工廠供配電技術電子教案第5章1課件

1、掌握短路計算方法；掌握工廠高、低壓線路中繼電保護、熔斷器保護、低壓斷路器保護的方式及適用范圍。掌握防雷保護及接地的知識第五章 短路和供配電系統的保護 要求 知識點短路及計算；工廠高壓線路繼電器保護；電力變壓器的保護；工廠低壓供電系統的保護；電器設備的防雷與接地 技能點各種繼電保護裝置的選擇與選型；短路計算與線路穩(wěn)定性校驗；防雷與接地方案的確定。 重點和難點 短路及計算；電力變壓器的保護；電器設備的防雷與接地。51 工廠電力線路的接線方式供電系統保護裝置的作用及對其基本要求。工廠高、低壓線路中繼電保護、熔斷器保護、低壓斷路器保護的方式及適用范圍。重點是工廠高壓線路的繼電保護和電力變壓器的保護。過

2、電壓保護、防雷保護及接地的知識。5.1 短路5.1.1短路故障的原因和種類短路是指不同相之間，相對中線或地線之間的直接金屬性連接或經小阻抗連接。短路時不同電位的帶電導體之間通過電弧或其他較小阻抗非正常連接在一起。1、短路的種類在二相系統中，可能發(fā)生的短路類型有兩相接地短路和單相短路。三相交流系統的短路主要有三相短路、兩相短路、單相短路和兩相接地短路幾種。三相短路是指供配電系統三相導體間的短路，用k（3）表示，如圖5-1a所示。兩相短路是指三相供配電系統中任意兩相導體間的短路，用k（2）表示，如圖5-1b表示。 （a）三相短路 （b）兩相短路圖5-1 短路的種類單相短路是指供配電系統中任一相經大

3、地與中性點或與中線發(fā)生的短路，用k（1）表示，如圖5-1c所示。兩相接地短路是指中性點不接地系統中任意兩相發(fā)生單相接地而產生的短路，用k（1，1）表示，如圖5-1d所示。 （c）單相短路 （d）兩相接地短路圖5-1 短路的種類上述各種短路中，三相短路屬對稱短路，短路回路的三相阻抗相等，所以三相短路電流和電壓仍然是對稱的，只是電流比正常值增大，電壓比額定值降低。其它短路屬不對稱短路。因此，三相短路可用對稱三相電路分析，不對稱短路采用對稱分量法分析，即把一組不對稱的三相量分解成三組對稱的正序、負序和零序分量來分析研究。在電力系統中，發(fā)生單相短路的可能性最大，發(fā)生概率約在10一15左右。發(fā)生三相短路

4、的可能性最小，只有5左右。但通常三相短路的短路電流最大，危害也最嚴重，所以短路電流計算的重點是三相短路電流計算。2、短路的原因短路的主要原因是電氣設備載流部分絕緣損壞。設備長期運行，絕緣自然老化；操作過電壓，大氣過電壓，絕緣受機械損傷設備本身設計、安裝和運行維護不良；絕緣材料陳舊；絕緣強度不夠而被正常電壓擊穿；絕緣正常而被過電壓(包括雷電過電壓)擊穿設備絕緣受到外力損傷等都可能造成短路。工作人員由于未遵守安全操作規(guī)程而發(fā)生誤操作，如帶負荷拉、合隔離開關，檢修后忘拆除地線合閘，也可能造成短路。電力線路發(fā)生斷線和例桿事故導致短路，或誤將低電壓設備接入較高電壓鳥獸跨越在裸露的相線之間或相線與接地物體

