工業(yè)企業(yè)短路電流計算

2010.11工業(yè)企業(yè)供電工業(yè)企業(yè)供電工業(yè)企業(yè)供電通常，車間的照明設備容量都不會超過車間三相設備容量的15%。因此，我們可在確定了車間照明設備總容量后，按需要系數(shù)法單獨計算車間照明設備的計算負荷。照明設備組的需要系數(shù)及功率因數(shù)1．用需要系數(shù)法計算全廠計算負荷在已知全廠用電設備總容量Pe的條件下，乘以一個工廠的需要系數(shù)Kd即可求得全廠的有功計算負荷，即4.2.6用需要系數(shù)法計算全廠荷第3章

短路電流計算

主要內容短路概述無限大容量供電系統(tǒng)三相短路分析無限大容量供電系統(tǒng)三相短路電流的計算兩相和單相短路電流的計算短路電流的效應3.1

短路概述定義：電力系統(tǒng)中一切不正常的相與相之間或相與地之間直接金屬性連接或經(jīng)小阻抗連接的情況。正常的電力系統(tǒng)中，除中性點之外，相與相和相與地之間是絕緣的，不論由于何種原因使絕緣遭到破壞,不同電位的導電部分之間的低阻抗短接而構成通路，即所謂電力系統(tǒng)發(fā)生了短路故障。原因：

1）電氣絕緣損壞

2）誤操作

3）自然災害（大風、雨雪、地震、鳥獸害等）

3.1

短路概述種類：

1）三相短路：供配電系統(tǒng)三相導體間的短路；對稱短路，其他均為非對稱短路。

2）兩相短路：三相供配電系統(tǒng)中任意兩相導體間的短路；3.1

短路概述種類：

3）單相短路：供配電系統(tǒng)中任一相經(jīng)大地與中性點或與中線發(fā)生的短路。

4）兩相接地短路：中性點不接地系統(tǒng)中，任意兩相發(fā)生單相接地而產(chǎn)生的短路。3.1

短路概述種類：3.1

短路概述后果：（1）短路的電動效應和熱效應

（2）電壓驟降

（3）造成停電事故（4）影響系統(tǒng)穩(wěn)定

（5）產(chǎn)生電磁干擾3.1

短路概述短路電流計算目的：（1）選擇和校驗電氣設備

（2）繼電保護裝置的整定計算

（3）設計時不同方案的技術比較電力系統(tǒng)中，發(fā)生在中性點接地系統(tǒng)中的單相短路電流有可能最大，而在中性點接地系統(tǒng)中都采取了限制單相短路電流的措施，因此，單相短路電流不可能最大。一般企業(yè)電網(wǎng)都是中性點不接地的6~35kV電網(wǎng)，距電源較遠，因而實際上三相短路電流最大，造成危害也最重，所以短路電流計算的重點是三相短路電流計算。3.2

無限大容量供電系統(tǒng)三相短路分析3.2.1無限大容量供電系統(tǒng)的概念

無限大容量電力系統(tǒng)，就是端電壓保持穩(wěn)定，沒有內部阻抗和容量無限大（相對于用戶內部供配電系統(tǒng)容量大）的電力系統(tǒng)，以致用戶的負荷不論如何變動甚至發(fā)生短路時，電力系統(tǒng)變電所饋電母線的電壓能基本維持不變。 在發(fā)生短路時，發(fā)電機發(fā)生的電磁暫態(tài)變化過程復雜，為簡化分析，假設發(fā)生在無限大容量系統(tǒng)中。目的：簡化短路計算SS=∞ZS=0US=const合理性：①ST<<SS

②誤差在允許范圍在實際用戶供電設計中，當電力系統(tǒng)總阻值不超過短路電路總阻值的5%-10%，或電力系統(tǒng)容量超過用戶供配電系統(tǒng)容量的50倍時，可將電力系統(tǒng)視為“無限大容量電源”。

