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1、低压电器系统第三章第1页,共62页,编辑于2022年,星期四3.1短路概述 短路是指电力系统正常运行之外的相与相相与相或相与地相与地之间的“短接”。短接包括:1.金属性连接 2.经小阻抗连接。正常的电力系统中,除中性点之外,相与相和相与地之间是绝缘的,不论由于何种原因使绝缘遭到破坏,不同不同电位的导电部分之间的低阻抗短接电位的导电部分之间的低阻抗短接而构成通路,即所谓电力系统发生了短路故障。第2页,共62页,编辑于2022年,星期四3.1.1短路的原因1.设备原因设备原因 指电气设备、元件的损坏。如设备绝缘部分自然老化或设备本身有缺陷,正常运行时被击穿导致短路;设计、安装、维护不当所造成的设备
2、缺陷最终发展成短路等。2.自然原因自然原因 由于气候恶劣,如大风、降温、导线覆冰等引起架空线倒杆断线;因遭受直击雷或雷电感应导致设备过电压或绝缘被击穿等。第3页,共62页,编辑于2022年,星期四3.人为原因人为原因 工作人员违反操作规程,带负荷拉闸造成相间弧光短路;违反电业安全工作规范,带接地刀闸合闸造成金属性短路;人为疏忽接错线造成短路;运行管理不善,造成小动物进入带电设备内形成短路事故等。4.其他原因其他原因 如挖沟损伤电缆,鸟兽跨接在裸露的载流部分等。第4页,共62页,编辑于2022年,星期四3.1.2短路故障的危害1.短路电流的热效应 巨大的短路电流通过导体,短时间内产生很大的热量,
3、形成很高的温度,极易造成设备过热而损坏。2.短路电流的电动力效应 由于短路电流的电动力效应,导体间将产生很大的电动力。如果电动力过大或设备结构强度不够时,则可能引起电气设备机械变形甚至损坏,使事故进一步扩大。3.故障点往往有电弧产生,可能烧坏故障元件,也可能殃及周围设备 第5页,共62页,编辑于2022年,星期四4.短路时系统电压下降 短路造成系统电压突然下降,给用户带来很大的影响。例如,作为主要动力设备的异步电动机,其电磁转矩与端电压平方成正比。电压大幅下降,将造成电动机转速降低甚至停止运转,给用户带来损失;同时,电压降低会影响照明负荷,如电灯突然变暗或一些气体放电灯的熄灭等,影响正常的工作
4、、生活和学习。第6页,共62页,编辑于2022年,星期四5.不对称短路的磁效应 当系统发生不对称短路时,不对称短路电流的磁效应所产生的足够的磁通在邻近的电路内能感应出很大的电动势,这对于附近的通信线路、铁路信号系统及其他电子设备、电动控制系统可能产生强烈干扰。6.短路时的停电事故 短路时会造成停电事故,给国民经济带来损失。并且短路越靠近电源,停电波及范围越大。第7页,共62页,编辑于2022年,星期四7.破坏系统稳定性,造成系统瓦解 短路可能造成的最严重后果就是使并列运行的各发电厂之间失去同步,破坏系统稳定性,最终造成系统瓦解,形成地区性或区域性大面积停电。第8页,共62页,编辑于2022年,
5、星期四3.1.3短路故障的类型1.基本形式:三相短路三相短路、两相短路两相短路、两相接地短路两相接地短路、单相短路单相短路。还可以分为:还可以分为:对称短路对称短路:短路后,各相电流、电压仍对称,如三相短路;不对称短路不对称短路:短路后,各相电流、电压不对称,如两相短路、两相接地短路和单相短路。第9页,共62页,编辑于2022年,星期四2.三相短路三相短路 三相短路是指供配电系统三相导体间的短路。三相短路是对称短路,用k(3)表示。因为短路回路的三相阻抗相等,所以三相短路电流和电压仍然是对称的,只是电流值比正常值增大,电压比额定值降低。三相短路发生的概率最小,只有5%左右,但它却是危害最严重的