5、之間，或者咬壞設備導線的絕緣。5.1.2短路的效應及危害1、短路電流的效應供配電系統發(fā)生短路時，短路電流非常大。短路電流通過導體或電器設備，會產生很大的電動力和很高的溫度，稱為短路的電動力效應和熱效應。電器設備和導體應能承受這兩種效應的作用，滿足動、熱穩(wěn)定的要求。下面分別分析短路電流的電動力效應和熱效應。(1)短路電流的電動力效應導體通過電流時相互間電磁作用產生的力，稱為電動力。正常工作時電流不大，電動力很小。短路時，特別是短路沖擊電流流過瞬間，產生的電動力最大。1)兩平行載流導體間的電動力空氣中的兩平行導體中流過的電流分別為i1和i2（A），i1產生的磁場在導體2處的磁感應強度為B1，i2產

6、生的磁場在導體1處的磁感應強度為B2，如圖5-2所示，兩導體間由電磁作用產生的電動力的方向由左手定則決定，大小相等，由下式決定， （5-1）式中，a兩導體的軸線間距離(m)；l導體的兩相鄰固定支持點距離，即擋距(m) 0真空磁導率，02Xl0-7NA2。 當電路中發(fā)生兩相短路時，兩相短路沖擊電流ish(2)將在兩短路相導體間產生最大的電動力F(2)，即 （5-2）圖5-2 兩平行導體間的電動力2)三相平行載流導體間的電動力三相平行的導體中流過的電流對稱，且分別為iA、iB、iC，每兩導體間由電磁作用產生電動力，A相導體受到的電動力為FAB、FAC，B相導體受到的電動力為FBC、FBA，C相導體

7、受到的電動力為FCA、FCB，如圖5-3所示。經分析可知中相導體受到的電動力最大，并可按下式計算： （5-3）圖5-3 三相平行導體間的電動力3)短路電流的電動力由于兩相短路沖擊電流與三相短路沖擊電流的關系為 由式（5-2）和式（5-3）可知：，兩相短路和三相短路產生的最大電動力也具有下列關系 （5-5）由此可見，三相短路時導體受到的電動力比兩相短路時導體受到的電動力大。因此，校驗電器設備或導體的動穩(wěn)定時，應采用三相短路沖擊電流或沖擊電流有效值。(2)短路電流的熱效應 1)短路發(fā)熱的特點導體通過電流，產生電能損耗，轉換成熱能，使導體溫度上升。正常運行時，導體通過負荷電流，產生的熱能使導體溫度升

8、高，同時向導體周圍介質散失。當導體內產生的熱量等于向介質散失的熱量，導體的溫度維持不變。這種狀態(tài)稱為熱平衡或熱穩(wěn)定。在線路發(fā)生短路時，極大的短路電流將使導體溫度迅速升高。出于短路后線路的保護裝置隨即動作，迅速切除短路線路，所以短路電流通過導體的時間不長，通常不會超過23S。因此在短路過程中，可不考慮導體向周圍介質的散熱，即近似地認為導體在短路時間內是與周圍介質絕熱的，短路電流在導體中產生的熱量，全部用來使導體的溫度升高。由于導體溫度上升很快，導體的電阻和比熱不是常數，而是隨溫度變化。圖5-4表示短路時導體溫度的變化情況。短路前導體正常運行時的溫度為L，在t1發(fā)生短路，導體溫度迅速上升，在t2時

9、保護裝置動作切除短路故障，此時導體溫度已達到了K。短路切除后，導體無電流通過，不再產生熱量，只向周圍介質散熱，導體溫度不斷下降，最終導體溫度等于周圍介質溫度0。圖5-4 短路時導體溫度的變化短路時電器設備和導體的發(fā)熱溫度不超過短路最高允許溫度，則滿足短路熱穩(wěn)定要求。短路最高允許溫度見附表5-1。2）短路產生的熱量要確定導體短路后實際達到的最高溫度，按理應先求出短路期間實際的短路全電流在導體中產生的熱量。這與導體短路前的溫度、短路電流的大小及導體通過短路電流的時間的長短等眾多因素有關。由于實際短路全電流是一個變動的電流并含有非周期分量，要按此電流計算其產生的熱量是相當困難的，因此通常采用其恒定的

