短路電流及計(jì)算(精選PPT)

本章介紹電力系統(tǒng)短路故障的基本知識 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) 基準(zhǔn)值選擇以運(yùn)算方便 簡單為目的 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 100MV A 基準(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)線單位長度的電抗 為導(dǎo)線的長度 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) 對各元件進(jìn)行編號 采用分?jǐn)?shù)符號 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500MV A 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 100MV A 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 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為線路單位長度電抗及線路長度 以元件的短路功率表示的短路電路的化簡 與以元件的導(dǎo)納值表示的電路化簡相似 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 3 如圖3 6所示 由兩個電源支路及經(jīng)元件到短路點(diǎn)時(shí) 求各個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 對各元件進(jìn)行編號 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 500MV A 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)際最長的動作時(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)算是相對簡單 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 104A2 S mm 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 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)是理論上的概念 但在實(shí)際中 可以把電力系統(tǒng)等效成無限大電力系統(tǒng) 在此基礎(chǔ)上 計(jì)算三相短路電流和二相短路電流 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 最后 講了短路電流的動穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性 以及它們的校驗(yàn) 短路計(jì)算是工廠供電最重要的內(nèi)容之一 1 短路是不同電位導(dǎo)電部分之間的不正常短接 短路造成的原因通常有電氣設(shè)備載流部分的絕緣損壞 誤操作和誤接以及飛禽跨接裸導(dǎo)體等 短路后果為 產(chǎn)生很大的熱量和很大的電動力 短路時(shí) 電壓驟降 造成停電事故 影響電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性 造成系統(tǒng)癱瘓 2 三相系統(tǒng)中的短路基本類型有 三相短路 二相短路 單相短路和兩相接地短路 其中 三相短路屬對稱短路 其它形式的短路 均屬不對稱