第4章-短路电流及其计算.ppt

第4章短路电流及其计算短路电流及其计算n4.1 短路的一般概念n4.2恒定电势源电路的三相短路分析n4.3电力系统三相短路的实用计算n4.4两相和单相短路电流的计算n4.5短路电流的电动力效应和热效应n本章小结本章小结n习题习题第第4章短路电流及其计算章短路电流及其计算n【学习目标】：1：掌握短路的概念、分类及短路的后果，并区分各种短路的不同特点；2：掌握恒定电势源供电系统三相短路的计算；3：掌握短路冲击电流、短路电流最大有效值和短路容量的计算；4：掌握实际电力系统三相短路、两相短路及单相短路的计算；5：掌握短路电流的热效应及电动力效应及校验条件4.1短路的一般概念短路的一般概念n一一、短路的原因及分类、短路的原因及分类n1、短路、短路的定义：的定义：指一切非正常非正常情况下的相与相之间相与相之间或相与地相与地（对中性点接地系（对中性点接地系统那个）统那个）之间的电气连接之间的电气连接发生短路时短路时，系统从一种状态变为另一种状态，由于系统参数的电容、电感特性，会出现复杂的暂态过渡过程电力系统的电力系统的故障故障大多数为短路故障大多数为短路故障n2、短路、短路的的原因原因：（1）设备绝缘设计、安装及维护不当绝缘设计、安装及维护不当带来的缺陷造成短路；（2）雷电过电压雷电过电压或操作过电压操作过电压造成的绝缘损坏绝缘损坏；（3）绝缘自然老化绝缘自然老化，及恶劣的气象条件恶劣的气象条件、外界机械力机械力造成的绝缘破坏绝缘破坏；4.1短路的一般概念短路的一般概念（4）运行人员违规操作运行人员违规操作（如带负荷拉刀闸，设备或线路检修后未拆除地线就送电，施工破坏绝缘等）；（5）鸟兽跨接在裸露的载流鸟兽跨接在裸露的载流部分等。

n 3、短路、短路的类型：的类型：n 根据发生短路后系统电压、电流的对称性短路后系统电压、电流的对称性，可将短路分为两两大类大类： 不对称短路不对称短路：单相短路接地单相短路接地、两相短路两相短路和两相短路接地两相短路接地 单相单相短路接地：是最常见最常见的短路故障； 两相短路两相短路故障：没有零序分量没有零序分量；两相短路接地两相短路接地：有零序分量有零序分量；二者是两 类不同 性质的短路 对称短路对称短路：三相短路； 三相短路三相短路故障故障较少发生较少发生，但其后果最严重但其后果最严重，且是分析不对称分析不对称短路的基础短路的基础，因此将重点研究重点研究 各种短路的示意图及符号见表4-14.1短路的一般概念短路的一般概念 表4-1 短路的示意图及符号短路类型短路类型示意图示意图符号符号简单说明简单说明三相短路三相短路f（3）三三 相相 短短 路路 发发 生生 概概 率率 最最 小小 （ 约约5%）；短短路路电电流流最最大大，危危害害最最严严重重；常常用用于于选选择择和和校校验验电电气气设设备备单相短路接地单相短路接地f（1）单单 相相 短短 路路 最最 常常 发发 生生 （ 约约65%70%）；短短路路电电流流较较小小；常常用用来来分分析析电电力力系系统统暂暂态态稳稳定定性性及确定线路绝缘水平及确定线路绝缘水平两相短路两相短路f（2）两两 相相 短短 路路 发发 生生 概概 率率 约约10%15%,；电电流流较较小小，常常用用于于继电保护整定计算继电保护整定计算两相短路接地两相短路接地f（1,1）两两 相相 短短 路路 接接 地地 发发 生生 概概 率率 约约10%20%4.1短路的一般概念短路的一般概念n二二、短路的危害、短路的危害n电力系统发生短路故障短路故障时，系统总阻抗变小，短路点总阻抗变小，短路点及其附附近各支路近各支路的电流增大电流增大，短路电流可达正常电流的几十甚至上可达正常电流的几十甚至上百倍百倍，这对电力系统安全稳定运行系统安全稳定运行带来极大威胁。