10、短路穩(wěn)態(tài)電流I來等效計算實際短路電流所廣生的熱量。由于通過導體的短路電流實際上不止I，因此假定一個時間，在此時間內，假定導體通過I所產生的熱量恰好與實際短路電流在實際短路時間內所產生的熱量相等，這一假定的時間，稱為短路發(fā)熱的假想時間或熱效時間，用tima表示。 tima=tk+0.05 （5-6）當tk1時，可認為tima=tk式中tk短路時間，是短路保護裝置實際最長的時間top與斷路器(開關)的斷路時間toc之和，即 tk=top+toc （5-7）對于一般高壓斷路器(如油斷路器)，可取 toc0.2s；對于高速斷路器(如真空斷路器)，可取 toc0.1-0.15s因此，實際短路電流通過導體

11、在短路時間內產生的熱量為: （5-8）根據這一熱量可計算出導體在短路后所達到的最高溫度。但是這種計算，不僅相當繁復且涉及到一些難于準確確定的系數，包括導體的電導率(它在短路過程中不是一個常數)，因此最后計算的結果往往與實際出入很大。在工程設計中，一般是利用溫度曲線來確定短路最高溫度QK的。2、短路危害發(fā)生短路時，由于短路回路的阻抗很小，產生的短路電流較正常電流大數十倍，可能高達數萬甚至數十萬安培。同時，系統電壓降低，離短路點越近電壓降低越大，三相短路時，短路點的電壓可能降到零。因此，短路將造成嚴重危害。(1) 短路電流通過導體時，使導體大量發(fā)熱，溫度急劇升高，從而破壞設備絕緣。(2)短路產生巨

12、大的電動力，使導體變形，使電氣設備受到機械損壞。(3)短路使系統電壓嚴重降低，電器設備正常工作受到破壞。例如異步電動機的轉矩與外施電壓的平方成正比，當電壓降低時，其轉矩降低使轉速減慢，造成電動機過熱燒壞。(4)短路造成停電，而且越靠近電源停電范圍越大，給國民經濟帶來損失，給人民生活帶來不便。(5)嚴重的短路將影響電力系統運行的穩(wěn)定性，使并聯運行的同步發(fā)電機失去同步，嚴重的可能造成系統解列，甚至崩潰。(6)單相短路產生的不平衡磁場，對附近的通信線路和弱電設備產生嚴重的電磁干擾，使通訊失真、控制失靈、設備產生誤動作。影響其正常工作。(7)短路點的電弧可能燒毀電氣設備的載流部分。由上可見，短路產生的

13、后果極為嚴重，在供配電系統的設計和運行中應采取有效措施，設法消除可能引起短路的一切因素，使系統安全可靠地運行。同時，為了減輕短路的嚴重后果和防止故障擴大，需要計算短路電流，以便正確地選擇和校驗各種電器設備，計算和整定保護短路的繼電保護裝置和選擇限制短路電流的電器設備（如電抗器）等。5.1.3短路參數和短路計算的基本概念在供電系統的設計和運行中，需要進行短路電流計算，因為：選擇電氣設備和載流導體時，需用短路電流校驗其動穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，保證其在發(fā)生可能的最大短路電流時不至于損壞；選擇和整定用于短路保護的繼電保護裝置時，需應用短路電流參數；選擇用于限制短路電流的設備時，也需進行短路電流計算。1、無

14、限大容量供電系統三相短路分析（1）無限大容量供電系統的概念當短路突然發(fā)生時系統原來的穩(wěn)定工作狀態(tài)遭到破壞，需要經過個暫態(tài)過程，才能進入短路穩(wěn)定狀態(tài)。供電系統中的電流在短路發(fā)生時也要增大，經過暫態(tài)過程達到新的穩(wěn)定值。短路電流變化的這一哲態(tài)過程，不僅與系統參數有關，而且與系統的電源容量有關。為了分析問題方便，我們假設，系統電源電勢在短路過程中近似地看做不變，因而便引出了無限大容量電源系統的概念。所謂“無限大容量系統”是指端電壓保持恒定，沒有內部阻抗，和容量無限大的系統。實際上，任何電力系統都有一個確定的容量，并有一定的內部阻抗。當供配電系統容量較電力系統容量小得多，電力系統阻抗不超過短路回路總阻抗

