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2020 3 31 第四章短路電流計(jì)算及電氣設(shè)備的選擇校驗(yàn) 3 1概述3 2無限大容量電源供電系統(tǒng)的短路過程分析3 3無限大容量電源條件下短路電流的計(jì)算方法3 4低壓電網(wǎng)中短路電流的計(jì)算3 5短路電流的效應(yīng)3 6電氣設(shè)備的選擇與校驗(yàn) 2020 3 31 第一節(jié)概述 一 短路及其原因 后果 短路是指供電系統(tǒng)中不同電位的導(dǎo)電部分 各相導(dǎo)體 地線等 之間發(fā)生的低阻性短接 造成短路的主要原因是電氣設(shè)備載流部分的絕緣損壞 其次是人員誤操作 鳥獸危害等 在供電系統(tǒng)中發(fā)生短路故障后 短路電流往往要比正常負(fù)荷電流大許多倍 有時(shí)高達(dá)幾十萬安培 當(dāng)它通過電氣設(shè)備時(shí) 溫度急劇上升 會(huì)使絕緣老化或損壞 同時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)力 會(huì)使設(shè)備載流部分變形或損壞 短路會(huì)使系統(tǒng)電壓驟降 影響系統(tǒng)其他設(shè)備的正常運(yùn)行 嚴(yán)重的短路會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性 短路還會(huì)造成停電 不對(duì)稱短路的短路電流會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的不平衡交變磁場(chǎng) 對(duì)通信和電子設(shè)備等產(chǎn)生電磁干擾等 二 短路的類型 在供電系統(tǒng)中 短路的基本類型有三相短路 a 兩相短路 b 單相短路 c d 和兩相接地短路 e f 續(xù)上頁 進(jìn)行短路計(jì)算的目的是正確選擇和檢驗(yàn)電氣設(shè)備及其保護(hù)裝置 三相短路電流是選擇和檢驗(yàn)電氣設(shè)備的基本依據(jù) 另外還要用到不對(duì)稱短路的短路電流 短路沖擊電流 穩(wěn)態(tài)短路電流等 三 計(jì)算短路電流的目的 2020 3 31 第二節(jié)無限大容量電源供電系統(tǒng)的短路過程分析 一 無限大容量電源供電系統(tǒng)的概念 無限大容量電源 就是指電源內(nèi)阻抗為零 供電容量相對(duì)于用戶負(fù)荷容量大得多的電力系統(tǒng) 不管用戶的負(fù)荷如何變動(dòng)甚致發(fā)生短路時(shí) 電源內(nèi)部均不產(chǎn)生壓降 電源母線上的輸出電壓均維持不變 二 短路過程的簡(jiǎn)單分析 續(xù)上頁 等效電路的電壓方程為 解之得 短路電流為 則得短路電流 當(dāng)t 0時(shí) 由于短路電路存在著電感 因此電流不會(huì)突變 即ik0 i0 可求得積分常數(shù) 即 式中 iz為短路電流周期分量 ifi為短路電流非周期分量 短路前負(fù)荷電流為 續(xù)上頁 無限大容量系統(tǒng)發(fā)生三相短路時(shí)的電壓 電流曲線如下圖 三 有關(guān)短路的物理量 短路電流周期分量iz 短路電流非周期分量ifi 短路全電流ik t 短路沖擊電流ish 短路穩(wěn)態(tài)電流I 短路沖擊電流有效值Ish I Iz t Iz 2020 3 31 第三節(jié)無限大容量電源條件下短路電流的計(jì)算方法 一 標(biāo)幺值法 在無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Sj和基準(zhǔn)電壓Uj 標(biāo)幺值 續(xù)上頁 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 續(xù)上頁 2 電力線路的電抗標(biāo)幺值 式中 L為線路長(zhǎng)度 x0為線路單位長(zhǎng)度的電抗 可查手冊(cè) 3 電力變壓器的電抗標(biāo)幺值 因?yàn)?所以 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)么值 三 三相短路電流的計(jì)算 無限大容量系統(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) 某廠一10 0 4kV車間變電所裝有一臺(tái)S9 800型變壓器 uk 5 由廠10kV高壓配電所通過一條長(zhǎng)0 5km的10kV電纜 x0 0 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 例題1 解 1 確定基準(zhǔn)值 2 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 續(xù)上頁 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 3 求k 2點(diǎn)的短路電路總電抗標(biāo)么值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 