊值 ： 短路全電

10、流中的最大瞬時值。用 ish表示。產(chǎn)生最大短路沖擊電流必備的條件：空載Im=0；電源電壓過零θ=0°；純電感電路。作用：校驗(yàn)電氣設(shè)備的動穩(wěn)定性 將上述條件帶入全電流公式得沖擊電流 高壓電路取1.8； 低壓電路取1.3,3.2.2 需計算的短路電流參數(shù),4）短路沖擊電流有效值： 為短路全電流中的最大有效值 。用Ish表示。作用：校驗(yàn)電氣設(shè)備的動穩(wěn)定性。 高壓：

11、 低壓： 5）短路后0.2s時的短路電流周期分量有效值和短路容量 作用：校驗(yàn)開關(guān)電氣的額定開斷電流和額定斷流容量。周期分量有效值短路容量,3.3 無限大容量系統(tǒng)短路電流計算,短路電流有兩種計算方法:有名值法通常用于1000V以下低壓供電系統(tǒng)的短路計算。相對值法 常用在高壓系統(tǒng)短路電流計算。有名值法（絕對值法、歐姆法）由歐姆定律計算，各個物理量均有單位*對于高壓電路，一般只計電抗，不計電阻，當(dāng)

12、 時需計算電阻。 *對于低壓短路，一般只計電阻，不計電抗，當(dāng) 　時才需計算電抗。,3.3.1 有名值法計算短路電流步驟,1）繪制短路計算電路圖：標(biāo)參數(shù)、找短路點(diǎn);2）求短路回路中各元件阻抗，在圖上標(biāo)出各元件阻抗值；3）計算短路回路的總阻抗。（注意：等效阻抗的換算）。4）計算短路電流。計算短路電流的關(guān)鍵是計算各元件阻抗,3.3.2 短路回路中

13、各元件阻抗,（1）電源系統(tǒng)的阻抗①電源的短路容量sk。②可由高壓饋電線出口斷路器的斷流容量Sb（極限短路容量）來估算,公式同上。③由開斷電流Ioc來計算其斷流容量， （2）變壓器的阻抗： 式3-19 式3-18 （3）輸

14、電線路的阻抗： ①線路的電阻Rwl。 Rwl =R0L。 R0單位長度電阻，查附表6或查手冊 ②線路的電抗Xwl。 Xw=X0L。 X0單位長度電抗,3.3.2 短路回路中各元件阻抗,（4）限流電抗器的電抗：按各元件串并聯(lián)的關(guān)系，計算總阻抗例題3-1 某供電系統(tǒng)如圖示，斷路器為SN10-10。試求K1,K2點(diǎn)的短路電流和短路容量。,380v,,解：（1）計算各元件電抗 1)系統(tǒng)電抗 由附錄表8 So

15、c=500MV.A2)架空線路 由表3-1得x0=0.35 X2=X0L=0.35*5=1.753)變壓器 由附錄表5 得Uk%=5 （2）計算短路點(diǎn)總電抗1) K1點(diǎn)：XK1= X1 + X2 =0.22+1.75=1.972) K2點(diǎn): XK2= (X1+X2 )(0.4/10.5)2+X3//X4 =(0.22

16、+1.75)(0.4/10.5)2+0.008/2 =0.00686 （3）計算短路參數(shù),,K1點(diǎn)：①短路電流周期分量有效值和穩(wěn)態(tài)電流②短路電流沖擊電流③短路容量,,2) K2點(diǎn)：①短路電流周期分量有效值和穩(wěn)態(tài)電流②短路電流沖擊電流③短路容量,3.3.3相對值法（標(biāo)幺值法）,1) 相對值（標(biāo)幺值法、相對單位制法）概念 實(shí)際值與基準(zhǔn)值的比值計算短

17、路電流2) 基準(zhǔn)值的選取 基準(zhǔn)容量 Sd=100MVA 基準(zhǔn)電壓 Ud=Uav 基準(zhǔn)電流 選各元件及短路點(diǎn)線路的平均電壓Uav,,3)系統(tǒng)各元件標(biāo)幺電抗 ①電源系統(tǒng)的標(biāo)幺電抗 ②變壓器的標(biāo)幺電抗 ③線路的標(biāo)幺電抗 ④電抗器的標(biāo)幺電抗,4)計算短路參數(shù),,5)變壓器耦合電路標(biāo)幺電抗的計算,絕對值法計算電抗時，電壓不同時需要換算，標(biāo)幺值計算是否要換算？電壓不

18、同基準(zhǔn)值如何選??？取U1為基準(zhǔn),U1L1,U3L3,U2L2,,K,,結(jié)論：由上分析各元件的標(biāo)幺電抗取其所在電網(wǎng)平均電壓，則標(biāo)幺電抗就可以直接相加，而不需要換算。標(biāo)幺值法優(yōu)點(diǎn)：電抗計算不需要換算公式與單相公式形式相同,G,3.3.4 兩相短路電流的計算,由圖只考慮電抗 其他兩相短路參數(shù)都可按前面三相短路電流公式計算與三相短路電流計算的關(guān)系三相短路電流用于短路效應(yīng)校驗(yàn)和開斷能力。兩相短路電流用于校

