第三章 工廠供電

第三章短路電流及其計(jì)算第一節(jié)短路的原因、后果和形式一.短路的原因二.短路的后果三.短路的形式第二節(jié)無(wú)限大容量電力系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)的物理過(guò)程和物理量一.無(wú)限大電力系統(tǒng)及其三相短路的物理過(guò)程二.短路的有關(guān)物理量一.概述第三節(jié)無(wú)限大容量電力系統(tǒng)中短路電流的計(jì)算二.采用歐姆法進(jìn)行三相短路計(jì)算三.采用標(biāo)幺制法進(jìn)行三相短路計(jì)算四.兩相短路電流的計(jì)算五.單相短路電流的計(jì)算第四節(jié)短路電流的效應(yīng)和穩(wěn)定度校驗(yàn)一.概述二.短路電流的電動(dòng)效應(yīng)和動(dòng)穩(wěn)定度三.短路電流的熱效應(yīng)和熱穩(wěn)定度

一.短路的原因短路就是指不同電位的導(dǎo)電部分包括導(dǎo)電部分對(duì)地之間的低阻性短接。造成短路的原因主要有：

(1)電氣設(shè)備絕緣損壞

(2)有關(guān)人員誤操作(3)鳥(niǎo)獸為害事故第三章短路電流及其計(jì)算第一節(jié)短路的原因、后果和形式

二.短路的后果

短路后，系統(tǒng)中出現(xiàn)的短路電流比正常負(fù)荷電流大得多。很大的短路電流可對(duì)供電系統(tǒng)造成極大的危害：(1)短路時(shí)要產(chǎn)生很大的電動(dòng)力和很高的溫度，而使故障元件和短路電路中的其他元件受到損害和破壞，甚至引發(fā)火災(zāi)事故。(2)短路時(shí)電路的電壓驟然下降，嚴(yán)重影響電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。(3)短路時(shí)保護(hù)裝置動(dòng)作，將故障電路切除，從而造成停電(4)嚴(yán)重的短路影響電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(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。(5)不對(duì)稱短路包括單相和兩相短路，其短路電流將產(chǎn)生較強(qiáng)的不平衡交流電磁場(chǎng)，對(duì)附近的通信線路、電子設(shè)備等產(chǎn)生電磁干擾，影響其正常運(yùn)行，甚至使之發(fā)生誤動(dòng)作。

三.短路的形式

在三相系統(tǒng)中，短路的形式有三相短路、兩相短路、單相短路和兩相接地短路等，圖

短路的形式－三相短路－兩相短路－單相短路－兩相接地短路第二節(jié)無(wú)限大容量電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路時(shí)的物理過(guò)程和物理量

一.無(wú)限大容量電力系統(tǒng)及其三相短路的物理過(guò)程無(wú)限大容量電力系統(tǒng)，是指供電容量相對(duì)于用戶供電系統(tǒng)容量大得多的電力系統(tǒng)。其特點(diǎn)是：當(dāng)用戶供電系統(tǒng)的負(fù)荷變動(dòng)甚至發(fā)生短路時(shí)，電力系統(tǒng)變電所饋電母線上的電壓能基本維持不變。圖

無(wú)限大容量電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路a)三相電路圖b)等效單相電路圖

無(wú)限大容量電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路時(shí)的電壓、電流變動(dòng)曲線由于短路電路還存在電阻，因此短路電流非周期分量要逐漸衰減。電路內(nèi)的電阻越大和電感越小，則衰減越快。短路電流非周期分量是按指數(shù)函數(shù)衰減的，其表達(dá)式為

2.短路電流非周期分量短路電流非周期分量的初始絕對(duì)值為

二.短路有關(guān)的物理量

1.短路電流周期分量式中，為短路電流周期分量幅值，其中為短路電路總阻抗[模]；為短路電路的阻抗角。由于短路電路的，因此。故短路初瞬間（t=0時(shí)）的短路電流周期分量為

3.短路全電流短路電流周期分量與非周期分量之和，即為短路全電流。短路全電流

的最大有效值是短路后第一個(gè)周期的短路電流有效值，用Ish表示，也可稱為短路沖擊電流有效值，用下式計(jì)算：

4.短路沖擊電流短路沖擊電流為短路全電流中的最大瞬時(shí)值。在高壓電路發(fā)生三相短路時(shí)，一般可取Ksh=1.8，因此在1000kVA及以下的電力變壓器和低壓電路中發(fā)生三相短路時(shí)，一般可取Ksh=1.3