某供電系統(tǒng)如圖所示 己知電力系統(tǒng)出口處的短路容量為Sk 250MVA 試求工廠變電所10kV母線上k 1點(diǎn)短路和兩臺(tái)變壓器并聯(lián)運(yùn)行 分列運(yùn)行兩種情況下低壓380V母線上k 2點(diǎn)短路的三相短路電流和短路容量 例題2 解 1 確定基準(zhǔn)值 續(xù)上頁 2 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 電力線路的電抗標(biāo)幺值 3 電力變壓器的電抗標(biāo)幺值 續(xù)上頁 3 求k 1點(diǎn)的短路電路總阻抗標(biāo)么值及三相短路電流和短路容量 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 4 三相短路容量 續(xù)上頁 4 求k 2點(diǎn)的短路電路總電抗標(biāo)么值三相短路電流的短路容量 兩臺(tái)變壓器并聯(lián)運(yùn)行情況下 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 4 三相短路容量 續(xù)上頁 兩臺(tái)變壓器分列運(yùn)行情況下 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 4 三相短路容量 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 2020 3 31 第四節(jié)低壓電網(wǎng)中短路電流的計(jì)算 一 低壓電網(wǎng)短路計(jì)算的特點(diǎn) 1 配電變壓器一次側(cè)可以作為無窮大容量電源供電來考慮 2 電阻值較大 電抗值較小 3 低壓系統(tǒng)元件的電阻多以毫歐計(jì) 因此用有名值法比較方便 4 因低壓系統(tǒng)的非周期分量衰減快 ksh值在1 1 3范圍 二 三相短路電流的計(jì)算 電源至短路點(diǎn)的總阻抗包括變壓器高壓側(cè)系統(tǒng) 變壓器 低壓母線及配電線路等元件的阻抗 開關(guān)電器及導(dǎo)線等接觸電阻可忽略不計(jì) 續(xù)上頁 1 高壓側(cè)系統(tǒng)的阻抗 3 母線及電纜的阻抗 其單位長(zhǎng)度值可查手冊(cè) 2 變壓器的阻抗 應(yīng)計(jì)及的電阻 電抗 單位均為 有 歸算到低壓側(cè)的高壓系統(tǒng)阻抗可按下式計(jì)算 歸算到低壓側(cè)的變壓器阻抗可按下式計(jì)算 三 單相短路電流的計(jì)算 根據(jù)對(duì)稱分量法 單相短路電流為 工程計(jì)算公式為 高壓系統(tǒng)的相 零電阻 變壓器的相 零電阻 母線及電纜的相 零電阻 正序阻抗 負(fù)序阻抗 零序阻抗 低壓側(cè)單相短路電流的大小與變壓器單相短路時(shí)的相零阻抗密切相關(guān) 各元件的相 零電阻與電抗值可通過計(jì)算或查有關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè) 某用戶10 0 38kV變電所的變壓器為SCB10 1000 10型 Dyn11聯(lián)結(jié) 已知變壓器高壓側(cè)短路容量為150MVA 其低壓配電網(wǎng)絡(luò)短路計(jì)算電路如圖所示 求短路點(diǎn)k 1處的三相和單相短路電流 例題3 解 1 計(jì)算有關(guān)電路元件的阻抗 1 高壓系統(tǒng)阻抗 歸算到400V側(cè) 續(xù)上頁 相零阻抗 Dyn11聯(lián)接 2 變壓器的阻抗 歸算到低壓側(cè) 因零序電流不能在高壓側(cè)流通 故高壓側(cè)系統(tǒng)的相零阻抗按每相阻抗值的2 3計(jì)算 即 續(xù)上頁 2 三相短路回路總阻抗及三相短路電流 相零阻抗為 3 母線的阻抗 續(xù)上頁 3 單相短路回路總相零阻抗及單相短路電流 單相短路電流為 單相短路回路總相零電抗為 單相短路回路總相零電阻為 2020 3 31 第五節(jié)短路電流的效應(yīng) 一 短路電流的力效應(yīng) 強(qiáng)大的短路電流通過電氣設(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 必須校驗(yàn)其動(dòng)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定 對(duì)于兩根平行導(dǎo)體 通過電流分別為i1和i2 其相互間的作用力F 單位N 可用下面公式來計(jì)算 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導(dǎo)體中間相所產(chǎn)生的最大電動(dòng)力為 續(xù)上頁 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短路電流的1 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 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 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 續(xù)上頁 