19、驗(yàn)保護(hù)相間短路靈敏度。,G,3.3.5 單相短路電流的計算,在大接地電流系統(tǒng)中，發(fā)生單相短路時，短路電流,3.4 大容量電動機(jī)對短路電流的影響,電動機(jī)附近短路，電網(wǎng)電壓的突然降低，會使電動機(jī)的反電勢高于加在電動機(jī)端點(diǎn)上的電壓，電動機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，向短路點(diǎn)回饋電流。感應(yīng)式異步電動機(jī)高壓大于1000KW，低壓大于100KW，考慮影響僅考慮對沖擊電流的影響 － 短路電流沖擊系數(shù)，

20、 高壓電動機(jī)一般取1.4~1.6； 低壓電動機(jī)一般取 1。 －電動機(jī)的額定電流。,E’’*——電動機(jī)的次暫態(tài)電 勢，一般為0.9；X’’* ——電動機(jī)的次暫態(tài)電抗，一般為0.2；,,工程設(shè)計中可近似取為：,－ 短路電流沖擊系數(shù)， 高壓電動機(jī)一般取1.4~1.6；

21、 低壓電動機(jī)一般取 1。 －電動機(jī)的額定電流。,3.5低壓電網(wǎng)短路電路計算,一 低壓電網(wǎng)短路電流計算的特點(diǎn)：一般容量不大于高壓供電電源容量的5 %按無限大電源考慮。各元件電阻值相對較大，一般不能忽略。沖擊系數(shù)在1～1.3范圍內(nèi)電壓只有一級，采用有名法較為方便,二 各元件阻抗 與歐姆法介紹計算方法一樣，并可查表求得。它包括： 系統(tǒng)電源阻抗 變壓器阻抗母線阻抗配

22、電線路阻抗低壓電器阻抗,三 短路電流計算（一）三相短路電流計算和兩相短路電流 計算與歐姆法介紹計算方法一樣。（二）單相短路電流周期分量計算 低壓380/220 三相四線制配電網(wǎng)絡(luò)中，常發(fā)生相— 零之間單相短路，其計算公式為：,∑R0, ∑X0—為“相— 零”回路中電阻與 電抗之和，可查表獲得。 Up— 電源的相電壓。

23、 ,3.6 短路電流的效應(yīng)和穩(wěn)定度校驗(yàn),供電系統(tǒng)短路時，短路電流很大，導(dǎo)體間產(chǎn)生很大的電磁相互作用力-----電動力效應(yīng)----設(shè)備變形產(chǎn)生很高的熱量------熱效應(yīng)----燒壞設(shè)備或降低壽命3.6.1 短路電流的電動力效應(yīng) 和動穩(wěn)定度兩平行線間的電動力 若兩平行導(dǎo)體通過電流方向相同，受吸力方向相反，受斥力 a----兩導(dǎo)體的軸線距離,(m)

24、； l----檔距（即相鄰的兩支點(diǎn)間距離〕, (m)；,,三相平行線間的電動力 最大電動力發(fā)生在三相短路時的中間相，其電動力為 用于校驗(yàn)電氣設(shè)備和導(dǎo)體的動穩(wěn)定度。 動穩(wěn)定度的校驗(yàn)條件 動穩(wěn)定度：設(shè)備能夠承受短路產(chǎn)生電動力的能力1.一般電器 imax— 電器的極限通過電流（峰值〕;Imax — 電

25、器的極限通過電流（有效值〕。,,2.對絕緣子動穩(wěn)定度校驗(yàn) Fal ≥ Fc(3) Fal =0.6FW Fal— 絕緣子的最大允許載荷,由產(chǎn)品 樣本查得; Fc(3)—短路時作用在絕緣子上的計算力; FW—絕緣子的抗彎破壞載荷母線在絕緣子上為平放：母線在絕緣子上為豎放：,,3.對母線等硬導(dǎo)體一般按短路時所受到的最大應(yīng)

26、力來校驗(yàn)。 —母線材料的最大允許應(yīng)力， 硬銅(TM Y): 硬鋁(LMY)： —母線通過 是所受到的最大應(yīng)力。,,—母線通過 是所受到的彎曲力矩， 單位 N·m, 當(dāng)母線的檔數(shù)為1～2時, 當(dāng)母線的檔數(shù)為>2時,

27、 W—母線截面系數(shù)， ，單位：M3 b －截面水平寬度, h－截面水平高度4.電纜本身的機(jī)械強(qiáng)度很好，不必校驗(yàn)動穩(wěn)定,3.6.2 短路電流的熱效應(yīng),（一）短路時導(dǎo)體的發(fā)熱過程與計算1.過程： －－ 短路前正常負(fù)荷時的溫度；

28、 －－發(fā)生短路； －－切除故障時間； －－ 時導(dǎo)體溫度。短路持續(xù)時間要求：,,,,,,,t1,,t2,,t,θl,,θk,θ0,,2.計算 計算 的值。與 相對應(yīng)的熱量為 由于計算困難，一般采用等效方法， 為短路發(fā)熱假想時間。,,對無限大系統(tǒng)，則當(dāng)

29、 1s時，而 －－保護(hù)裝置動作時間 ； －－斷路器斷路時間，(固有分閘時間＋電弧延續(xù)時間〕由產(chǎn)品樣本可查得固有分閘時間一般高壓斷路器 0.2s 高速斷路器： 0.1~0.15s 低壓斷路器電弧延續(xù)時間： 0.01~0.02s,3.6.3短路熱穩(wěn)定度的校驗(yàn),1.一般電器 －－電器熱穩(wěn)定試驗(yàn)電流；