n短路的危害主要表现在以下几方面主要表现在以下几方面：（1）热效应2）电动力效应电动力效应 （3）电压降低电压降低4）破坏电力系统稳定性破坏电力系统稳定性5）电磁干扰电磁干扰n可见，短路的后果是很严重的短路的后果是很严重的为保证系统安全稳定运行，首先设法消除可能引起短路的一切因素设法消除可能引起短路的一切因素，其次，在短路发生短路发生后后应尽快切除故障部分切除故障部分并快速恢复电网电压快速恢复电网电压4.1短路的一般概念短路的一般概念n三三、短路计算的目的、短路计算的目的n1、为什么进行短路计算、为什么进行短路计算 在电力系统和电气设备的设计和运行设计和运行中，短路计算短路计算是解决一系列技术问题所不可缺少的基本所不可缺少的基本计算n2、什么场合需要短路计算、什么场合需要短路计算（1）对发电厂、变电站一次部分设计一次部分设计时，需要对断路器、断路器、隔离开关母线、电缆隔离开关母线、电缆等进行机械稳定度机械稳定度和热稳定度热稳定度的校验校验，需要以短路计算作为依据；（2）在选择选择发电厂、变电站主接线主接线方案时，也要进行必要的短路电流计算短路电流计算，以确定合理的接线确定合理的接线方式；4.1短路的一般概念短路的一般概念（3）短路电流、电压计算结果短路电流、电压计算结果是合理配置配置各种继电保护和自继电保护和自动装置动装置的重要依据；（4）在确定是否需要装设电抗器限制短路电流是否需要装设电抗器限制短路电流以及如何选择选择电抗器参数电抗器参数时，也都要进行必要的短路电流短路电流计算；（5）在分析电力系统暂态稳定性分析电力系统暂态稳定性时，也涉及短路电流短路电流的计算。

6）另外，在确定输电线路对通讯的干扰输电线路对通讯的干扰时，也要进行短路计算n因此，短路计算对电力系统的设计和安全运行都具有十分重要的意义4.2恒定电势源电路的三相短路分恒定电势源电路的三相短路分析析n本节将对恒定电势源供电系统的三相短路过程对恒定电势源供电系统的三相短路过程进行分析，同时介绍一些短路计算中常用的物理参数短路计算中常用的物理参数，这是计算分析实际电力系统短路的理论计算分析实际电力系统短路的理论基础n一一、恒定电势源、恒定电势源1 、恒定电势源恒定电势源：又称无穷大功率电源又称无穷大功率电源，是一种理想电源，它具有两个特点两个特点：（1）：）： 是指该是指该电源的功率无限大电源的功率无限大，短路引起的功率变化对短路引起的功率变化对电源影响很小电源影响很小，从而电源的电压和频率电源的电压和频率都基本保持恒定基本保持恒定；（2）：是指该）：是指该电源的内阻抗为零电源的内阻抗为零，即电源端电压恒定电源端电压恒定4.2恒定电势源电路的三相短路分恒定电势源电路的三相短路分析析 在实际中并不存在真正的无穷大容量电源并不存在真正的无穷大容量电源，这只是一种近似的处理手段，但如果电源的内阻抗电源的内阻抗小于短路回路总阻抗的小于短路回路总阻抗的5%10%，或电力系统电力系统容量大于供电系统容量的容量大于供电系统容量的50倍时倍时，可可将电力系统视为无穷大容量电源视为无穷大容量电源。

当短路点离电源的电气距离足够远短路点离电源的电气距离足够远时，短路并并不能显著引起电源电压不能显著引起电源电压的变化，另外，一般工厂工厂供电系统的容量供电系统的容量远比电力系统总容量小比电力系统总容量小，因此采用此简化是可行此简化是可行的 4.2恒定电势源电路的三相短路恒定电势源电路的三相短路分分析析图图4-1 恒定电势源供电系统发生三相短路恒定电势源供电系统发生三相短路图4-1是恒定电势源供电系统发生三相短路的电路图为短路点， 和 分别表示两个回路的等值电阻和电感4.2恒定电势源电路的三相短路分恒定电势源电路的三相短路分析析对于A相，设电源电压为 n式中 : 为电源电压幅值； 为电源角频率； 为初始角n正常供电时，A相电流为 式中:（4-1）（4-2）4.2恒定电势源电路的三相短路分恒定电势源电路的三相短路分析析n二二、三相短路电流分析、三相短路电流分析 点发生三相短路后，电路被分为左侧、右侧两个独立回路，右侧的回路短路后的电流响应是零输入响应，电流将逐渐衰减至零，一般不予关注与电源相连的 点左侧的回路，短路后每相阻抗变小，因此稳态电流必将左侧的回路，短路后每相阻抗变小，因此稳态电流必将增大，短路电流分析主要针对此回路进行增大，短路电流分析主要针对此回路进行。

