電力系統(tǒng)短路故障

電力系統(tǒng)短路故障一、短路的一般概念電力系統(tǒng)應(yīng)該正常不間斷地供電，保證用戶生產(chǎn)和生活的正常進(jìn)行。但是當(dāng)發(fā)生短路故障時，可能破壞電力系統(tǒng)正常運(yùn)行，從而影響用戶的生產(chǎn)和生活。“短路”是指電力系統(tǒng)中相與相之間或相與地之間，通過電弧或其他較小阻抗形成的一種非正常連接。電力系統(tǒng)中發(fā)生短路的原因有多種，歸納如下：1）電氣設(shè)備絕緣損壞。其原因有設(shè)計(jì)不合理、安裝不合格、維護(hù)不當(dāng)?shù)?，還有外界原因如架空線斷線、倒桿及挖溝時損壞電纜、雷擊或過電壓等。2）運(yùn)行人員誤操作。如帶負(fù)荷拉合隔離開關(guān)（刀閘）、帶地線合閘、誤將帶地線的設(shè)備投入等。3）其他原因。如鳥獸跨接導(dǎo)體造成短路等。電力系統(tǒng)短路的基本類型有：三相短路、兩相短路、單相接地短路、兩相接地短路等。各種短路故障示意圖和代表符號如表1-1所示，其中三相短路為對稱短路，其他為不對稱短路表P1 各種短路故障示意圖和代表符號運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，電力系統(tǒng)中各種短路故障發(fā)生的幾率是不同的，其中發(fā)生三相短路的幾率最少，發(fā)生單相接地短路的幾率最大。在實(shí)際工程問題中，經(jīng)常需要計(jì)算短路電流，計(jì)算中涉及到如下概念：(1)無限大容量系統(tǒng)。無限大容量電力系統(tǒng)指，容量相對于被供電系統(tǒng)容量大得多的電力系統(tǒng)，其特征是，當(dāng)被供電系統(tǒng)中負(fù)荷變動甚至發(fā)生短路故障，電力系統(tǒng)母線電壓及頻率基本維持不變。一般，電力系統(tǒng)等值電源阻抗不超過短路電路阻抗的5%?10%,或電力系統(tǒng)容量超過被供電系統(tǒng)容量50倍時，可視為無限大容量電力系統(tǒng)，簡稱無限大系統(tǒng)或無窮大系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用中對11OkV配電網(wǎng)，可將供電變壓器看作無窮大系統(tǒng)對11OkV配電網(wǎng)供電。(2)短路電流周期分量。電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，與正常負(fù)荷狀態(tài)相比，供電回路的阻抗大為減小，因此出現(xiàn)數(shù)值很大的短路電流。顯然，短路電流的大小由電源電壓和短路回路阻抗決定，電源電壓是正弦周期分量，與之對應(yīng)，產(chǎn)生的是短路電流中的周期分量。在計(jì)算中，通常求取的就是這個短路電流周期分量，即在非周期分量衰減完畢后的穩(wěn)態(tài)短路電流。(3)短路電流非周期分量。電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時，線路和設(shè)備上流過負(fù)荷電流，當(dāng)發(fā)生短路時，在短路回路中將流過短路電流。由于短路回路存在電感，導(dǎo)致電流不能突變，因此，在電流變化的過渡過程中，將出現(xiàn)一個隨時間衰減的非周期分量電流，即短路電流中的非周期分量。(4)短路沖擊電流。短路全電流中的最大瞬時值稱為短路沖擊電流，其數(shù)值約為短路電流周期分量的1.8姮倍。二、三相對稱短路在電力系統(tǒng)的各種短路故障中，雖然三相短路發(fā)生的幾率最小，但其對電力系統(tǒng)的影響和危害最大。無窮大系統(tǒng)發(fā)生三相短路示意圖如圖1-9所示。三相短路時，三相仍然對稱，三相的短路回路完全相同，短路電流相等，相位互差120。因此只計(jì)算一相即可。根據(jù)電路計(jì)算原理，采用有名值計(jì)算三相短路電流周期分量如下：1(3)=(1-1)1(3)=式中If)——三相短路電流周期分量有效值;Es——等值電源線電動勢，實(shí)際計(jì)算時可采用平均額定電壓;X2——短路回路總電抗，通常計(jì)算時不考慮回路的電阻。

圖1-9無窮大系統(tǒng)供電發(fā)生三相短路示意圖—次系統(tǒng)手（b）短路電流路徑例1-1某電力系統(tǒng)如圖1-10所示，在母線B和母線C分別發(fā)生三相短路，試求短路點(diǎn)的短路電流周期分量。（等值電源電抗為Xs=0.22Q，線路單位電抗為解：（1）母線8三相短路。X]解：（1）母線8三相短路。X]=0.38Q/km，變壓器T1、T2的額定容量為1000kVA、短路電壓為U*=4.5）X=xL =0.38x5=1.9QX^(k])=X+X^b=0.22+1.9=2.12QlUIlUI(3)二一八—k1 \.：3XE(k1)10.5kVv3x2.12Q=2.86kA（2）母線C三相短路。計(jì)算時需要將等值電源電抗和線路電抗折算到0.4kV側(cè)，并計(jì)算變壓器電抗（詳細(xì)論述請參考電力系統(tǒng)故障分析計(jì)算的有關(guān)書籍）。

