《電力系統(tǒng)短路》PPT課件.ppt

1、電力系統(tǒng)短路,寧波大學(xué)信息學(xué)院,內(nèi)容,4-1 故障概述 4-2 無(wú)限大容量電源（恒定電勢(shì)源）電路的短路過(guò)程分析 4-3 無(wú)限大容量電源條件下短路電流的計(jì)算方法 4-4 短路電流的效應(yīng),4-1 故障概述,故障:一般指短路和斷線,分為簡(jiǎn)單故障和復(fù)雜故障 簡(jiǎn)單故障:電力系統(tǒng)中的單一故障 復(fù)雜故障:同時(shí)發(fā)生兩個(gè)或兩個(gè)以上故障 短路:指一切不正常的相與相之間或相與地之間（對(duì)于中性點(diǎn)接地的系統(tǒng)）發(fā)生通路的情況。,表1-1 各種短路的示意圖和代表符號(hào),一、短路的類型,對(duì)稱短路：,不對(duì)稱短路：,單相接地短路(65%),兩相短路(10%),兩相接地短路(20%),三相短路(5%),短路的種類,絕緣材料的自然老化

2、，設(shè)計(jì)、安裝及維護(hù)不良所帶來(lái)的設(shè)備缺陷發(fā)展成短路。 惡劣天氣：雷擊造成的閃絡(luò)放電或避雷器動(dòng)作，架空線路由于大風(fēng)或?qū)Ь€覆冰引起電桿倒塌等。 人為誤操作，如運(yùn)行人員帶負(fù)荷拉刀閘，線路或設(shè)備檢修后未拆除地線就加上電壓引起短路。 挖溝損傷電纜，鳥(niǎo)獸跨接在裸露的載流部分等。,二、短路的主要原因,(1)電流劇增：設(shè)備發(fā)熱增加，若短路持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，可能使設(shè)備過(guò)熱甚至損壞;由于短路電流的電動(dòng)力效應(yīng)，導(dǎo)體間還將產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力，致使導(dǎo)體變形甚至損壞。 (2)電壓大幅度下降，對(duì)用戶影響很大。 (3)當(dāng)短路發(fā)生地點(diǎn)離電源不遠(yuǎn)而持續(xù)時(shí)間又較長(zhǎng)時(shí)，并列運(yùn)行的發(fā)電機(jī)可能失去同步，破壞系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，造成大面積停電，這

3、是短路最嚴(yán)重的后果。 (4)發(fā)生不對(duì)稱短路時(shí),三相不平衡電流會(huì)在相鄰的通訊線路感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì),影響通訊.,三、短路的危害,最嚴(yán)重的后果,四、計(jì)算短路電流的目的,短路電流計(jì)算結(jié)果 是選擇電氣設(shè)備（斷路器、互感器、瓷瓶、母線、電纜等）的依據(jù)； 是電力系統(tǒng)繼電保護(hù)設(shè)計(jì)和整定的基礎(chǔ)； 是比較和選擇發(fā)電廠和電力系統(tǒng)電氣主接線圖的依據(jù)，根據(jù)它可以確定限制短路電流的措施。,無(wú)限大功率電源（又稱恒定電勢(shì)源），是指端電壓幅值和頻率都保持恒定的電源，其內(nèi)阻抗為零。,4-2 無(wú)限大容量電源（恒定電勢(shì)源）電路 的三相短路過(guò)程分析,電源的容量為無(wú)限大，內(nèi)阻抗為0,S=,恒定電壓源可看成是由無(wú)限多個(gè)有限功率電源并聯(lián)而成。實(shí)