5.短路穩(wěn)態(tài)電流

短路穩(wěn)態(tài)電流是短路電流非周期分量衰減完畢以后的短路全電流，其有效值用表示。在無(wú)限大容量系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)饋電母線電壓維持不變，所以其短路電流周期分量有效值（習(xí)慣上用表示）在短路的全過(guò)程中維持不變，即。

第三節(jié)無(wú)限大容量電力系統(tǒng)中短路電流的計(jì)算

一.概述短路電流計(jì)算的方法，常用的有歐姆法和標(biāo)幺制法。二.采用歐姆法進(jìn)行三相短路計(jì)算歐姆法又稱有名單位制法，因其短路計(jì)算中的阻抗都采用有名單位“歐姆”而得名。在無(wú)限大容量系統(tǒng)中發(fā)生三相短路時(shí)，其三相短路電流周期分量有效值按下式計(jì)算：供電系統(tǒng)中各主要元件包括電力系統(tǒng)（電源）、電力變壓器和電力線路的阻抗計(jì)算。如果不計(jì)電阻，則三相短路電流周期分量有效值為

1.電力系統(tǒng)的阻抗計(jì)算

電力系統(tǒng)的電阻相對(duì)于電抗來(lái)說(shuō)很小，一般不予考慮。電力系統(tǒng)的電抗，可由電力系統(tǒng)變電站饋電線出口斷路器的斷流容量來(lái)估算。三相短路容量為

基準(zhǔn)電抗Xd則按下式計(jì)算：

下面分別講述供電系統(tǒng)中各主要元件的電抗標(biāo)幺值的計(jì)算（取Sd=100MVA，Ud=Uc）

(1)電力系統(tǒng)的電抗標(biāo)幺值

(2)電力變壓器的電抗標(biāo)幺值

(3)電力線路的電抗標(biāo)幺值短路計(jì)算中各主要元件的電抗標(biāo)幺值求出以后，即可利用其等效電路圖進(jìn)行電路化簡(jiǎn)，求出其總電抗標(biāo)幺值。由于各元件均采用標(biāo)幺值，與短路計(jì)算點(diǎn)的電壓無(wú)關(guān)，因此電抗標(biāo)幺值無(wú)須進(jìn)行電壓換算，這也是標(biāo)幺制法較之歐姆法優(yōu)越之處。無(wú)限大容量系統(tǒng)三相短路電流周期分量有效值的標(biāo)幺值按下式計(jì)算(下式未計(jì)電阻，因標(biāo)幺值制法一般用于高壓電路短路計(jì)算，通常只計(jì)電抗）：

2.電力變壓器的阻抗計(jì)算

(1)變壓器的電阻RT可由變壓器的短路損耗△Pk

近似計(jì)算。

(2)變壓器的電抗XT

可由變壓器的短路電壓Uk

%近似地計(jì)算。

3.電力線路的阻抗計(jì)算

(1)線路的電阻RWL

可由導(dǎo)線電纜的單位長(zhǎng)度電阻乘以線路長(zhǎng)度求得，即

(2)線路的電抗

XWL可由導(dǎo)線電纜的單位長(zhǎng)度電抗乘以線路長(zhǎng)度求得，即

式中X0為導(dǎo)線電纜單位長(zhǎng)度電抗，亦可查有關(guān)手冊(cè)或產(chǎn)品樣本。為線路長(zhǎng)度。圖

三相線路的線間距離b)水平等距排列c)等邊三角形排列a)一般情況

三.采用標(biāo)幺制法進(jìn)行三相短路計(jì)算

任一物理量的標(biāo)幺值，為該物理量的實(shí)際量A與所選定的基準(zhǔn)值,Ad的比值，即

按標(biāo)幺制法進(jìn)行短路計(jì)算時(shí)，一般是先選定基準(zhǔn)容量Sd和

基準(zhǔn)電壓Ud

。基準(zhǔn)容量，工程設(shè)計(jì)中通常取Sd

=100MVA?；鶞?zhǔn)電壓，通常取元件所在處的短路計(jì)算電壓，即取Ud=Uc。選定了基準(zhǔn)容量和基準(zhǔn)電壓以后，基準(zhǔn)電流Id

則按下式計(jì)算：

四.兩相短路電流的計(jì)算

在無(wú)限大容量系統(tǒng)中發(fā)生兩相短路時(shí)其短路電流可由下式求得：式中Uc為短路點(diǎn)的短路計(jì)算電壓（線電壓）。圖

無(wú)限大容量電力系統(tǒng)中發(fā)生兩相短路如果只計(jì)電抗，則兩相短路電流為關(guān)于兩相短路電流與三相短路電流的關(guān)系，可由求得，因，故