X'=Xss2=0.22x2X'=Xss2=0.22x2=3.2x10-4QX'=XABABIU2=1.9x2=2.76x10-3QU%U2X=X氏t &T1 T2 100S4.5(0.4)2 x =7.2x10-3Q1001000NT=X'+X'+X//XABT1 T2=3.2x10-4+2.76x10-3+7.2x10-3/2=6.68x10-3QI⑶二-JUG

I⑶二-JUG

k2v3X0.4kVE(k2)三、不對稱短路3xx6.68x10-3Q=34.57kA電力系統(tǒng)不對稱短路包括兩相短路、兩相接地短路和單相接地短路。(一)序分量的概念當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生不對稱短路時，三相不再對稱，三相的電流和電壓數(shù)值也不再相等。如果將此不對稱的電流或電壓進(jìn)行分解，可以分解出正序分量、負(fù)序分量，對于接地短路還有零序分量，分別用下標(biāo)1、2和0表示。以電流為例，各序分量電流相量圖如圖1-11所示，對于工頻50Hz，正序電流三相對稱，即大小相等，相位互差120o；負(fù)序電流三相對稱，即大小相等，相位互差120o；但相序與正序電流相反；零序電流三相大小相等，相位相同。三相短路電流為? ? ? ? -B.I = I與正序電流相反；零序電流三相大小相等，相位相同。三相短路電流為? ? ? ? -B.I = I + I + I 'kAA1 A2 0? ? ? ?圖1-11電流序分量相拉圖(a)正序分量f 負(fù)序分量；(c)零序分量I=I+I+I>TOC\o"1-5"\h\zkB B1 B2 0? ? ? ?(1-2)I = I +1 +1(1-2)kC C1 C2 0,可得零序電流為? I? ? ?I=-(I +1+1)0 3kAkBkC用瞬時值表示為i(t)=1\i(t)+i(t)+i(t)]

0 3kAkBkC顯然，電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時僅有正序分量。(二)短路電流1、兩相短路無窮大系統(tǒng)供電發(fā)生BC兩相短路示意圖如圖1-12所示。電力系統(tǒng)發(fā)生兩相短路，經(jīng)故障相和短路點(diǎn)構(gòu)成短路回路，由故障相電源的線電動拋產(chǎn)生短路電流，流過故障線路，非故障線路沒有短路電流，因此出現(xiàn)三相不對稱。不在計(jì)負(fù)荷電流的情況下，三相的短路電流分別為■■■TOC\o"1-5"\h\zI=I+1=0 ]kA A1 A2■ ■I=I+1L (1-4)kB B1 B2 f■■■I=I+1=-1kC C1 C2 kB」可見兩相短路時的特點(diǎn)是，三相不對稱，出現(xiàn)負(fù)序電流；只有故障相存在短路電流，且兩相的短路電流數(shù)值相等，相位相反。圖1T2無窮大系統(tǒng)供電發(fā)生BC兩相短路示意圖<a>一次系統(tǒng)[(b)短路電流路徑根據(jù)圖1-12,短路電流數(shù)值可計(jì)算如上:(1-5)式中以2)——兩相短路電流周期分量有效值。/一一等值電源線電動勢，實(shí)際計(jì)算進(jìn)可以采用平均額定電壓；X￡———相短路回路總電抗。將式（1-5）與式（1-1）比較可得行一一 ,一I（2）=——I（3）=0.8661（3） （1-6）k2k k式（1-6）說明，兩相短路電流數(shù)值為同一地點(diǎn)三相短路電流的0.866倍，在實(shí)際計(jì)算中，常常求出三相短路電流后，直接用以上關(guān)系得到兩相短路電流。2、單相接地短路（1）中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)。中性點(diǎn)直接接地的無窮大系統(tǒng)供電，發(fā)生A相單相接地短路示意圖如圖1-13所示。圖1-13中性點(diǎn)直接接地的無窮大系統(tǒng)供電

發(fā)生A相單相接地短路示意圖5）一次系統(tǒng)彳（1））短路電流路稅中性點(diǎn)直接接地電力系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，經(jīng)直接接地的中性點(diǎn)、故障相和短路點(diǎn)構(gòu)成短路回路，由故障相電源電動勢產(chǎn)生短路電流，流過故障線路，非故障線路沒有短路電流，因此出現(xiàn)三相不對稱，在不計(jì)負(fù)荷電流的情況下，三相的短路TOC\o"1-5"\h\z電流分別為■ ■ ■ ■ ■I=I+1+1=31 ）kA A1 A2 A0 0■ ■ ■ ■I=I+1+1+1=0I （1-7）kB B1 B1 B2 B 0t■ ■ ■I=I+1+1=0kCC1C2C0 」可見單相接地短路時的特點(diǎn)是，三相不對稱，出現(xiàn)負(fù)序電流和零序電流；故障相存在短路電流，在圖1-13（b）中的數(shù)值為31。關(guān)于單相接地短路電流計(jì)算及兩相接地短路問題需要用到復(fù)合序網(wǎng)等概念，在此不作介紹。（