4、際電力系統(tǒng)中恒定電壓源是不存在的，而只能是一個(gè)相對(duì)的概念，往往是根據(jù)供電電源的內(nèi)阻與短路回路總阻抗的相對(duì)大小來(lái)判別是否能看作是恒定電壓源。若供電電源的內(nèi)阻抗小于短路回路阻抗的10%時(shí)，則可認(rèn)為供電電源為恒定電壓源,短路前電路處于穩(wěn)態(tài)，以a相為例：,一、三相短路的暫態(tài)過(guò)程,短路前的穩(wěn)態(tài)電流和阻抗角：,a相的微分方程式如下：,其解就是短路的全電流 i，它由兩部分組成： 周期分量ip 和非周期分量iap 。,假定t0時(shí)刻發(fā)生三相短路,與電源相連接的有源電路 （短路電流計(jì)算）,無(wú)源電路:i R 0,方程的特解,對(duì)應(yīng)的齊次方程的通解,短路電流的強(qiáng)制分量或穩(wěn)態(tài)分量, 并記為,周期分量：,非周期電流 ： 短

5、路電流的自由分量或直流分量,記為, 特征方程,的根。, 非周期分量電流衰減的時(shí)間常數(shù)，則,（C為由初始條件決定的積分常數(shù)）,短路的全電流可表示為：,由于電感中的電流不能突變，短路前瞬間的電流和短路發(fā)生后瞬間的電流應(yīng)相等。短路電流不突變,短路前電流（t=0-）,積分常數(shù)的求解,短路電流關(guān)系的相量圖表示,向量在時(shí)間軸上的投影代表各量的瞬時(shí)值,為了保持電感中的電流在短路前后瞬間不發(fā)生突變，電路中必須產(chǎn)生一個(gè)非周期自由電流，它的初值應(yīng)為i0和ip0之差=非周期電流的初值iap0,短路前電流向量Im在時(shí)間軸上的投影,短路后的周期電流向量Ipm的投影,指短路電流最大可能的瞬時(shí)值，用iim 表示。 其主要作

6、用是校驗(yàn)電氣設(shè)備的電動(dòng)力穩(wěn)定度（機(jī)械強(qiáng)度）。當(dāng)電路的參數(shù)確定并已知時(shí)，短路電流周期分量的幅值是一定的，而短路電流的非周期分量則是按指數(shù)規(guī)律單調(diào)衰減的直流，因此，非周期電流的初值越大，暫態(tài)過(guò)程中短路全電流的最大瞬時(shí)值也就越大。,(1) 相量差 有最大可能值； (2) 相量差 在t0時(shí)與時(shí)間軸平行。,二、短路沖擊電流,非周期電流有最大初值的條件應(yīng)為：,這就是說(shuō)，非周期電流的初值既同短路前和短路后電路的情況有關(guān)，又同短路發(fā)生的時(shí)刻(或合閘角)有關(guān)。,圖4-3 短路電流非周期分量有最大可能值的條件圖,非周期電流有最大值的條件為: （1）短路前電路空載（Im=0)； （2）短路發(fā)生時(shí)，電源電勢(shì)過(guò)零（0）

7、。,在電感性電路中，符合上述條件的情況是：電路原來(lái)處于空載狀態(tài)(Im=0)，短路恰好發(fā)生在短路周期電流Ipm取幅值的時(shí)刻。如果短路回路的感抗比電阻大得多,即LR，就可以近似地認(rèn)為90，則上述情況相當(dāng)于短路發(fā)生在電源電勢(shì)剛好過(guò)零值，即=0的時(shí)刻。,將 ， 和 0代入式短路全電流表達(dá)式：,短路電流的最大瞬時(shí)值在短路發(fā)生后約半個(gè)周期時(shí)出現(xiàn)（如圖4-4）。若f=50Hz，這個(gè)時(shí)間約為0.01秒，將其代入上式。可得短路沖擊電流 ：,kim為沖擊系數(shù),實(shí)用計(jì)算時(shí)，短路發(fā)生在發(fā)電機(jī)電壓母線時(shí)kim1.9；短路發(fā)生在發(fā)電廠高壓母線時(shí)kim1.85；在高壓電路其它地點(diǎn)短路kim1.8。,圖4-4 非周期分量有最