15、的510%，或短路點離電源的電氣距離足夠遠，發(fā)生短路時電力系統母線電壓降低很小，此時可將電力系統看作無限大容量系統，從而使短路電流計算大為簡化。供配電系統一般滿足上述條件，可視為無限大容量供電系統系統進行短路分析和計算。圖5-5(a)是一個電源為無限大容量的供電系統發(fā)生三相短路的電路圖。由于三相對稱，因此這個三相短路的電路可用圖5-5(b)的等效單相電路圖來分析。 圖5.5 無限大容量系統發(fā)生三相短路的電路圖系統正常運行時，電路中電流取決于電源和電路中所有元件包括負荷在內的總阻抗。當發(fā)生三相短路時，圖5-5(a)所示的電路將被分成兩個獨立的回路。一個仍與電源相連接，另一個則成為沒有電源的短接回

16、路。在這個沒有電源的短接回路中，電流將從短路發(fā)生瞬間的初始值按指數規(guī)律衰減到零。在衰減過程中，回路磁場中所儲藏的能量，將全部轉化成熱能。與電源相連的回路，由于負荷阻抗和部分線路阻抗被短路，所以電路中的電流要突然增大。但是，由于電路中存在著電感根據楞茨定律電流又不能突變，因而引起一個過渡過程，即短路暫態(tài)過程，最后達到個新穩(wěn)定狀態(tài)。（2）三相短路過程的分析 圖5-6表示無限大容量電源系統發(fā)生三相短路前后電流、電壓的變化曲線。由圖5-6可以看出，與無限大容量電源系統相連電路的電流在暫態(tài)過程中包含兩個分量：周期分量和非周期分量。周期分量的大小取決于電源電壓和短路回路的阻抗，其幅值在暫態(tài)過程中保持不變。

17、非周期分量屬于自由電流，是為了使電感回路中的磁鏈和電流不突變而產生的一個感生電流，它的值在短路瞬間最大，接著便以一定的時間常數按指數規(guī)律衰減為零。此時暫態(tài)過程即告結束，系統進入短路的穩(wěn)定狀態(tài)。圖5.6 無限大容量系統發(fā)生三相短路電流、電壓的變化曲線（3）最嚴重三相短路時的短路電流在電路參數確定和短路點一定情況下，產生最嚴重三相短路時的短路電流（即最大瞬時值）的條件。由圖5-7可見，短路電流非周期分量初值最大時短路電流瞬時值亦最大。圖5-7 三相短路時的相量圖圖5-7是三相短路時的相量圖。圖中分別表示電源電壓幅值、工作電流幅值和短路電流周期分量幅值的相量。短路電流非周期分量的初值等于相量和之差在

18、縱軸上的投影。從圖5-7相量圖中可看出，當與橫軸重合，短路前空載或功率因數等于1，短路回路阻抗角時，與縱軸重合，使短路電流非周期分量初值達到最大。綜上所述，最嚴重短路電流的條件為：短路前電路空載或cos； 短路瞬間電壓過零，即時 或180；短路回路純電感，即k90。將Im，k90代入式（5-6），得 （5-9）式中，IP為短路電流周期分量有效值。短路電流非周期分量最大時的短路電流波形如圖5-8所示。應當指出，三相短路時只有其中一相電流最嚴重，短路電流計算也是計算最嚴重三相短路時的短路電流。圖5-8 最嚴重三相短路時的電流波形圖2三相短路的有關物理量（1）短路電流周期分量假設短路發(fā)生在電壓瞬時值