對一般企業(yè)供配電系統(tǒng)來說，由于企業(yè)供配電系統(tǒng)的容量遠比電力系統(tǒng)總容量小，而其阻抗又較電力系統(tǒng)大得多，因此企業(yè)供配電系統(tǒng)內發(fā)生短路時，電力系統(tǒng)變電所饋電母線上的電壓幾乎維持不變，也就是說，可將電力系統(tǒng)看作無限大容量的電源。3.2.1無限大容量供電系統(tǒng)的概念①ST<<SS

②誤差在允許范圍

③偏保守無限大容量系統(tǒng)發(fā)生三相短路3.2.2

無限大容量供電系統(tǒng)三相短路暫態(tài)過程發(fā)生短路后，由于負荷阻抗和部分線路阻抗被短路，所以電路電流要突然增大；但由于電路中存在電感，電流不能突變，引起一個過渡過程。由于暫態(tài)過程中的短路電流比起穩(wěn)態(tài)值要大很多，所以暫態(tài)過程雖然時間很短，但它對電器設備的危害卻遠比穩(wěn)態(tài)短路電流要嚴重得多。3.2.2

無限大容量供電系統(tǒng)三相短路暫態(tài)過程1）正常運行：電源相電壓：運行電流：阻抗角電流幅值：等效成單相電路分析3.2.2

無限大容量供電系統(tǒng)三相短路暫態(tài)過程2）三相短路分析：k點右側，沒有電源，電流衰減到零；k點左側有電源，阻抗突變Z↓,I↑；I不突變，出現(xiàn)非周期分量電流，不斷衰減（暫態(tài)過渡過程），最終達到穩(wěn)定值。定性分析定量分析非齊次一階微分方程該方程式的解就是短路的全電流，它由兩部分組成：第一部分是方程式的特解，代表短路電流的周期分量；第二部分是對應齊次方程的一般解，代表短路電流的非周期分量。短路電流周期分量幅值；短路回路阻抗角；短路回路時間常數(shù)；短路電流非周期分量初始值由初始條件決定，即在短路瞬間t=0時，短路前工作電流與短路后工作電流相等。非周期分量，自由分量，按指數(shù)衰減，最終為0周期分量，穩(wěn)態(tài)分量3.2.2

無限大容量供電系統(tǒng)三相短路暫態(tài)過程3.2.2

無限大容量供電系統(tǒng)三相短路暫態(tài)過程3）最嚴重三相短路時的短路電流：短路地點：距離電源越近，則短路電流越大；短路回路純電感，即。在短路瞬間t=0時，A相電壓過零；短路前，電路空載或；3.2.3

三相短路的有關物理量1）短路電流周期分量有效值：短路點的短路計算電壓（或稱平均額定電壓），由于線路首端短路時其短路最為嚴重，因此按線路首端電壓考慮，即短路計算電壓取為比線路額定電壓高5%，按我國標準有0.4,0.69,3.15,6.3,10.5,37,69,……短路電流非周期分量最大值：3.2.3

三相短路的有關物理量2）次暫態(tài)短路電流：短路電流周期分量在短路后第一個周期的有效值。3）短路全電流有效值：指以時間t為中心的一個周期內，短路全電流瞬時值的均方根值。無限大容量系統(tǒng)發(fā)生三相短路時，短路電流周期分量有效值保持不變。3.2.3

三相短路的有關物理量4）短路沖擊電流和沖擊電流有效值：最嚴重三相短路時短路全電流最大瞬時值發(fā)生時刻3.2.3

三相短路的有關物理量4）短路沖擊電流和沖擊電流有效值：短路沖擊電流：短路全電流的最大瞬時值出現(xiàn)在短路后半個周期，t=0.01s短路電流沖擊系數(shù)；對于純電阻電路，取1；對于純電感性電路，取2；因此，介于1和2之間。沖擊電流有效值：短路后第一個周期的短路全電流有效值。3.2.3

三相短路的有關物理量6）三相短路容量：選擇斷路器時，校驗其斷路能力的依據(jù)5）穩(wěn)態(tài)短路電流有效值：短路電流非周期分量衰減后的短路電流有效值無限大容量系統(tǒng)發(fā)生三相短路時，短路電流周期分量有效值保持不變。3.3