五.單相短路電流的計(jì)算在大接地電流的電力系統(tǒng)中或三相四線制系統(tǒng)中發(fā)生單相短路時(shí),根據(jù)對(duì)稱分量法可求得其單相短路電流為式中為電源相電壓；為單相短路回路的正序、負(fù)序和零序阻抗。在工程設(shè)計(jì)中，常利用下式計(jì)算單相短路電流式中為電源相電壓；為單相短路的阻抗[模]，可查有關(guān)手冊(cè)，或按下式計(jì)算：

式中分別為變壓器單相的等效電阻和電抗；分別為相線與N線或與PE線、PEN線的短路回路電阻和電抗，

由于遠(yuǎn)離發(fā)電機(jī)發(fā)生短路時(shí)，Z0Σ＜Z1Σ

，因此

由此可知，在遠(yuǎn)離發(fā)電機(jī)的無(wú)限大容量系統(tǒng)中短路時(shí)，兩相短路電流和單相短路電流都比三相短路電流小，因此用于選擇電氣設(shè)備選擇校驗(yàn)的短路電流，應(yīng)該采用三相短路電流。兩相短路電流主要用于相間短路保護(hù)的靈敏度校驗(yàn)，單相短路電流則主要用于單相短路熱穩(wěn)定度的校驗(yàn)。第四節(jié)短路電流的效應(yīng)和穩(wěn)定度校驗(yàn)一.短路電流的電動(dòng)效應(yīng)和動(dòng)穩(wěn)定度要使電路元件能承受短路時(shí)最大電動(dòng)力的作用，電路元件必須具有足夠的電動(dòng)穩(wěn)定度。(一)短路時(shí)的最大電動(dòng)力

由于三相短路沖擊電流與兩相短路沖擊電流有下列關(guān)系：，因此三相短路與兩相短路產(chǎn)生的最大電動(dòng)力之比為

如果三相線路中發(fā)生三相短路，則三相短路沖擊電流在中間相產(chǎn)生的電動(dòng)力最大，其值（單位為N）為(二)短路動(dòng)穩(wěn)定度的校驗(yàn)條件

1.一般電器的動(dòng)穩(wěn)定度校驗(yàn)條件按下列公式校驗(yàn)：

2.絕緣子的動(dòng)穩(wěn)定度條件按下列公式校驗(yàn)：

3.硬母線的動(dòng)穩(wěn)定度校驗(yàn)條件按下列公式校驗(yàn)：式中M為母線通過(guò)時(shí)所受到的彎曲力矩；當(dāng)母線檔數(shù)為1~2時(shí)，當(dāng)母線檔數(shù)大于2時(shí)，圖

水平排列的母線a)平放b)豎放

三.短路電流的熱效應(yīng)和熱穩(wěn)定度(一)短路時(shí)導(dǎo)體的發(fā)熱過(guò)程和發(fā)熱計(jì)算導(dǎo)體通過(guò)正常負(fù)荷電流時(shí)，由于導(dǎo)體具有電阻產(chǎn)生電能損耗。電能損耗轉(zhuǎn)化為熱能，一方面使導(dǎo)體溫度升高，另一方面向周圍介質(zhì)散熱。當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的熱量與向周圍介質(zhì)散發(fā)的熱量相等時(shí)，導(dǎo)體就維持在一定的溫度值。當(dāng)線路發(fā)生短路時(shí)，短路電流將使導(dǎo)體溫度迅速升高。由于短路后線路的保護(hù)裝置很快動(dòng)作切除短路故障，所以短路電流通過(guò)導(dǎo)體的時(shí)間不長(zhǎng)，通常不超過(guò)2～3s。因此在短路過(guò)程中，可不考慮導(dǎo)體向周圍介質(zhì)的散熱，即近似地認(rèn)為導(dǎo)體在短路時(shí)間內(nèi)是與周圍介質(zhì)絕熱的，短路電流在導(dǎo)體中產(chǎn)生的熱量，全部用來(lái)使導(dǎo)體的溫度升高。圖

短路前后導(dǎo)體的溫度變化

如果導(dǎo)體和電器在短路時(shí)的發(fā)熱溫度不超過(guò)允許溫度，則應(yīng)認(rèn)為導(dǎo)體和電器是滿足短路熱穩(wěn)定度要求的。要確定導(dǎo)體短路后實(shí)際達(dá)到的最高溫度，按理應(yīng)先求出短路期間實(shí)際的短路全電流或在導(dǎo)體中產(chǎn)生的熱量。但是和都是幅值變動(dòng)的電流，要計(jì)算其