19、u=0時這時負荷電流為io由于短路時，電路阻抗減小很多，電路中將要出現一個短路電流周期分量ip。又由于短路電抗一般遠大于電阻。所以，ip滯后電壓u大約90，因此短路瞬間(t=0時刻)，ip突然增大到幅值。（2）短路電流非周期分量 由于電路中存在著電感，在短路發(fā)生時，電感要產生一個與ip方向相反的感生電流，以維持短路瞬間電路中的電流和磁鏈不突變。這個反向電流就是短路電流非周期分量。由于電路中還存在著電阻，所以短路電流非周期分量要按指數函數衰減。（3）短路全電流任一瞬間的短路全電流等于短路電流周期分量與短路電流非周期分量之和。由于短路電流含有非周期性分量，短路全電流不是正弦波，短路過程中短路全電流

20、的有效值是指以該時間t為中心的一個周期內短路全電流瞬時值的均方根值。 為了簡化計算，假設短路電流非周期分量在所取周期內恒定不變，即其值等于在該周期中心的瞬時值；在無限大容量電源系統巾，短路電流周期分量的幅值和有效值是始終不變的。則短路全電流有效值為 （5-10）（4）短路沖擊電流和沖擊電流有效值短路沖擊電流ish是短路全電流的最大瞬時值，由圖5-8可見，短路全電流最大瞬時值出現在短路后半個周期，即t=0.01秒時，由式（5-7）得 （5-11）式中，為短路電流沖擊系數純電阻性電路，ksh=1；純電感性電路，ksh =2。因此0ksh2。短路沖擊電流有效值ISH是短路后第一個周期的短路全電流有效

21、值。由式（5-20）可得或 （5-12）為方便計算，在高壓系統發(fā)生三相短路，一般可取ksh =1.8，因此 （5-13） （5-14） 在低壓系統發(fā)生三相短路，可取 ksh =1.3，因此 （5-15） （5-16） （5）穩(wěn)態(tài)短路電流有效值短路電流非周期分量一般經過0.2s就衰減完畢，短路電流達到穩(wěn)定狀態(tài)，這時的短路電流稱為短路穩(wěn)態(tài)電流.。在無限大容量系統中，短路電流周期分量有效值在短路全過程中始終是恒定不變的，所以有 （5-17）（6）三相短路容量三相短路容量是選擇斷路器時，校驗其斷路能力的依據。所謂三相短路容量可由下式定義，即 （5-18） 式中，SK為三相短路容量（MVA）；Uav為短

22、路點所在級的線路平均額定電壓（kV）；Ik為短路電流（kA）。綜上所述，無限大容量系統發(fā)生三相短路時，求出短路電流周期分量有效值，即可計算有關短路的所有物理量。3.無限大容量供電系統三相短路電流的計算三相短路電流常用的計算方法有歐姆法和標么制法兩種。歐姆法是最基本的短路計算方法，適用兩個及兩個以下電壓等級的供電系統；而標么制法適用多個電壓等級的供電系統。（1）歐姆法短路計算中的阻抗都采用 “歐姆”為單位。對無限大系統三相短路電流周期分量有效值按下式計算： （5-19）式中 UC為 為短路點的計算電壓；一般取 UC =0.4、6.3、10.5、37kV等；Z R X分別是短路電路的總阻抗、總電阻

23、和總電抗值在高壓電路的短路計算中，通?？傠娍惯h比醫(yī)電阻大，所以一般只計電抗，不計電阻。在低壓電路的短路計算中，也只有當短路電路的RX/3時，才要考慮電阻。若不計電阻，三相短路周期分量有效值 （5-20）三相短路容量為： （5-21）歐姆法短路計算步驟如下：繪出計算電路圖，將短路計算中各元件的額定參數都表示出來，并將各元件依次編號；確定短路計算點。短路計算點應選擇在可能產生最大短路電流的地方。一般來說，高壓側選在高壓母線位置，低壓側選在低壓母線位置；系統中裝有限流電抗器時，應選在電抗器之后。 按所選擇的短路計算點繪出等效電路圖。并在上面將短路電流所流經的主要元件表示出來，并標明其序號。計算電路中