6、短路形式。第10页,共62页,编辑于2022年,星期四3.两相短路两相短路 两相短路是指三相供配电系统中任意两相导体间的短路。两相短路是不对称短路,用k(2)表示,两相短路发生的概率为10%15%。第11页,共62页,编辑于2022年,星期四4.两相接地短路两相接地短路 两相接地短路是指中性点不接地系统中,两个不同的相均发生单相接地而形成的两相短路,亦指两相短路后又接地的情况。两相接地短路也是一种不对称短路,用k(1,1)表示,两相接地短路发生的概率为10%20%。第12页,共62页,编辑于2022年,星期四5.单相短路单相短路单相短路指供配电系统中任一相经大地与中性点或与中线发生的短路。单相
7、短路也是一种不对称短路,用k(1)表示,它的危害虽不如其他短路形式严重,但在中性点直接接地系统中发生的概率最高,占短路故障的65%70%。第13页,共62页,编辑于2022年,星期四3.1.4短路电流计算的目的1.选择和评价电气主接线的方案选择和评价电气主接线的方案短路电流计算可为不同方案进行技术经济比较,并为确定是否采取限制短路电流措施等提供依据。2.选择和校验各种电气设备选择和校验各种电气设备3.确定中性点接地方式确定中性点接地方式对于35kV、10kV的供配电系统,根据单相短路电流可确定中性点接地方式。4.选择继电保护装置和整定计算选择继电保护装置和整定计算5.进行电力系统暂态稳定计算,
8、研究短路对用户工作的影响进行电力系统暂态稳定计算,研究短路对用户工作的影响第14页,共62页,编辑于2022年,星期四3.1.5短路电流计算的主要参数1.1.次暂态短路电流(有效值)。次暂态短路电流(有效值)。2.2.短路电流最大值(瞬时值)短路电流最大值(瞬时值)。3.3.短路电流最大有效值(有效值)。短路电流最大有效值(有效值)。4.4.短路电流稳态值(有效值)。短路电流稳态值(有效值)。第15页,共62页,编辑于2022年,星期四3.1.6短路电流计算条件短路电流计算中,为简化分析,通常采用以下基本假定:(1)正常运行时,三相系统对称运行。(2)所有电源的电动势相位角相同。(3)系统中所
9、有的同步和异步电动机均为理想电机。(4)电力系统中各元件的磁路不饱和,即带铁心的电气设备电抗值不随电流的大小而发生变化。(5)同步电机都具有自动调节励磁装置。第16页,共62页,编辑于2022年,星期四(6)不考虑短路点的电弧电阻。(7)不考虑变压器的励磁电流。(8)除计算短路电流的衰减时间常数和低压电网的短路电流外,元件的电阻略去不计。(9)输电线路的电容略去不计。(10)元件的计算参数取额定值。第17页,共62页,编辑于2022年,星期四简化假设 1.负荷用恒定电抗表示或略去不计;2.在高压网络中各元件均用纯电抗表示;3.系统除不对称故障处出现局部不对称外,其余部分 是三相对称的。第18页
10、,共62页,编辑于2022年,星期四电力系统中,发生在中性点接地系统中的单相短路电流有可能最大,而在中性点接地系统中都采取了限制单相短路电流的措施,因此,单相短路电流不可能最大。一般企业电网都是中性点不接地的635kV电网,距电源较远,因而实际上三相短路电流最大,造成危害也最重,所以短路电流计算的重点是三相短路电流计算。第19页,共62页,编辑于2022年,星期四3.2无限大容量供电系统三相短路分析3.2.1无限大容量供电系统的概念无限大容量供电系统的概念无限大容量供电系统,就是端电压保持稳定,没有内部阻抗和容量无限大(相对于用户内部供配电系统容量大)的电力系统,以致用户的负荷不论如何变动甚至