無限大容量供電系統(tǒng)三相短路電流的計算短路電流計算步驟短路計算電路圖短路等效電路圖3.3

無限大容量供電系統(tǒng)三相短路電流的計算短路電流計算方法（1）有名單位制法——歐姆法注意：在計算短路電路的阻抗時，假如電路內含有電力變壓器，則電路內各元件的阻抗都應統(tǒng)一換算到短路點的短路計算電壓去。阻抗等效換算的條件是元件的功率損耗不變。短路計算中，電氣設備各元件的阻抗及其電氣參數(shù)用有名單位（歐、安、伏）來計算

（2）相對單位制法——標幺值法需考慮變壓器變比和電氣設備參數(shù)的歸算問題，不方便3.3.1

標幺制概念：用相對值表示元件的物理量步驟選定基準值基準容量、基準電壓、基準電流、基準阻抗通常選定、計算標幺值注：標幺值是一個沒有單位的相對值，通常用帶*的上標以示區(qū)別。換算到短路點電壓等級的等效電抗換算到短路點電壓等級的等效電抗標幺值用基準容量和元件所在電壓等級的基準電壓計算的阻抗標幺值，和將元件阻抗換到短路點所在的電壓等級，再用基準容量和短路點所在電壓等級基準電壓計算的阻抗標幺值相同，即變壓器變比標幺值為1.3.3.2

短路回路元件的標幺值阻抗1、線路的電阻標幺值和電抗標幺值電力線路阻抗有名值：給定參數(shù)：電力線路長度、單位長度電阻和電抗3.3.2

短路回路元件的標幺值阻抗2、變壓器的電抗標幺值變壓器阻抗有名值：電阻很小，可以忽略不計給定參數(shù)：額定容量和阻抗電壓換算到變壓器一次側的等值阻抗3.3.2

短路回路元件的標幺值阻抗3、電抗器的電抗標幺值給定參數(shù)：電抗器的額定電壓、額定電流、電抗百分數(shù)用來限制短路電流的電感線圈電抗器電抗有名值為：

注意：安裝電抗器的網(wǎng)路電壓不一定和電抗器的額定電壓相等。3.3.2

短路回路元件的標幺值阻抗4、電力系統(tǒng)的電抗標幺值1）給定參數(shù)：電力系統(tǒng)電抗有名值Xs2）給定參數(shù)：電力系統(tǒng)出口斷路器斷流容量3）給定參數(shù)：電力系統(tǒng)出口處的短路容量若電力部門提供相關參數(shù)，則考慮3.3.2

短路回路元件的標幺值阻抗5、短路回路的總阻抗標幺值給定參數(shù)：總電阻標幺值和總電抗標幺值高壓系統(tǒng)：只計及電抗而忽略電阻；若，可忽略電阻，即。低壓系統(tǒng)：往往需計及電阻；3.3.3

三相短路電流的計算三相短路電流周期分量有效值總阻抗標幺值3.3.3

三相短路電流的計算沖擊短路電流高壓系統(tǒng)：低壓系統(tǒng)：三相短路容量⑤由短路回路總阻抗標幺值計算短路電流標幺值，再計算短路各量，即短路電流、沖擊短路電流和三相短路容量。短路電流具體計算步驟：①畫出短路電流計算系統(tǒng)圖；包含所有與短路計算有關的元件，并標出各元件的參數(shù)和短路點；②畫出等效電路圖；每個元件用一個阻抗表示，電源用一個小圓表示，并標出短路點，同時標出元件的序號和阻抗值，一般分子標序號，分母標阻抗值；③選取基準容量和基準電壓，計算各元件的阻抗標幺值；④等效電路化簡，求出短路回路總阻抗的標幺值；例題：已知電力系統(tǒng)出口斷路器為SN10-10Ⅱ型。試求企業(yè)變電所高壓10KV母線上k-1點短路和低壓380V母線上k-2點短路的三相短路電流和短路容量。解（1）繪制計算電路圖三相繪成單相電路各元件額定參數(shù)加以標明（3）確定基準值（2）繪制等效電路圖只繪出短路電流通過的元件阻抗，順序編號，作為分子。解（4）計算短路電路中各主要元件的電抗標幺值電力系統(tǒng)的電抗標幺值由附錄表A-4可查得SN10-10Ⅱ型斷路器的斷流容量SOC=500MVA架空線路電抗標幺值6~10kv架空線路每相單位長度電抗電力變壓器電抗標幺值由附錄表A-3可查得解（5）k-1點總電抗標幺值三相短路電流周期分量有效值其他三相短路電流三相短路容量解（6）k-2點總電抗標幺值三相短路電流周期分量有效值其他三相短路電流三相短路容量異步電動機是供電系統(tǒng)中最主要的負荷之一。當供電系統(tǒng)發(fā)生短路時，短路點的電壓為零，而接在短路點附近的電動機的轉速又不能立即降至零，其反電勢大于機端殘壓，此時電動機就會像發(fā)電機一樣，向短路點饋送電流。當電動機容量較大時，這一反饋電流數(shù)值較大，不能忽略。由于該反饋電流使電動機迅速制動，其值也快速衰減，所以只需考慮對短路電流沖擊值的影響。3.3.4