8、大可能值時(shí)的短路電流波形圖,f1 ：kim=1.9,f1,f2 ：kim=1.85,f2,f3,f3 ：kim=1.8,在1000kv.A及以下的電力變壓器二次側(cè)及低壓電路中發(fā)生三相短路時(shí)一般kim1.3。,注意,三、短路電流的有效值短路電流最大有效值 在短路過(guò)程中，任意時(shí)刻t的短路電流有效值，是指以時(shí)刻t為中心的一個(gè)周期內(nèi)瞬時(shí)電流的均方根值，即,為了簡(jiǎn)化計(jì)算，通常假定：非周期電流在以時(shí)間t為中心的一個(gè)周期內(nèi)恒定不變，因而它在時(shí)間t的有效值就等于它的瞬時(shí)值，即,對(duì)于周期電流，認(rèn)為它在所計(jì)算的周期內(nèi)是幅值恒定的，其數(shù)值即等于由周期電流包絡(luò)線所確定的t時(shí)刻的幅值。因此，t時(shí)刻的周期電流有效值應(yīng)為,

9、圖4-5 短路電流有效值的確定,正弦函數(shù)在一個(gè)周期內(nèi)的積分，其值為0,短路電流的最大有效值：,短路電流的最大有效值常用于校驗(yàn)?zāi)承╇姎庠O(shè)備的斷流能力或耐力強(qiáng)度。,短路電流最大有效值出現(xiàn)在第一周期，其中心為：t=0.01s,短路電流的最大有效值,kim=1.8時(shí)，Iim=1.51Ip ， iim=2.55Ip,kim=1.9時(shí)，Iim=1.62Ip ，iim=2.69Ip,kim=1.3時(shí)，Iim=1.09Ip ，iim=1.84Ip,短路沖擊電流,短路容量也稱為短路功率，它等于短路電流有效值同短路處的正常工作電壓（一般用平均額定電壓）的乘積，即,用標(biāo)幺值表示時(shí),短路容量主要用來(lái)校驗(yàn)開(kāi)關(guān)的切斷能力

10、。,四、短路容量,把短路容量定義為短路電流和工作電壓的乘積，是因?yàn)橐环矫骈_(kāi)關(guān)要能切斷這樣大的電流；另一方面，在開(kāi)關(guān)斷流時(shí)其觸頭應(yīng)經(jīng)受住工作電壓的作用。在短路的實(shí)用計(jì)算中，常只用周期分量電流的初始有效值來(lái)計(jì)算短路功能。,五、有關(guān)短路的物理量歸納,短路電流周期分量ip,短路電流非周期分量iap,短路全電流,短路沖擊電流iim,短路穩(wěn)態(tài)電流I=周期電流有效值,短路沖擊電流有效值Iim,I= Ipt = Ip,結(jié)論,為了確定沖擊電流、短路電流非周期分量、短路電流的有效值以及短路功率等，都必須計(jì)算短路電流的周期分量。實(shí)際上，大多數(shù)情況下短路計(jì)算的任務(wù)也只是計(jì)算短路電流的周期分量。,4-3 無(wú)限大容量電源

11、條件下 短路電流的計(jì)算方法,一、標(biāo)幺值法,在無(wú)限大容量電源供電系統(tǒng)中發(fā)生三相短路時(shí)，短路電流的周期分量的幅值和有效值是不變的。,在高壓電路的短路計(jì)算中，通常只計(jì)電抗，不計(jì)電阻。故,按標(biāo)幺值法進(jìn)行短路計(jì)算時(shí)，一般是先選定基準(zhǔn)容量SB和基準(zhǔn)電壓UB。,基準(zhǔn)容量，工程設(shè)計(jì)中通常取,基準(zhǔn)電流,二、供電系統(tǒng)各元件電抗標(biāo)幺值,1）電力系統(tǒng)的電抗標(biāo)幺值,基準(zhǔn)電壓，通常取元件所在處的短路計(jì)算電壓為基準(zhǔn)電壓，即取,基準(zhǔn)電抗,Sk 為電力系統(tǒng)變電所高壓饋電線出口處的短路容量。,2）電力線路的電抗標(biāo)幺值,3）電力變壓器的電抗標(biāo)幺值,短路電路中各主要元件的電抗標(biāo)么值求出以后，即可利用其等效電路圖進(jìn)行電路化簡(jiǎn)求總電抗標(biāo)

