1、第八章 简单电力系统短路电流计算王海军王海军 电力系统运行有三种状态：正常运行状态、非正常运电力系统运行有三种状态：正常运行状态、非正常运行状态和短路故障。短路就是指不同电位导电部分之间的行状态和短路故障。短路就是指不同电位导电部分之间的不正常短接。不正常短接。一、短路的基础知识一、短路的基础知识短路短路：系统中各种类型不正常的相与相之间或相与地之间：系统中各种类型不正常的相与相之间或相与地之间的短接。的短接。 1.1.短路故障产生的原因短路故障产生的原因（1 1） 设备原因设备原因指电气设备、元件的损坏。如设备绝缘部分自然老化或设备本身有缺陷，正常运行时被击穿导致短路；设计、安装、维护不当所
2、造成的设备缺陷最终发展成短路等。（2 2） 自然原因自然原因由于气候恶劣，如大风、低温、导线覆冰等引起架空线倒杆断线；因遭受直击雷或雷电感应，导致设备过电压或绝缘被击穿等。（3 3） 人为原因人为原因工作人员违反操作规程，带负荷拉闸造成相间弧光短路；违反电业安全工作规程，带接地刀闸合闸造成金属性短路；人为疏忽接错线造成短路；运行管理不善，造成小动物进入带电设备内形成短路事故等。 （1 1） 短路电流的热效应短路电流的热效应 巨大的短路电流通过导体，短时间内产生很大热量，形成很高温度，极易造成设备过热而损坏。 （2 2） 短路电流的电动力效应短路电流的电动力效应 由于短路电流的电动力效应，导体间
3、将产生很大的电动力。如果电动力过大或设备电动力过大或设备结构强度不够，则可能引起电气设备机械变形甚至损坏，使事故进一步扩大。2 2 短路故障的危害短路故障的危害（3 3） 短路时系统电压下降短路时系统电压下降 短路造成系统电压突然下降，给用户带来很大影响。例如，作为主要动力设备的异步电动机，其电磁转矩与端电压平方成正比。电压大幅下降将造成电动机转速降低甚至停止运转，给用户带来损失；同时，电压降低会造成照明负荷，如电灯突然变暗或一些气体放电灯的熄灭等，影响正常的工作、生活和学习。（4 4） 不对称短路的磁效应不对称短路的磁效应当系统发生不对称短路时，不对称短路电流的磁效应所产生的足够的磁通在邻近
4、的电路内能感应出很大的电动势，这对于附近的通信线路、铁路信号系统及其他电子设备、电动控制系统可能产生强烈干扰。（5 5） 短路时的停电事故短路时的停电事故短路时会造成停电事故，给国民经济带来损失。并且短路越靠近电源，停电波及范围越大 （6 6） 破坏系统稳定性，造成系统瓦解破坏系统稳定性，造成系统瓦解 短路可能造成的最严重后果就是使并列运行的各发电厂之间失去同步，破坏系统稳定性，最终造成系统瓦解，形成地区性或区域性大面积停电。3.3.短路种类短路种类短路形式：短路形式：两相接地短路两相接地短路 1 . 1k短路短路 对称短路对称短路 3k不对称短路不对称短路 单相短路单相短路 两相短路两相短路
5、 单相接地短路单相接地短路 1k单相接中性点短路单相接中性点短路 1k两相短路两相短路 2k两相短路接地两相短路接地 1 . 1k三相短路用三相短路用 表示，二相短路表示，二相短路 表示，单相短路表示，单相短路用用 表示，两相接地短路用表示，两相接地短路用 表示。只有三相短路，表示。只有三相短路，属对称短路。属对称短路。 3k 2k 1k1 . 1k 在三相系统中，可能发生的短路类型有三相短路、两三相短路、两相短路、两相接地短路和单相短路。相短路、两相接地短路和单相短路。 三相短路三相短路是对称短路，用k(3)表示，如图a所示。因为短路回路的三相阻抗相等，所以三相短路电流和电压仍然是对称的，只
6、是电流比正常值增大，电压比额定值降低。三相短路发生的概率最小，只有5左右，但它却是危害最严重的短路形式。两相短路是不对称短路，用k(2)表示，如图如图b b所所示示。两相短路的发生概率为1015。两相接地短路也是一种不对称短路，用k(1.1)表示，如图（如图（c c）、（）、（d d）所示）所示。它是指中性点不接地系统中两个不同的相均发生单相接地而形成的两相短路，亦指两相短路后又接地的情况。两相接地短路发生的概率为1020。 相短路用k(1)表示，如图（如图（e e）、）、（f f）所示）所示，也是一种不对称短路。它的危害虽不如其他短路形式严重，但在中性点直接接地系统中发生的概率最高，占短路故