11、发生短路时,电力系统变电所馈电母线的电压能基本维持不变。在发生短路时,发电机发生的电磁暂态变化过程复杂,为简化分析,假设发生在无限大容量系统中。目的:简化短路计算SS=ZS=0 US=const合理性:STSS误差在允许范围误差在允许范围第20页,共62页,编辑于2022年,星期四在实际用户供电设计中,当电力系统总阻值不超过短路电路总阻值的5%-10%,或电力系统容量超过用户供配电系统容量的50倍时,可将电力系统视为“无限大容量电源”。对一般企业供配电系统来说,对一般企业供配电系统来说,由于企业供配电系统的容量远比电力系统总容量小,而其阻抗又较电力系统大得多,因此企业供配电系统内发生短路时,电
12、力系统变电所馈电母线上的电压几乎维持不变,也就是说,可将电力系统看作无限大容量的电源。可将电力系统看作无限大容量的电源。3.2.1无限大容量供电系统的概念第21页,共62页,编辑于2022年,星期四STSS误差在允许范围误差在允许范围偏保守偏保守无限大容量系统发生三相短路3.2.2无限大容量供电系统三相短路暂态过程 发生短路后,由于负荷阻抗和部分线路阻抗被短路,所以电路电流要突然增大;但由于电路中存在电感,电流不能突变,引起一个过渡过程。由于暂态过程中的短路电流比起稳态值要大很多,所以暂态过程虽然时间很短,但它对电器设备的危害却远比稳态短路电流要严重得多。第22页,共62页,编辑于2022年,
13、星期四n1)正常运行电源相电压:运行电流:阻抗角电流幅值:等效成单相电路分析第23页,共62页,编辑于2022年,星期四n2)三相短路分析k点右侧,没有电源,电流衰减到零;k点左侧有电源,阻抗突变Z,I;I不突变,出现非周期分量电流,不断衰减(暂态过渡过程),最终达到稳定值。定性分析定量分析非齐次一阶微分方程该方程式的解就是短路的全电流,它由两部分组成:第一部分是方程式的特解,代表短路电流的周期分量;第二部分是对应齐次方程的一般解,代表短路电流的非周期分量。第24页,共62页,编辑于2022年,星期四 短路电流周期分量幅值;短路回路阻抗角;短路回路时间常数;短路电流非周期分量初始值由初始条件决
14、定,即在短路瞬间t=0时,短路前工作电流与短路后工作电流相等。非周期分量,自由分量,按指数衰减,最终为0周期分量,稳态分量第25页,共62页,编辑于2022年,星期四第26页,共62页,编辑于2022年,星期四n3)最严重三相短路时的短路电流短路地点:距离电源越近,则短路电流越大;短路回路纯电感,即。最严重短路电流的条件:最严重短路电流的条件:在短路瞬间t=0时,A相电压过零,a=0或180;短路前,电路空载或;第27页,共62页,编辑于2022年,星期四3.2.3三相短路的有关物理量n1)短路电流周期分量有效值短路点的短路计算电压短路点的短路计算电压(或称平均额定电压),由于线路首端短路时其
15、短路最为严重,因此按线路首端电压考虑,即短路计算电压取为比线路额定电压高5%,按我国标准有0.4,0.69,3.15,6.3,10.5,37,短路电流非周期分量最大值:第28页,共62页,编辑于2022年,星期四n2)次暂态短路电流短路电流周期分量在短路后第一个周期的有效值。n3)短路全电流有效值指以时间t为中心的一个周期内,短路全电流瞬时值的均方根值。无限大容量系统发生三相短路时,短路电流周期分量有效值保持不变。第29页,共62页,编辑于2022年,星期四n4)短路冲击电流和冲击电流有效值最严重三相短路时短路全电流最大瞬时值发生时刻第30页,共62页,编辑于2022年,星期四n4)短路冲击电
