短路電流計算及電氣設(shè)備的選擇校驗

關(guān)于短路電流計算及電氣設(shè)備的選擇校驗2024/4/15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，有時高達(dá)幾十萬安培。當(dāng)它通過電氣設(shè)備時，溫度急劇上升，會使絕緣老化或損壞；同時產(chǎn)生的電動力，會使設(shè)備載流部分變形或損壞；短路會使系統(tǒng)電壓驟降，影響系統(tǒng)其他設(shè)備的正常運行；嚴(yán)重的短路會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性；短路還會造成停電；不對稱短路的短路電流會產(chǎn)生較強(qiáng)的不平衡交變磁場，對通信和電子設(shè)備等產(chǎn)生電磁干擾等。第2頁,共39頁，2024年2月25日，星期天二、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)。

第3頁,共39頁，2024年2月25日，星期天續(xù)上頁進(jìn)行短路計算的目的是正確選擇和檢驗電氣設(shè)備及其保護(hù)裝置。三相短路電流是選擇和檢驗電氣設(shè)備的基本依據(jù)。另外還要用到不對稱短路的短路電流、短路沖擊電流、穩(wěn)態(tài)短路電流等。三、計算短路電流的目的第4頁,共39頁，2024年2月25日，星期天2024/4/15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)荷如何變動甚致發(fā)生短路時，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、短路過程的簡單分析第5頁,共39頁，2024年2月25日，星期天續(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，由于短路電路存在著電感，因此電流不會突變，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)荷電流為第6頁,共39頁，2024年2月25日，星期天續(xù)上頁無限大容量系統(tǒng)發(fā)生三相短路時的電壓、電流曲線如下圖：第7頁,共39頁，2024年2月25日，星期天三、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

第8頁,共39頁，2024年2月25日，星期天2024/4/15第三節(jié)無限大容量電源條件下

短路電流的計算方法一、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，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算中，通常只計電抗，不計電阻。故按標(biāo)幺值法進(jìn)行短路計算時，一般是先選定基準(zhǔn)容量Sj和基準(zhǔn)電壓Uj。標(biāo)幺值第9頁,共39頁，2024年2月25日，星期天續(xù)上頁基準(zhǔn)容量，工程設(shè)計中通常取基準(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。第10頁,共39頁，2024年2月25日，星期天續(xù)上頁2）電力線路的電抗標(biāo)幺值式中，L為線路長度，x0為線路單位長度的電抗，可查手冊。3）電力變壓器的電抗標(biāo)幺值因為

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)行電路化簡求總電抗標(biāo)么值。第11頁,共39頁，2024年2月25日，星期天三、三相短路電流的計算無限大容量系統(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：（對高壓系統(tǒng)）（對低壓系統(tǒng)）第12頁,共39頁，2024年2月25日，星期天某廠一10/0.4kV車間變電所裝有一臺S9－800型變壓器（△uk%=5），由廠10kV高壓配電所通過一條長0.5km的10kV電纜（x0＝0.08Ω/km）供電。已知高壓配電所10kV母線k-1點三相短路容量為52MVA，試計算該車間變電所380V母線k-2點發(fā)生三相短路時的短路電流。例題1解：1.確定基準(zhǔn)值2.計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)幺值第13頁,共39頁，2024年2月25日，星期天續(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

第14頁,共39頁，2024年2月25日，星期天某供電系統(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點短路和兩臺變壓器并聯(lián)運行、分列運行兩種情況下低壓380V母線上k-2點短路的三相短路電流和短路容量。例題2解：1.確定基準(zhǔn)值第15頁,共39頁，2024年2月25日，星期天續(xù)上頁2.計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)幺值第16頁,共39頁，2024年2月25日，星期天續(xù)上頁3.求k-1點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

第17頁,共39頁，2024年2月25日，星期天續(xù)上頁4．求k-2點的短路電路總電抗標(biāo)么值三相短路電流的短路容量

兩臺變壓器并聯(lián)運行情況下：

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

第18頁,共39頁，2024年2月25日，星期天續(xù)上頁兩臺變壓器分列運行情況下：

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

第19頁,共39頁，2024年2月25日，星期天四、兩相短路電流的估算兩相短路電流

而三相短路電流

所以

第20頁,共39頁，2024年2月25日，星期天2024/4/15第四節(jié)低壓電網(wǎng)中短路電流的計算一、低壓電網(wǎng)短路計算的特點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??；3、低壓系統(tǒng)元件的電阻多以毫歐計，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、三相短路電流的計算

電源至短路點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。

第21頁,共39頁，2024年2月25日，星期天續(xù)上頁1．高壓側(cè)系統(tǒng)的阻抗3．母線及電纜的阻抗，其單位長度值可查手冊。

2．變壓器的阻抗應(yīng)計及的電阻、電抗（單位均為）有

歸算到低壓側(cè)的高壓系統(tǒng)阻抗可按下式計算：

歸算到低壓側(cè)的變壓器阻抗可按下式計算：

第22頁,共39頁，2024年2月25日，星期天三、單相短路電流的計算根據(jù)對稱分量法，單相短路電流為工程計算公式為高壓系統(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算或查有關(guān)設(shè)計手冊。第23頁,共39頁，2024年2月25日，星期天