7、障的6570。 短短路路的的类类型型 （1 1） 电气主接线比选电气主接线比选 短路电流计算可为不同方案进行技术经济比短路电流计算可为不同方案进行技术经济比较，并为确定是否采取限制短路电流措施等提供较，并为确定是否采取限制短路电流措施等提供依据。依据。4 4、短路电流计算的目的、短路电流计算的目的 （2 2） 选择导体和电器选择导体和电器 如选择断路器、隔离开关、熔断器、互感器、如选择断路器、隔离开关、熔断器、互感器、母线、绝缘子、电缆、架空线等。其中包括计算母线、绝缘子、电缆、架空线等。其中包括计算三相短路冲击电流、冲击电流有效值以校验电气三相短路冲击电流、冲击电流有效值以校验电气设备电动力
8、稳定度，计算三相短路电流稳态有效设备电动力稳定度，计算三相短路电流稳态有效值用以校验电气设备及载流导体的热稳定性，计值用以校验电气设备及载流导体的热稳定性，计算三相短路容量以校验断路器的遮断能力等。算三相短路容量以校验断路器的遮断能力等。（3 3） 确定中性点接地方式确定中性点接地方式 对于对于35 kV35 kV、10 kV10 kV供配电系统，根据单相短供配电系统，根据单相短路电流可确定中性点接地方式。路电流可确定中性点接地方式。（4 4） 验算接地装置的跨步电压和接触电压。验算接地装置的跨步电压和接触电压。（5 5） 选择继电保护装置和整定计算选择继电保护装置和整定计算 在考虑正确、合理
9、地装设保护装置和校验保护装置灵敏度时，不仅要计算短路故障支路内的三相短路电流值，还需知道其他支路短路电流分布情况；不仅要算出最大运行方式下电路可能出现的最大短路电流值，还应计算最小运行方式下可能出现的最小短路电流值；不仅要计算三相短路电流，而且也要计算两相短路电流，或根据需要计算单相接地电流等。 （1 1） 短路点的选取短路点为各级电压母线、各级线短路点的选取短路点为各级电压母线、各级线路末端。路末端。 （2 2） 短路时间的确定根据电气设备选择和继电保护短路时间的确定根据电气设备选择和继电保护整定的需要，确定计算短路电流的时间。整定的需要，确定计算短路电流的时间。 （3 3） 短路电流的计算
10、包括最大运行方式下最大短路短路电流的计算包括最大运行方式下最大短路电流、最小运行方式下最小短路电流以及各级电压中电流、最小运行方式下最小短路电流以及各级电压中性点不接地系统的单相接地短路电流，计算的具体项性点不接地系统的单相接地短路电流，计算的具体项目及其计算条件取决于计算短路电流的目的。目及其计算条件取决于计算短路电流的目的。5 5 短路电流计算的内容短路电流计算的内容 1 1）. .基本假定基本假定 短路电流计算中，为简化分析，通常采用以下基本假定： （1） 正常运行时，三相系统对称运行。 （2） 所有电源的电动势相位角相同。 （3） 系统中所有同步和异步电动机均为理想电机，即不考虑电机磁
11、饱和、磁滞、涡流及导体集肤效应等影响，转子结构完全对称，定子三相绕组空间位置相差120电气角度。6 6 短路电流计算条件短路电流计算条件 （4） 电力系统中各元件的磁路不饱和，即带铁芯的电气设备电抗值不随电流大小发生变化。 （5） 同步电机都具有自动调整励磁装置。 （6） 不考虑短路点的电弧电阻。 （7） 不考虑变压器的励磁电流。 （8） 除计算短路电流的衰减时间常数和低压电网的短路电流外，元件的电阻略去不计。 （9） 输电线路的电容略去不计。 （10） 元件的计算参数取额定值。 2 2）. .一般规定一般规定 （1） 验算导体和电器动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短路电流应按本工程的规划
12、容量计算，并考虑电力系统的远景规划（一般为本工程预期投产后510年的发展规划考虑）。 确定短路电流时，应按可能发生最大短路电流的正常接线方式计算，不应按仅在切换过程中可能并列运行的接线方式计算。 （2） 验算导体和电器用的短路电流，在电气连接的网络中，应考虑具有反馈作用的异步电动机的影响和电容补偿装置放电电流的影响。7 7 短路电流计算方法短路电流计算方法1.1.标幺制法标幺制法 标幺制是一种相对单位制，标幺值是一个无单位的量，为任一参数对其基准值的比值。标幺制法就是将电路元件各参数均用标幺值表示。在短路电流计算中通常涉及四个基准量，即基准电压Ud、基准电流Id、基准视在功率Sd和基准阻抗Zd