16、流和冲击电流有效值短路冲击电流:短路全电流的最大瞬时值出现在短路后半个周期,t=0.01s短路电流冲击系数;对于纯电阻电路,取1;对于纯电感性电路,取2;因此,介于1和2之间。冲击电流有效值:短路后第一个周期的短路全电流有效值。第31页,共62页,编辑于2022年,星期四n6)三相短路容量选择断路器时,校验其开断能力的依据。n5)稳态短路电流有效值短路电流非周期分量衰减后的短路电流有效值无限大容量系统发生三相短路时,短路电流周期分量有效值保持不变。第32页,共62页,编辑于2022年,星期四3.3无限大容量供电系统三相短路电流的计算n短路电流计算步骤短路计算电路图短路等效电路图第33页,共62
17、页,编辑于2022年,星期四n短路电流计算方法(1)有名单位制法欧姆法注意:在计算短路电路的阻抗时,假如电路内含有电力变压器,则电路内各元件的阻抗都应统一换算到短路点的短路计算电压去。阻抗等效阻抗等效换换算的条件是元件的功率算的条件是元件的功率损损耗不耗不变变。短路计算中,电气设备各元件的短路计算中,电气设备各元件的阻抗及其电气参数用阻抗及其电气参数用有名单位有名单位(欧、(欧、安、伏)来计算安、伏)来计算(2)相对单位制法标幺值法需考虑变压器变比和电气需考虑变压器变比和电气设备参数的归算问题,不设备参数的归算问题,不方便方便第34页,共62页,编辑于2022年,星期四3.3.1标幺制n概念:
18、用相对值表示元件的物理量n步骤选定基准值基准容量、基准电压、基准电流、基准阻抗基准容量、基准电压、基准电流、基准阻抗通常选定通常选定 、计算标幺值注:标幺值是一个没有单位的相对值,通常用带*的上标以示区别。第35页,共62页,编辑于2022年,星期四换算到短路点电压等级的等效电抗换算到短路点电压等级的等效电抗标幺值用基准容量和元件所在电压等级的基准电压计算的用基准容量和元件所在电压等级的基准电压计算的阻抗标幺值阻抗标幺值,和和将元件阻抗换到短路点所在的电将元件阻抗换到短路点所在的电压等级,再用基准容量和短路点所在电压等级基压等级,再用基准容量和短路点所在电压等级基准电压计算的阻抗标幺值准电压计
19、算的阻抗标幺值相同,相同,即变压器变比标幺即变压器变比标幺值为值为1。第36页,共62页,编辑于2022年,星期四3.3.2短路回路元件的标幺值阻抗n1.线路的电阻标幺值和电抗标幺值电力线路阻抗有名值:给定参数:电力线路长度、单位长度电阻和电抗第37页,共62页,编辑于2022年,星期四n2.变压器的电抗标幺值变压器阻抗有名值:电阻很小,可以忽略不计给定参数:额定容量和阻抗电压换算到变压器一次侧换算到变压器一次侧的等值阻抗的等值阻抗第38页,共62页,编辑于2022年,星期四n3.电抗器的电抗标幺值给定参数:电抗器的额定电压、额定电流、电抗百分数用来限制短路电流的电感线圈电抗器电抗有名值为:注
20、意:安装电抗器的网路电注意:安装电抗器的网路电压不一定和电抗器的额定电压不一定和电抗器的额定电压相等。压相等。第39页,共62页,编辑于2022年,星期四n4.电力系统的电抗标幺值1)给定参数:电力系统电抗有名值Xs2)给定参数:电力系统出口断路器断流容量3)给定参数:电力系统出口处的短路容量若电力部门提供相关参数,则考虑第40页,共62页,编辑于2022年,星期四n5.短路回路的总阻抗标幺值给定参数:总电阻标幺值和总电抗标幺值高压系统:只计及电抗而忽略电阻;若,可忽略电阻,即。低压系统:往往需计及电阻。第41页,共62页,编辑于2022年,星期四3.3.3三相短路电流的计算n三相短路电流周期