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 續(xù)上頁 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)滿足力穩(wěn)定的條件是 2020 3 31 第六節(jié)電氣設(shè)備的選擇及校驗(yàn) 一 選擇校驗(yàn)項(xiàng)目及條件 電氣設(shè)備的選擇 必須滿足供電系統(tǒng)正常工作條件下和短路故障條件下工作要求 同時(shí)電氣設(shè)備應(yīng)工作安全可靠 運(yùn)行維護(hù)方便 投資經(jīng)濟(jì)合理 1 按正常工作條件選擇 按正常工作條件選擇 就是要考慮電氣設(shè)備的環(huán)境條件和電氣要求 環(huán)境條件是指電氣設(shè)備的使用場(chǎng)所 環(huán)境溫度 海拔高度以及有無防塵 防腐 防火 防爆等要求 據(jù)此選擇電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)類型 電氣要求是指電氣設(shè)備在電壓 電流頻率等方面的要求 即所選電氣設(shè)備的額定電壓應(yīng)不低于所在線路的額定電壓 電氣設(shè)備的額定電流應(yīng)不小于該回路在各種合理運(yùn)行方式下的最大持續(xù)工作電流 即 續(xù)上頁 對(duì)一些開斷電流的電器 如熔斷器 斷路器和負(fù)荷開關(guān)等 則還有斷流能力的要求 即最大開斷電流應(yīng)不小于它可能開斷的最大電流 1 對(duì)斷路器 其最大開斷電流應(yīng)不小于它可能開斷的線路最大短路電流 即 2 對(duì)負(fù)荷開關(guān) 其最大開斷電流應(yīng)不小于它可能開斷的線路最大負(fù)荷電流 即 3 對(duì)熔斷器 其最大開斷電流應(yīng)不小于它可能開斷的線路最大短路電流 即 對(duì)非限流型熔斷器 對(duì)限流型熔斷器 續(xù)上頁 按短路故障條件校驗(yàn) 就是要按最大可能的短路故障時(shí)的力穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性進(jìn)行校驗(yàn) 2 按短路故障條件校驗(yàn) 對(duì)于一般電器 滿足力穩(wěn)定的條件是 電器的額定峰值耐受電流 對(duì)于一般電器 滿足熱穩(wěn)定的條件是 電器的額定短時(shí)耐受電流有效值 對(duì)于載流導(dǎo)體 滿足熱穩(wěn)定的條件是 導(dǎo)體的熱穩(wěn)定系數(shù) 二 高壓斷路器的選擇與校驗(yàn) 高壓斷路器的選擇與校驗(yàn) 主要是按環(huán)境條件選擇結(jié)構(gòu)類型 按正常工作條件選擇額定電壓 額定電流并校驗(yàn)開斷能力 按短路故障條件校驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性 并同時(shí)選擇其操動(dòng)機(jī)構(gòu)和操作電源 例4 1試選擇某10KV高壓配電所進(jìn)線側(cè)的高壓戶內(nèi)真空斷路器的型號(hào)規(guī)格 已知該進(jìn)線的計(jì)算電流為295A 配電所母線的三相短路電流周期分量有效值為3 2kA 繼電保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間為1 1s 解 初步選VS1 12 630 16型進(jìn)行校驗(yàn) 如表所示 所選正確 三 高壓熔斷器的選擇與校驗(yàn) 高壓熔斷器的選擇與校驗(yàn) 主要是按環(huán)境條件選擇結(jié)構(gòu)類型 按正常工作條件選擇額定電壓 額定電流并校驗(yàn)開斷能力 高壓熔斷器的額定電流應(yīng)不小于它所安裝的熔體電流 熔體電流的選擇應(yīng)滿足下列條件 1 保護(hù)高壓線路的熔斷器的熔體電流應(yīng)大于線路的計(jì)算電流 一般取線路計(jì)算電流的1 1 1 3倍 2 保護(hù)電力變壓器的熔斷器的熔體電流 考慮到變壓器的正常過負(fù)荷電流 勵(lì)磁涌流 即空載合閘電流 及低壓側(cè)電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)引起的尖峰電流等因素 一般取一次側(cè)額定電流的1 5 2倍 3 保護(hù)電壓互感器的熔斷器的熔體電流 因互感器二次側(cè)負(fù)荷很小 一般取為0 5A 四 電流互感器的選擇與校驗(yàn) 1 電壓 電流的選擇 電流互感器的額定電壓應(yīng)不低于裝設(shè)地點(diǎn)電路的額定電壓 其額定一次電流應(yīng)不小于電路的計(jì)算電流 而其額定二次電流一般為5A 2 按準(zhǔn)確級(jí)要求選擇 電流互感器滿足準(zhǔn)確級(jí)要求的條件 是其二次負(fù)荷S2不得大于額定準(zhǔn)確級(jí)所要求的額定二次負(fù)荷S2N 即 S2N S2 對(duì)于保護(hù)用電流互感器來說 其復(fù)合誤差限值為10 生產(chǎn)廠家給出電流互感器的誤差為10 時(shí)一次電流倍數(shù)K1 即I1 I1N 與最大允許二次負(fù)荷阻抗 Z2al 的關(guān)系曲線 Z2al Z