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)短路計算電路如圖所示。求短路點k-1處的三相和單相短路電流。例題3解：1、計算有關(guān)電路元件的阻抗1)高壓系統(tǒng)阻抗（歸算到400V側(cè)）第24頁,共39頁，2024年2月25日，星期天續(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計算，即第25頁,共39頁，2024年2月25日，星期天續(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

第26頁,共39頁，2024年2月25日，星期天續(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第27頁,共39頁，2024年2月25日，星期天2024/4/15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)生很大的電動力，即電動力效應(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，必須校驗其動穩(wěn)定和熱穩(wěn)定。對于兩根平行導(dǎo)體，通過電流分別為i1和i2，其相互間的作用力F(單位N）可用下面公式來計算：第28頁,共39頁，2024年2月25日，星期天在三相系統(tǒng)中，當(dāng)三相導(dǎo)體在同一平面平行布置時，受力最大的是中間相。當(dāng)發(fā)生三相短路故障時，短路電流沖擊值通過導(dǎo)體中間相所產(chǎn)生的最大電動力為：續(xù)上頁二、短路點附近交流電動機(jī)的反饋沖擊電流影響當(dāng)短路點附近所接交流電動機(jī)的額定電流之和超過短路電流的1%時，按GB50054-95《低壓配電設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，應(yīng)計入電動機(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滿足力穩(wěn)定的條件是第29頁,共39頁，2024年2月25日，星期天當(dāng)交流電動機(jī)進(jìn)線端發(fā)生三相短路時，它反饋的最大短路電流瞬時值（即電動機(jī)反饋沖擊電流）可按下式計算：

續(xù)上頁由于交流電動機(jī)在外電路短路后很快受到制動，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，才需要計入電動機(jī)的反饋電流。此時短路點的短路沖擊電流為三、短路電流的熱效應(yīng)（一）短路時導(dǎo)體的發(fā)熱

在線路發(fā)生短路時，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)體的溫度變化第30頁,共39頁，2024年2月25日，星期天續(xù)上頁在實際短路時間tk內(nèi),短路電流的熱量為根據(jù)Q值可以確定出短路時導(dǎo)體所達(dá)到的最高溫度θk。發(fā)熱假想時間繼電保護(hù)動作時間斷路器開斷時間工程計算公式載流導(dǎo)體和電氣設(shè)備承受短路電流作用時滿足力穩(wěn)定的條件是第31頁,共39頁，2024年2月25日，星期天2024/4/15第六節(jié)電氣設(shè)備的選擇及校驗一、選擇校驗項目及條件電氣設(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，同時電氣設(shè)備應(yīng)工作安全可靠，運行維護(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行方式下的最大持續(xù)工作電流；即第32頁,共39頁，2024年2月25日，星期天續(xù)上頁對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（對非限流型熔斷器）（對限流型熔斷器）第33頁,共39頁，2024年2月25日，星期天續(xù)上頁按短路故障條件校驗，就是要按最大可能的短路故障時的力穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性進(jìn)行校驗。

2.按短路故障條件校驗

對于一般電器，滿足力穩(wěn)定的條件是：電器的額定峰值耐受電流

對于一般電器，滿足熱穩(wěn)定的條件是：電器的額定短時耐受電流有效值

對于載流導(dǎo)體，滿足熱穩(wěn)定的條件是：導(dǎo)體的熱穩(wěn)定系數(shù)第34頁,共39頁，2024年2月25日，星期天二、高壓斷路器的選擇與校驗高壓斷路器的選擇與校驗，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、額定電流并校驗開斷能力，按短路故障條件校驗動穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，并同時選擇其操動機(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)真空斷路器的型號規(guī)格。已知該進(jìn)線的計算電流為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)的動作時間為1.1s。

解：初步選VS1-12/630-16型進(jìn)行校驗，如表所示，所選正確。

序號安裝地點的電氣條件VS1-12/630-16型斷路器項

目數(shù)

據(jù)項

目數(shù)

據(jù)結(jié)

論1UN10kVUN.QF12kV合格2Ic295AIN.QF630A合格33.2kAIoc16kA合格42.55×3.2kA=8.16kAiet40kA合格5(3.2kA)2×(1.1+0.2)s=13.3kA2·s(16kA)2×4s=1024kA2·s合格第35頁,共39頁，2024年2月25日，星期天三、高壓熔斷器的選擇與校驗高壓熔斷器的選擇與校驗，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)大于線路的計算電流，一般取線路計算電流的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、勵磁涌流（即空載合閘電流）及低壓側(cè)電動機(jī)自起動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。

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