12、么值。,三、三相短路電流的計(jì)算,無(wú)限大容量系統(tǒng)三相短路周期分量有效值的標(biāo)么值按下式計(jì)算:,由此可得三相短路電流周期分量有效值：,其他短路電流：,三相短路容量：,（對(duì)高壓系統(tǒng)）,（對(duì)低壓系統(tǒng)）,例題1：某廠一10/0.4kV車間變電所裝有一臺(tái)S9800型變壓器（uk%=5），由廠10kV高壓配電所通過(guò)一條長(zhǎng)0.5km的10kV電纜（x00.08/km）供電。已知高壓配電所10kV母線k-1點(diǎn)三相短路容量為52MVA，試計(jì)算該車間變電所380V母線k-2點(diǎn)發(fā)生三相短路時(shí)的短路電流。,解：1.等值電路如圖,2.確定基準(zhǔn)值,3.計(jì)算短路電路中各主要元件的電抗標(biāo)幺值,1）電力系統(tǒng)的電抗標(biāo)幺值,2）電力線

13、路的電抗標(biāo)幺值,3）電力變壓器的電抗標(biāo)幺值,3求k-2點(diǎn)的短路電路總電抗標(biāo)么值及三相短路電流的短路容量,1）總電抗標(biāo)么值,2) 三相短路電流周期分量有效值,3) 其他三相短路電流,例2 某供電系統(tǒng)如圖所示，已知電力系統(tǒng)出口斷路器的斷開(kāi)容量為500MVA，試求變電所低壓0.38kV母線上k-2點(diǎn)短路的三相短路電流和短路容量。,解：(1) 畫(huà)出相應(yīng)的等值電路，如圖所示；,短路等效電路圖,（2）選取基準(zhǔn)容量，一般取SB=100MVA ，UB1= 10.5kV,UB2= 0.4kV,得,（3）計(jì)算各元件的電抗標(biāo)幺值,1） 電力系統(tǒng)的電抗標(biāo)幺值：,3）電力變壓器的電抗標(biāo)幺值：,2）電力線路的電抗標(biāo)幺值：

14、,2）三相短路電流周期分量有效值：,3）各三相短路電流：,4) 三相短路容量：,（4）求k-2點(diǎn)的總電抗標(biāo)幺值和短路電流和短路容量,1）總電抗標(biāo)幺值：,四、兩相短路電流的估算,兩相短路電流,而三相短路電流,所以,注意：三相短路電流一般比二相短路電流或單相短路電流大。,兩相短路電流,4-4 短路電流的效應(yīng),強(qiáng)大的短路電流通過(guò)電氣設(shè)備和導(dǎo)體，將產(chǎn)生很大的電動(dòng)力，即電動(dòng)力效應(yīng)，可能使電氣設(shè)備和導(dǎo)體受到破壞或產(chǎn)生永久性變形。,短路電流產(chǎn)生的熱量，會(huì)造成電氣設(shè)備和導(dǎo)體溫度迅速升高，即熱效應(yīng)，可能使電氣設(shè)備和導(dǎo)體絕緣強(qiáng)度降低，加速絕緣老化甚至損壞。,為了正確選擇電氣設(shè)備和導(dǎo)體，保證在短路情況下也不損壞，必