由于三相短路是对称短路三相短路是对称短路，故只需针对某一相进行分析，只需针对某一相进行分析，在此选取在此选取A相进行研究相进行研究对A相电路列写回路电压方程 （4-3）4.2恒定电势源电路的三相短路分恒定电势源电路的三相短路分析析式（4-3）是一个常系数非奇次线性微分方程，方程的解就是短路全电流，此处略去方程求解过程，A相短路电流为 式中：若要得到B、C相的短路电流，根据三相的对称性，只需将式（4-4）中 用 和 代替即可4-4）4.2恒定电势源电路的三相短路分恒定电势源电路的三相短路分析析n将式（4-4）与式（4-2）对比，可见恒定电势源供电系统三相短路电流有如下特点：（1）短路电流由两个分量两个分量组成：一是方程式（4-3）的特解特解，是短路电流的强制分量强制分量，由电源电压和回路阻抗决定，也称周期分量周期分量，记为 （其幅值为 、有效值为 ）；二是方程的通解通解，是短路电流的自由分短路电流的自由分量量，也称非周期或直流分量非周期或直流分量，记为 ；（2）周期分量不衰减，而非周期分量随时间按照指数规律衰减为零，衰减快慢与回路时间常数有关当非周期分量衰减为零时，过渡过程结束，短路进入稳态过程（3）周期分量的大小与初相角 无关，而非周期分量的大小与之有关。

当 不同时，非周期分量大小不同，从而短路电流的大小也相差很大4.2恒定电势源电路的三相短路分恒定电势源电路的三相短路分析析n三三、短路计算相关的物理量、短路计算相关的物理量n1.短路冲击电流短路冲击电流短路电流最大可能的瞬时值短路电流最大可能的瞬时值称为短路冲击电流短路冲击电流当电路的参数一定时，短路电流周期分量幅值是一定的，因此，非周期分量初值越大，暂态过程的短路全电流瞬时值也非周期分量初值越大，暂态过程的短路全电流瞬时值也越大越大对于一般的电感性电路，当空载时短路（即 ）、短路发生在周期分量取幅值时刻（即 或 ）非周期分量最大，同时考虑到 ，可认为 将这三个条件代入式（4-4）可得 （4-5）4.2恒定电势源电路的三相短路分恒定电势源电路的三相短路分析析其波形如图4-2所示，可见当短路发生半个周期后，即短路发生半个周期后，即t=0.01s时，短路电流值达到最大时，短路电流值达到最大图图4-2 非周期分量最大时的短路电流波形非周期分量最大时的短路电流波形4.2恒定电势源电路的三相短路分恒定电势源电路的三相短路分析析由此可得短路冲击电流为由此可得短路冲击电流为 式中: 为冲击系数，它反映了冲击电流相对于短路电流周期分量幅值的倍数。

的值介于12之间在实用计算中，当短路短路发生在发电机电压母线发电机电压母线时， 取1.9；当短路发生在发电厂高压侧母线发电厂高压侧母线时， 取1.85；在其它点短路其它点短路时， 取1.8；在1000kVA及以下的电力变压器二次侧及以下的电力变压器二次侧及低压电路中发生三相短低压电路中发生三相短路时路时， 一般取1.3冲击电流冲击电流主要用来校验电气设备校验电气设备和载流导体的动稳定载流导体的动稳定性性，以保证设备在短路时不致因短路电流产生的冲击力而发生变形或损坏4-6）4.2恒定电势源电路的三相短路分恒定电势源电路的三相短路分析析n 2.短路电流最大有效值短路电流最大有效值 短路电流最大有效值短路电流最大有效值出现在短路后的第一个周期内，在短路过程中，任一时刻t的短路电流有效值是指以该时刻为中心的一个周期内瞬时电流的均方根，一般最大有效值最大有效值由下式计算 当冲击系数 时， ； 当 时， 短路电流有效值短路电流有效值主要用来校验设备的热稳定性用来校验设备的热稳定性，最大有最大有效值效值一般用来校验断路器的断流能力用来校验断路器的断流能力。