本章介紹電力系統(tǒng)短路故障的基本知識(shí).ppt

本章介紹電力系統(tǒng)短路故障的基本知識(shí)，著重闡述了在無限大容量系統(tǒng)中采用標(biāo)幺法和短路功率法進(jìn)行短路計(jì)算。這些內(nèi)容是后續(xù)內(nèi)容，例如電氣設(shè)備及繼電保護(hù)裝置的選擇和校驗(yàn)的重要基礎(chǔ)。,第3章短路電流及計(jì)算,3.1短路概述,3.2無限大容量電力系統(tǒng)及其三相短路分析,3.3短路電流計(jì)算,3.4短路電流效應(yīng),小結(jié),3.1短路概述,電力系統(tǒng)運(yùn)行有三種狀態(tài)：正常運(yùn)行狀態(tài)、非正常運(yùn)行狀態(tài)和短路故障。短路就是指不同電位導(dǎo)電部分之間的不正常短接。,3.1.1短路原因及后果1短路原因（1）短路的主要原因是電氣設(shè)備載流部分絕緣損壞。（2）誤操作及誤接。（3）飛禽跨接裸導(dǎo)體。（4）其它原因。2短路后果電力系統(tǒng)發(fā)生短路，短路電流數(shù)值可達(dá)幾萬安到幾十萬安。（1）產(chǎn)生很大的熱量，很高的溫度，從而使故障元件和其它元件損壞。（2）產(chǎn)生很大的電動(dòng)力，該力使導(dǎo)體彎曲變形。（3）短路時(shí)，電壓驟降。（4）短路可造成停電。（5）嚴(yán)重短路要影響電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，造成系統(tǒng)癱瘓。（6）單相短路時(shí)，對(duì)附近通信線路，電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。,3.1.2短路種類,短路形式：,三相短路用表示，二相短路表示，單相短路用表示，兩相接地短路用表示。只有三相短路，屬對(duì)稱短路。,圖3-1短路的類型a)三相短路b)兩相短路c)單相短路d)單相接中心點(diǎn)短路e)兩相接地短路f)兩相短路接地,3.1.2短路種類,選擇、檢驗(yàn)電氣設(shè)備，以三相短路計(jì)算為主。校驗(yàn)繼電器保護(hù)裝置用兩相或單相短路電流。,3.2無限大容量電力系統(tǒng)及其三相短路分析,3.2.1無限大容量電力系統(tǒng)概念無限大容量電力系統(tǒng)是指容量相對(duì)于用戶供電系統(tǒng)容量大得多的電力系統(tǒng)，當(dāng)用戶供電系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，電力系統(tǒng)變電所饋電母線上的電壓基本不變，可將該電力系統(tǒng)視為無限大容量電力系統(tǒng)。,短路瞬間回路電壓方程,(3-1),2)整理成+P(x)y=Q(x)形式,(3-2),3.2.2無限大容量電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路時(shí)的物理過程1發(fā)生三相短路時(shí)的物理過程單相等值電路如圖3-2b所示。圖中、為短路前的總電阻和電抗，、為短路發(fā)生后的總電阻和電抗。,3)解,方程由特解和通解二部分組成；或者說，周期分量就是特解,非周期分量就是通解。,(3-3),2發(fā)生三相短路前后電流、電壓的變動(dòng)曲線（1）正常運(yùn)行狀態(tài)：因電路一般是電感性負(fù)載，電流在相位上滯后電壓一定角度。（2）短路暫態(tài)過程：短路電流在到達(dá)穩(wěn)定值之前，要經(jīng)過一個(gè)暫態(tài)過程。如圖3-3（3）短路穩(wěn)態(tài)過程：一般經(jīng)過一個(gè)周期約0.2s后非周期分量消亡。短路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)過程。,3.2無限大容量電力系統(tǒng)及其三相短路分析,(3-4),當(dāng)t時(shí)，0，這時(shí)=,(3-5),(3-7),3.2.3有關(guān)的物理量,有關(guān)的物理量1短路電流周期分量周期分量差不多滯后電壓900，短路瞬間增大到幅值,其值為：=-=-式中，是短路次暫態(tài)電流的有效值，它是短路后第一個(gè)周期的短路電流周期分量的有效值。,2短路電流非周期分量非周期分量的初始絕對(duì)值為：=,3短路全電流短路全電流為周期分量與非周期分量之和；=+,(3-8),4短路沖擊電流短路電流瞬時(shí)達(dá)到的最值稱為短路沖擊電流瞬時(shí)值，用表示。短路沖擊電流有效值是短路后第一個(gè)周期的短路電流的有效值，用表示。