24、各主要元件的阻抗，并將計算結果標于等效電路元件序號下面分母的位置。將等效電路化簡，求系統總阻抗。對于工廠供電系統來說，由于將電力系統當作無限因此一般只需采用阻抗串、并聯的方法即可將電路化簡，求出其等效總阻抗。按照式(519)或式(520)計算短路電流，然后分別求出其他短路電流參數，最后求出短路容量。（2）標么制用相對值表示元件的物理量，稱為標幺制。任意一個物理量的有名值與基準值的比值稱為標幺值，標幺值沒有單位。即 （5-22）標幺值用上標表示，基準值用下標d表示。容量、電壓、電流、阻抗的標幺值分別為 (5-23) 基準容量Sd，基準電壓Ud，基準電流Id和基準阻抗Zd亦應遵守功率方程和電壓方程

25、。因此，四個基準值中只有二個基準值是獨立的，通常選定基準容量和基準電壓，按下式求出基準電流和基準阻抗。基準值的選取是任意的，但為了計算方便，通常取100MVA為基準容量，取線路平均額定電壓為基準電壓。線路的額定電壓和基準電壓對照值見表5-1。表5-1 線路的額定電壓和基準電壓（kV）額定電壓 0.38 6 10 35 110 220 500 基準電壓 0.4 6.3 10.5 37 115 230 550 用基準容量和元件所在電壓等級的基準電壓計算的阻標標幺值，和將元件的阻抗換算到短路點所在的電壓等級，再用基準容量和短路點所在電壓等級的基準電壓計算的阻抗標幺值相同，即變壓器的變比標幺值等于1，

26、從而避免了多級電壓系統中阻抗的換算。從而，短路回路總電抗的標幺值可直接由各元件的電抗標幺值相加而得。這也是采用標幺制計算短路電流具有的計算簡單，結果清晰的優(yōu)點。（2）短路回路元件的標么值阻抗短路電流計算時，需要計算短路回路中各個電氣元件的阻抗及短路回路總阻抗。電力系統電抗標么值 （5-26）電力變壓器電抗標么值 （5-27）電力線路電抗標么值 （5-28）電抗器電抗標么值 （5-29）短路電路中各主要元件的電抗標么值求出以后，即可利用其等效電路圖進行電路化簡，計算其總電抗標么值。由于各元件電抗均采用標么值(即相對值)，與短路計算點的電壓無關，因此無需進行電壓換算標。（3）三相短路電流計算無限大

27、容量系統發(fā)生三相短路時，短路電流的周期分量的幅值和有效值保持不變，短路電流的有關物理量I、Ish、ish、I和Sk都與短路電流周期分量有關。因此，只要算出短路電流周期分量的有效值，短路其它各量按前述公式很容易求得。無限大容量系統三相短路電流周朗分量有效值的標么值可按下式計算 （5-30） 由此可求得三相短路電流周期分量有效值及三相短路容量的計算公式 （5-31） （5-32）利用前面的公式求出其他短路電流。（4）標么制法短路計算步驟 繪制短路電路計算電路圖，確定短路計算點 確定標么值基準，取Sd100MVA和Ud=UC，(有幾個電壓等級就取幾個Ud)，并計算出所有短路計算點電壓下的Id。 繪出短路電路等效電路圖，并計算各元件的電抗標么值，標明在圖上。 根據不同短路計算點分別求出各自的總電抗標么值，再計算各短路電流和短路容量。例5-1試求圖5-9供電系統總降變電所10kV母線上K1點和車間變電所380V母線上K2點發(fā)生三相短路時的短路電流和短路容量，以及K2點三相短路流經變壓器3T一次繞組的短路電流。圖5-9 例5-1供電系統圖解：第一步短路電流計算等效電路圖，如圖5-10所示。由斷路器斷流容量估算系統電抗，用X1表示。圖5-10 例5 短路計算等效電路圖第二步取