大型電動機對三相短路電流的影響——電動機額定電流；——電動機次暫態(tài)電勢和次暫態(tài)電抗的標幺值；電動機發(fā)出的短路沖擊電流可按下式計算：式中：、——電動機反饋電流沖擊系數(shù)，高壓電動機一般取1.4～1.6，低壓電動機一般取1.0。3.3.4

大型電動機對三相短路電流的影響一般取0.9和0.173.4

兩相和單相短路電流的計算兩相短路電流在無限大容量系統(tǒng)中發(fā)生兩相短路時，其兩相短路電流周期分量有效值（簡稱“兩相短路電流”）為：因此無限大容量系統(tǒng)中的兩相短路電流，可在求出三相短路電流后直接求得若只計電抗3.4

兩相和單相短路電流的計算單相短路電流在遠離發(fā)電機的無限大容量系統(tǒng)發(fā)生短路時，單相短路電流較三相短路電流小。選擇電氣設備和導體的短路穩(wěn)定度校驗的短路電流，應該采取三相短路電流。兩相短路電流主要用于相間短路保護的靈敏度校驗，而單相短路電流主要用于單相短路保護的整定及單相短路熱穩(wěn)定度的校驗。變壓器單相等效電阻和電抗、相線與大地或中線的電阻和電抗在大接地電流系統(tǒng)或三相四線制系統(tǒng)中發(fā)生單相短路時，單相短路電流可用下式計算：3.5

短路電流的效應

1）短路電流的電動力效應導體通過電流時相互間電磁作用產(chǎn)生的力，稱為電動力；正常工作時，電動力不大；短路時，電動力較大；短路沖擊電流流過瞬間，電動力最大；電動力

2）短路的熱效應3.5.1

短路電流的電動力效應（1）兩平行載流導體間的電動力由《電工基礎》知，處于空氣中的兩平行直導體分別通過電流i1、i2（A），而導體間軸線距離為a，導體的兩支持點距離（檔距）為l,則導體間所產(chǎn)生的電磁互作用力即電動力F（N）為：形狀系數(shù)，圓形、管形導體為1；適用于實心或空心圓截面導體，也適用于導體間的凈空距離大于導體截面周長的矩形截面導體。3.5.1

短路電流的電動力效應（2）三相平行載流導體間的電動力中相導體受到的電動力最大：3.5.1

短路電流的電動力效應（3）短路電流的電動力三相短路產(chǎn)生的最大電動力兩相短路產(chǎn)生的最大電動力校驗電氣設備或導體的動穩(wěn)定時，應采用三相短路沖擊電流或沖擊電流有效值。3.5.2

短路電流的熱效應（1）短路發(fā)熱的特點

t1時刻：線路發(fā)生短路時，短路電流將使導體溫度迅速升高。t2時刻后： 導體無電流流過，不再產(chǎn)生熱量，向周圍介質散熱，溫度下降。

t1時刻前： 導體在短路前正常負荷時溫度為t2時刻： 線路的保護裝置動作，切除短路故障，這時導體溫度達到。由于短路電流通過導體的時間很短，通常不會超過2-3s。所以在短路過程中，可不考慮導體周圍介質的散熱，也就是可近似地認為在短路時間內導體與周圍介