在高壓（一般指大于1000伏電壓）時(shí)，,=2.55,(3-9),(3-10),=1.51,在低壓（一般指小于1000伏電壓）時(shí)，,(3-11),5短路穩(wěn)態(tài)電流非周期分量經(jīng)十個(gè)周期后衰減完畢，短路電流稱為穩(wěn)態(tài)電流。用表示。短路電流周期分量有效值在短路全過程中是恒定的。因此有：,3.2.3有關(guān)的物理量,=1.84,=1.09,(3-13),=,(3-13),3.3短路電流計(jì)算3.3.1短路電流計(jì)算方法在供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，不僅要考慮正常運(yùn)行的情況，而且要考慮短路。短路電流計(jì)算結(jié)果可作為選擇電氣設(shè)備及供配電設(shè)計(jì)的依據(jù)。短路電流的計(jì)算方法有：,3.3.1短路電流計(jì)算方法,=/,3.3.2采用標(biāo)幺制法計(jì)算短路電流1標(biāo)幺制法概念任意一個(gè)有名值的物理量與同單位的基準(zhǔn)值之比，稱為標(biāo)幺值。無單位的純數(shù)?；鶞?zhǔn)值選擇以運(yùn)算方便、簡(jiǎn)單為目的。通常標(biāo)幺值用表示，參考值用表示，實(shí)際值用表示，因此,(3-14),按標(biāo)幺制法進(jìn)行短路計(jì)算時(shí)，一般先選定基準(zhǔn)容量和基準(zhǔn)電壓。一般取=100MVA?；鶞?zhǔn)電壓取元件所在處的短路計(jì)算電壓，即=。,3.3.2采用標(biāo)幺制法計(jì)算短路電流,基準(zhǔn)電流按下式計(jì)算：基準(zhǔn)電抗按下式計(jì)算：,(3-15),(3-16),2電力系統(tǒng)中各元件電抗標(biāo)幺值的計(jì)算（注：取=）,（1）電力系統(tǒng)的電抗標(biāo)幺值,(3-17),(3-18),（2）電力變壓器的電抗標(biāo)幺值,為電力系統(tǒng)的電抗值；為電力系統(tǒng)的容量；,（3）電力線路的電抗標(biāo)幺值,(3-19),（4）三相短路電流周期分量有效值的標(biāo)幺值：,三相短路電流周期分量有效值：,3.3.2采用標(biāo)幺制法計(jì)算短路電流,為變壓器短路電壓百分比；為變壓器的電抗；為電力變壓器的額定容量。,為線路的電抗；為導(dǎo)線單位長(zhǎng)度的電抗；為導(dǎo)線的長(zhǎng)度。,(3-21),(3-20),三相短路容量的計(jì)算公式為：,然后，即可用前面的公式分別求出、和等。,(3-22),3.3.2采用標(biāo)幺制法計(jì)算短路電流,3標(biāo)幺制法計(jì)算步驟（1）畫出計(jì)算電路圖，并標(biāo)明各元件的參數(shù)（與計(jì)算無關(guān)的原始數(shù)據(jù)一概除去）；（2）畫出相應(yīng)的等值電路圖（采用電抗的形式），并注明短路計(jì)算點(diǎn)，對(duì)各元件進(jìn)行編號(hào)（采用分?jǐn)?shù)符號(hào)：）；,3.3.2采用標(biāo)幺制法計(jì)算短路電流,例3-1某供電系統(tǒng)如圖3-4所示，已知電力系統(tǒng)出口斷路器的斷開容量為500MVA，試求變電所高壓10kV母線上k-1點(diǎn)短路和低壓0.38kV母線上k-2點(diǎn)短路的三相短路電流和短路容量。,圖3-4例3-1的短路計(jì)算電路圖,解：(1)畫出相應(yīng)的等值電路，如圖3-5所示；,圖3-5例3-1的短路等效電路圖,3.3.2采用標(biāo)幺制法計(jì)算短路電流,（2）選取基準(zhǔn)容量，一般取=100MVA，由=得：=10.5kV,=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：,3.3.2采用標(biāo)幺制法計(jì)算短路電流,（4）求k-1點(diǎn)的總電抗標(biāo)幺值和短路電流和短路容量,2）三相短路電流周期分量有效值：,1）總電抗標(biāo)幺值：,3）各三相短路電流：,4)三相短路容量：,3.3.2采用標(biāo)幺制法計(jì)算短路電流,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：,（5）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：,3.3.2采用標(biāo)幺制法計(jì)算短路電流,表3-2例3-1短路計(jì)算結(jié)果,3.3.3采用短路功率法計(jì)算短路電流1短路功率法概念短路功率法，由于在短路計(jì)算中以元件的短路功率來代替元件阻抗而得名。