21、分量有效值总阻抗标幺值第42页,共62页,编辑于2022年,星期四n冲击短路电流高压系统:低压系统:n三相短路容量第43页,共62页,编辑于2022年,星期四p由短路回路总阻抗标幺值计算短路电流标幺值,再计算短路各量,即短路电流、冲击短路电流和三相短路容量。短路电流具体计算步骤:短路电流具体计算步骤:n画出短路电流计算系统图;包含所有与短路计算有关的元件,并标出各元件的参数和短路点;n画出等效电路图;每个元件用一个阻抗表示,电源用一个小圆表示,并标出短路点,同时标出元件的序号和阻抗值,一般分子标序号,分母标阻抗值;n选取基准容量和基准电压,计算各元件的阻抗标幺值;n等效电路化简,求出短路回路总
22、阻抗的标幺值;第44页,共62页,编辑于2022年,星期四例题:已知电力系统出口断路器为SN10-10型。试求企业变电所高压10KV母线上k-1点短路和低压380V母线上k-2点短路的三相短路电流和短路容量。解解(1)绘制计算电路图n三相绘成单相电路n各元件额定参数加以标明第45页,共62页,编辑于2022年,星期四(3)确定基准值(2)绘制等效电路图只绘出短路电流通过的元件阻抗,顺序编号,作为分子。第46页,共62页,编辑于2022年,星期四解解(4)计算短路电路中各主要元件的电抗标幺值n电力系统的电抗标幺值由附录表A-4可查得SN10-10型断路器的断流容量SOC=500MVAn架空线路电
23、抗标幺值610kV架空线路每相单位长度电抗n电力变压器电抗标幺值由附录表A-3可查得第47页,共62页,编辑于2022年,星期四解解(5)k-1点n总电抗标幺值n三相短路电流周期分量有效值n其他三相短路电流n三相短路容量第48页,共62页,编辑于2022年,星期四解解(6)k-2点n总电抗标幺值n三相短路电流周期分量有效值n其他三相短路电流n三相短路容量第49页,共62页,编辑于2022年,星期四 异步电动机是供电系统中最主要的负荷之一。当供电系统发生短路时,短路点的电压为零,而接在短路点附近的电动机的转速又不能立即降至零,其反电势大于机端残压,此时电动机就会像发电机一样,向短路点馈送电流。当
24、电动机容量较大时,这一反馈电流数值较大,不能忽略。由于该反馈电流使电动机迅速制动,其值也快速衰减,所以由于该反馈电流使电动机迅速制动,其值也快速衰减,所以只需考虑对短路电流冲击值的影响。只需考虑对短路电流冲击值的影响。3.3.4大型电动机对三相短路电流的影响第50页,共62页,编辑于2022年,星期四电动机额定电流;电动机次暂态电势和次暂态电抗的标幺值;电动机发出的短路冲击电流可按下式计算:式中:、电动机反馈电流冲击系数,高压电动机一般 取1.41.6,低压电动机一般取1.0。一般取一般取0.9和和0.17第51页,共62页,编辑于2022年,星期四3.4两相和单相短路电流的计算n两相短路电流
25、在无限大容量系统中发生两相短路时,其两相短路电流周期分量有效值(简称“两相短路电流”)为:因此无限大容量系统中的两相短路电流,可在求出三相短路电流后直接求得若只计电抗第52页,共62页,编辑于2022年,星期四n单相短路电流在远离发电机的无限大容量系统发生短路时,单相短路电流较三相短路电流小。选择电气设备和导体的短路稳定度校验的短路电流,应该采取三相短路电流。两相短路电流主要用于相间短路保护的灵敏度校验,而单相短路电流主要用于单相短路保护的整定及单相短路热稳定度的校验。变压器单相等效电阻和电抗、相线与大地或中线的电阻和电抗在大接地电流系统或三相四线制系统中发生单相短路时,单相短路电流可用下式计