15、須校驗(yàn)其動(dòng)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定。,式中， a 為兩平行導(dǎo)體間距離；l 為導(dǎo)體兩相鄰支點(diǎn)間距離，即檔距；i1、i2 分別為兩導(dǎo)體通過(guò)的電流，kf為形狀系數(shù),一、短路電流的力效應(yīng),對(duì)于兩根平行導(dǎo)體，通過(guò)電流分別為i1和i2，其相互間的作用力F(單位 N）可用下面公式來(lái)計(jì)算：,如果三相線路中發(fā)生兩相短路，則二相短路沖擊電流 iim 通過(guò)兩相導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)力最大：,在三相系統(tǒng)中，當(dāng)三相導(dǎo)體在同一平面平行布置時(shí)，受力最大的是中間相。當(dāng)發(fā)生三相短路故障時(shí)，短路電流沖擊值通過(guò)導(dǎo)體中間相所產(chǎn)生的最大電動(dòng)力為：,載流導(dǎo)體和電氣設(shè)備承受短路電流作用時(shí)滿足力穩(wěn)定的條件是,因此，三相短路與二相短路產(chǎn)生的最大電動(dòng)力之比為：,

16、二、短路點(diǎn)附近交流電動(dòng)機(jī)的反饋沖擊電流影響,當(dāng)短路點(diǎn)附近所接交流電動(dòng)機(jī)的額定電流之和超過(guò)短路電流的1%（或總?cè)萘砍^(guò)100kW）時(shí)，按GB50054-95低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，應(yīng)計(jì)入電動(dòng)機(jī)反饋電流的影響。,短路時(shí)電動(dòng)機(jī)端電壓驟降，致使電動(dòng)機(jī)因定子電動(dòng)勢(shì)反高于外加電壓，從而向短路點(diǎn)反饋短路電流 。,當(dāng)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)線端發(fā)生三相短路時(shí)，它反饋的最大短路電流瞬時(shí)值（即電動(dòng)機(jī)反饋沖擊電流）可按下式計(jì)算：,由于交流電動(dòng)機(jī)在外電路短路后很快受到制動(dòng)，因此它產(chǎn)生的反饋電流衰減很快，所以只有在考慮短路沖擊電流的影響時(shí)，才需要計(jì)入電動(dòng)機(jī)的反饋電流。此時(shí)短路點(diǎn)的短路沖擊電流為,三、短路電流的熱效應(yīng),（一）短路時(shí)導(dǎo)體

17、的發(fā)熱,在線路發(fā)生短路時(shí)，強(qiáng)大的短路電流將使導(dǎo)體溫度迅速升高。,短路前后導(dǎo)體的溫度變化,1.在實(shí)際短路時(shí)間tk內(nèi),短路電流的熱量為,根據(jù)Q值可以確定出短路時(shí)導(dǎo)體所達(dá)到的最高溫度k。,發(fā)熱假想時(shí)間,工程計(jì)算公式,載流導(dǎo)體和電氣設(shè)備承受短路電流作用時(shí)滿足熱穩(wěn)定的條件是,當(dāng) 1時(shí)，可認(rèn)為,短路后導(dǎo)體達(dá)到最高溫度k計(jì)算:,2. 曲線法 在工程實(shí)際中，一般是利用圖所示的曲線來(lái)確定k 。該曲線的橫坐標(biāo)為導(dǎo)體加熱系數(shù)K（104A2Smm-4），縱坐標(biāo)為導(dǎo)體溫度（0C）。,利用曲線由 L 查 k 的方法如下（如圖所示） 1） 先從縱坐標(biāo)上找到導(dǎo)體在正常負(fù)荷時(shí)的溫度L值；工程上常用導(dǎo)體最高允許溫度作為L(zhǎng)值。 2）由L點(diǎn)作平行于K軸與曲線交于a點(diǎn)。 3）由a點(diǎn)作垂直于K軸交于KL 。 4）計(jì)算Kk ：,式中，A為導(dǎo)體截面積；I 為三相短路穩(wěn)態(tài)電流；tima為短路發(fā)熱假想時(shí)間；KL和Kk分別為正常負(fù)荷和短路時(shí)導(dǎo)體加熱系數(shù)。,5）從橫坐標(biāo)上找到Kk值。 6）由Kk點(diǎn)作垂直于K軸與曲線交于b點(diǎn)。 7）由 b點(diǎn)作垂直于軸交于k 值。由上所得k 值.,小結(jié),一、短路產(chǎn)生的原因及后果。 二、恒定電勢(shì)源