計(jì)算如下：,為短路功率；為元件所在線路的平均額定電壓；為元件一相的阻抗；Y為元件的導(dǎo)納。,3.3.3采用短路功率法計(jì)算短路電流,2供電系統(tǒng)中各主要元件短路功率計(jì)算,（1）電力系統(tǒng)的短路功率,(3-25),式中，為電力系統(tǒng)的短路功率；為電力系統(tǒng)出口斷路器的斷流容量；,（2）電力變壓器的短路功率,（3）電力線路的短路功率,3短路電路化簡(jiǎn),(3-27),(3-26),式中，為電力變壓器的短路功率；為變壓器短路電壓百分比；為電力變壓器的額定容量。,式中，電力線路短路功率；UC：線路所在處的平均額定電壓；x0，l為線路單位長(zhǎng)度電抗及線路長(zhǎng)度。,以元件的短路功率表示的短路電路的化簡(jiǎn)，與以元件的導(dǎo)納值表示的電路化簡(jiǎn)相似。,3.3.3采用短路功率法計(jì)算短路電流,（1）元件并聯(lián)時(shí)求總的等值短路功率（平行/表示并聯(lián)）,（3-28）,（2）元件串聯(lián)求總的等值短路功率（表示串聯(lián)）,（3-29）,圖3-6電源等值支路化簡(jiǎn),=,（3）如圖3-6所示，由兩個(gè)電源支路及經(jīng)元件到短路點(diǎn)時(shí)，求各個(gè)電源支路的等值短路功率及，及分配系數(shù)和的計(jì)算方法如下：,3.3.3采用短路功率法計(jì)算短路電流,(3-30),(4)短路功率法特別適用于在已知系統(tǒng)短路容量情況下，按無限容量系統(tǒng)法計(jì)算短路電流。如遇系統(tǒng)短路容量為無限大，則只需將等值短路電路圖中代表系統(tǒng)的方框圖形去掉即可。,(3-31),(3-33),(3-32),(3-34),4短路功率法計(jì)算短路電流步驟,（1）畫出計(jì)算電路圖，并標(biāo)明各元件的參數(shù)（與計(jì)算無關(guān)的原始數(shù)據(jù)一概除去）；（2）畫出相應(yīng)的等值電路圖（采用方框的形式），并注明短路計(jì)算點(diǎn)；（3）對(duì)各元件進(jìn)行編號(hào)，并分別獨(dú)立計(jì)算各元件的短路功率，將結(jié)果填寫于方框中；（4）依次按短路點(diǎn)化簡(jiǎn)等值電路，求出電源至短路點(diǎn)的總短路功率；,3.3.3采用短路功率法計(jì)算短路電流,（5）求出各計(jì)算點(diǎn)的短路容量=,短路電流；（6）根據(jù)題目要求，計(jì)算各短路點(diǎn)所需的短路參數(shù)，如：,等；（7）將計(jì)算結(jié)果列成表格形式表示。,圖3-7短路等效電路圖（短路功率法）,例3-2試用短路功率法重做例3-1。解：(1)畫出相應(yīng)的等值電路如圖3-7所示；（2）計(jì)算各元件的短路功率Mk；查表3-1可得：=500MVA,3.3.3采用短路功率法計(jì)算短路電流,（3）求k-1點(diǎn)各短路點(diǎn)的總短路功率（化簡(jiǎn)等值電路時(shí)應(yīng)先并聯(lián)后串聯(lián)）,3.3.3采用短路功率法計(jì)算短路電流,（5）將計(jì)算結(jié)果列表。（略）,（4）求k-2點(diǎn)各短路點(diǎn)的總短路功率，,3.3.4二相短路電流計(jì)算兩相短路時(shí)（如圖3-8所示）：,(3-36),3.3.4二相短路電流計(jì)算,(3-37),而三相短路電流可由下列公式求得：,為短路點(diǎn)計(jì)算電壓。主要為電抗，因此，可寫成,所以,(3-38),注意：三相短路電流一般比二相短路電流大；三相短路電流一般比單相短路電流大；但二相短路電流可能比單相短路電流大，也可能比單相短路電流小。,所以,(3-39),如果三相線路中發(fā)生兩相短路，則二相短路沖擊電流通過兩相導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)力最大：,式中，為兩平行導(dǎo)體間距離；為導(dǎo)體兩相鄰支點(diǎn)間距離，即檔距；、分別為兩導(dǎo)體通過的電流。,3.4.1短路電流的電動(dòng)效應(yīng),3.4短路電流效應(yīng),1.載流導(dǎo)體的力效應(yīng),(3-41),2.短路時(shí)的最大電動(dòng)力,如果三相線路中發(fā)生三相短路，則三相短路沖擊電流ish(3)通過中間相導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)力最大：,(3-42),(3-43),因此，三相短路與二相短路產(chǎn)生的最大電動(dòng)力之比為：/=2/=1.15。