26、算:第53页,共62页,编辑于2022年,星期四3.5短路电流的效应n1.短路电流的电动力效应导体通过电流时相互间电磁作用产生的力,称为电动力;导体通过电流时相互间电磁作用产生的力,称为电动力;正常工作时,电动力不大;正常工作时,电动力不大;短路时,电动力较大;短路时,电动力较大;短路冲击电流流过瞬间,电动力最大;短路冲击电流流过瞬间,电动力最大;电动力n2.短路的热效应第54页,共62页,编辑于2022年,星期四3.5.1短路电流的电动力效应(1)两平行载流导体间的电动力)两平行载流导体间的电动力由由电工基础电工基础知,处于空气中的两平行直导体分别通过电流知,处于空气中的两平行直导体分别通过
27、电流i1、i2(A),而导体间轴线距离为),而导体间轴线距离为a,导体的两支持点距离(档距)为,导体的两支持点距离(档距)为l,则导体则导体间所产生的电磁互作用力即电动力间所产生的电磁互作用力即电动力F(N)为:)为:形状系数,圆形、管形导体为形状系数,圆形、管形导体为1;适用于实心或空心圆截面导;适用于实心或空心圆截面导体,也适用于导体间的净空距体,也适用于导体间的净空距离大于导体截面周长的矩形截离大于导体截面周长的矩形截面导体。面导体。第55页,共62页,编辑于2022年,星期四(2)三相平行载流导体间的电动力)三相平行载流导体间的电动力中相导体受到的电动力最大:中相导体受到的电动力最大:
28、第56页,共62页,编辑于2022年,星期四(3)短路电流的电动力)短路电流的电动力三相短路产生的最大电动力两相短路产生的最大电动力 校验电气设备或导体的动稳定时,应采校验电气设备或导体的动稳定时,应采 用三相短路冲击电流或冲击电流有效值。用三相短路冲击电流或冲击电流有效值。第57页,共62页,编辑于2022年,星期四3.5.2短路电流的热效应(1)短路发热的特点t1时刻:线路发生短路时,短路电流将使导体温度迅速升高。t2时刻后:导体无电流流过,不再产生热量,向周围介质散热,温度下降。t1时刻前:导体在短路前正常负荷时温度为t2时刻:线路的保护装置动作,切除短路故障,这时导体温度达到。由于短路
29、电流通过导体的时间很短,通常不会超过2-3s。所以在短路过程中,可不考虑导体周围介质的散热,也就是可近似地认为在短路时间内导体与周围介质是绝热的,短路电流在导体中产生的热量,完全用来使导体温度升高。第58页,共62页,编辑于2022年,星期四(2)短路产生的热量短路发热假想时间:假设在此时间内以恒定的短路稳定电流通过导体产生的热量,恰好与实际短路电流在实际短路时间内通过导体所产生的热量相等。在无限大容量系统中发生短路继电器保护动作时间断路器断路时间第59页,共62页,编辑于2022年,星期四(3)导体短路发热温度利用导体发热系数与导体温度的关系曲线来确定。利用导体发热系数与导体温度的关系曲线来确定。由导体正常运行时温度 从曲线查出导体正常发热系数为计算导体短路发热系数为由 从曲线查得短路发热温度第60页,共62页,编辑于2022年,星期四(4)短路热稳定最小截面利用导体发热系数与导体温度的关系曲线来确定。利用导体发热系数与导体温度的关系曲线来确定。由 和 ,从曲线分别查出导体发热系数 和由式第61页,共62页,编辑于2022年,星期四一般电器的动稳定度和热稳定度校验一般电器的动稳定度校验条件一般电器的短路热稳定度校验电器的热稳定电流电器的热稳定试验时间第62页,共62页,编辑于2022年,星期四
限制150内