,3.4.2短路電流的熱效應(yīng),圖3-9短路前后導(dǎo)體的溫度變化曲線,1短路時(shí)導(dǎo)體發(fā)熱過程當(dāng)時(shí)，導(dǎo)體通過負(fù)荷電流，導(dǎo)體本身有電阻，要產(chǎn)生熱量。其溫度由周圍環(huán)境逐漸上升到，一方面使導(dǎo)體溫度升高，另一方面向周圍介質(zhì)散熱。達(dá)到熱平衡。當(dāng)時(shí)發(fā)生短路，短路電流作用時(shí)間很短，可以近似認(rèn)為是一個(gè)絕熱過程。產(chǎn)生的熱量沒有向周圍介質(zhì)散熱，全部被導(dǎo)體吸收并用來提高溫度。當(dāng)時(shí)，短路電流被切除，導(dǎo)體達(dá)到最高溫度。溫度按曲線向下降至。,(3-44),3.4.2短路電流的熱效應(yīng),2載流導(dǎo)體的發(fā)熱計(jì)算（1）等效發(fā)熱的計(jì)算短路發(fā)熱的假想時(shí)間：由穩(wěn)態(tài)短路電流在假想時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的熱量等于實(shí)際短路電流在實(shí)際短路時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的熱量，,式中，；而，其中，為短路保護(hù)裝置實(shí)際最長(zhǎng)的動(dòng)作時(shí)間，為斷路器的斷開時(shí)間。因此,(3-29),當(dāng)1時(shí)，可認(rèn)為,(3-30),3.4.2短路電流的熱效應(yīng),圖3-10短路發(fā)熱假想時(shí)間含義示意圖因此，導(dǎo)體在實(shí)際短路時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的熱量，等于短路穩(wěn)態(tài)電流在短路發(fā)熱假想時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量，即：,(3-45),圖3-10短路發(fā)熱假想時(shí)間含義示意圖,圖3-11確定導(dǎo)體溫度的曲線,3.4.2短路電流的熱效應(yīng),（2）曲線法圖3-11確定導(dǎo)體溫度的曲線工程計(jì)算是指：產(chǎn)生的誤差是在工程所能允許的范圍內(nèi)，其計(jì)算是相對(duì)簡(jiǎn)單、方便、實(shí)用的。在工程實(shí)際中，一般是利用圖3-11所示的曲線來確定。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）。,(3-46),圖3-12利用曲線由查的步驟說明,利用圖3-11曲線由查的方法如下（如圖3-12所示）1）先從縱坐標(biāo)上找到導(dǎo)體在正常負(fù)荷時(shí)的溫度值；工程上常用導(dǎo)體最高允許溫度作為值。2）由點(diǎn)作平行于軸與曲線交于a點(diǎn)。3）由a點(diǎn)作垂直于軸交于。4）計(jì)算：,3.4.2短路電流的熱效應(yīng),式中，為導(dǎo)體截面積；為三相短路穩(wěn)態(tài)電流；為短路發(fā)熱假想時(shí)間；和分別為短路式和復(fù)合式得導(dǎo)體加熱系數(shù)。,A,(3-47),3.4.2短路電流的熱效應(yīng),5）從橫坐標(biāo)上找到值。6）由點(diǎn)作垂直于軸與曲線交于b點(diǎn)。圖3-12利用曲線由查的步驟說明7）由b點(diǎn)作垂直于軸交于值。由上所得的值，查附錄表17，如果電氣設(shè)備和導(dǎo)體在短路時(shí)的發(fā)熱溫度不超過短路最高允許溫度，則其熱穩(wěn)定性滿足要求，反之則應(yīng)重選導(dǎo)體的材料或截面。,（3）最小截面法短路過程中導(dǎo)體的發(fā)熱=導(dǎo)體的體積密度比熱（最高溫度-最低溫度）上式的右邊：導(dǎo)體的體積正比于，體積與密度乘積等于導(dǎo)體的重量，而導(dǎo)體的的密度、最高允許溫度和額定溫度等，對(duì)某一種具體的材料而言是定值，可用參數(shù)（）表示。,由上式可得發(fā)生短路時(shí)保證導(dǎo)體熱穩(wěn)定的最小載面：,(3-48),3.4.2短路電流的熱效應(yīng),就是說，如果所選導(dǎo)體截面，則其滿足短路熱穩(wěn)定度要求。,小結(jié),本章首先介紹了電力系統(tǒng)短路故障的基本知識(shí)，短路的原因、后果及短路的各種形式；引入了無限大容量電力系統(tǒng)概念，無限大容量電力系統(tǒng)是