13、。在高压系统中，由于回路电抗一般远大于电阻，为了方便，在工程上一般可忽略电阻，直接用电抗代替各元件的阻抗，这样ZdXd。由于电力系统有多个电压等级的网络组成，采用标幺制法可以省去不同电压等级间电气参量的折算。在高压系统中宜采用标幺制法进行短路电流计算。 有名值法就是以实际有名单位给出电路元件参数，这种方法通常用于1 kV以下低压供配电系统短路电流的计算2.2.有名值法有名值法一、一、标么值的概念标么值的概念有名值：用实际有名单位表示物理量的方法有名值：用实际有名单位表示物理量的方法标么值：采用其实际值（有名单位值）与某一选定的基准值标么值：采用其实际值（有名单位值）与某一选定的基准值的比值来表
14、示的比值来表示标幺值实际就是某个物理量的有名值与选定的同单位的基准标幺值实际就是某个物理量的有名值与选定的同单位的基准值的比值，也就是对基准值的倍数值。显然，同一个物理量值的比值，也就是对基准值的倍数值。显然，同一个物理量当选取不同的基值时，其标幺值也就不同。当选取不同的基值时，其标幺值也就不同。当描述一个物理当描述一个物理量的标幺值时，必须同时说明其基准值为多大，否则仅一个量的标幺值时，必须同时说明其基准值为多大，否则仅一个标幺值是没有意义的。标幺值是没有意义的。标幺值标幺值 )()(与有名值同单位基准值任意单位实际值标幺值无单位标幺值无单位. 标么制标么制1 1、基值、基值采用标幺值进行计
15、算时，第一步的工作是选取各物理量的基采用标幺值进行计算时，第一步的工作是选取各物理量的基准值。电力系统的各电气量基准值的选择必须符合电路准值。电力系统的各电气量基准值的选择必须符合电路(三相）三相）基本关系，即基本关系，即 3 3BBBBBBZIUIUS式中式中 SB 三相功率的基准值；三相功率的基准值； UB、IB线电压、线电流的基值；线电压、线电流的基值； ZB 每相阻抗的基值。每相阻抗的基值。习惯上只选定习惯上只选定S SB B和和U UB B223BBBBBBBBBSIUUZSSYU2 2、标么值、标么值jQPSQjSPSjQPSSSjXRZXjZRZjXRZZZIIIUUUBBBBB
16、BBBBB基值选定以后便可计算各物理量的标幺值，其值分基值选定以后便可计算各物理量的标幺值，其值分别为别为:由上式可见，由上式可见， 、 、 是同一个基准值；是同一个基准值； 、 、 也是同一个也是同一个基准值。基准值。 ZRXSPQ 3BBBIUS IUS 3IZU3BBBZIU3有名值有名值基准值基准值BBBIIUUSSBBBZZIIUU*IUS *ZIU 三相电路各标幺值间的关系同单相电路。三相电路各标幺值间的关系同单相电路。1.4.2 不同基值间标幺制的换算不同基值间标幺制的换算在电力系统的实际计算中，对于直接电气联系的网络，在电力系统的实际计算中，对于直接电气联系的网络，在制订标幺值
17、的等值电路时，各元件的参数必须按在制订标幺值的等值电路时，各元件的参数必须按统一统一的基准值的基准值进行归算。进行归算。然而，从手册或产品说明书中查得的电机和电器的阻抗然而，从手册或产品说明书中查得的电机和电器的阻抗值，一般都是以各自的额定容量（或额定电流）和额定值，一般都是以各自的额定容量（或额定电流）和额定电压为基准的标幺值（额定标幺阻抗）。由于各元件的电压为基准的标幺值（额定标幺阻抗）。由于各元件的额定值可能不同，因此，额定值可能不同，因此，必须把不同基准值的标幺阻抗必须把不同基准值的标幺阻抗换算成统一基准值的标幺值。换算成统一基准值的标幺值。BBBIUS BZNNNIUS NZZ有名制
18、NNNSUZ22BBUSZ 2222BNNBNBBNNNBBBUUSSXUSSUXUSXX发电机和变压器的标幺电抗的换算发电机和变压器的标幺电抗的换算: 变压器变压器:100%*kNUX掌握掌握NNNIUXX3BNNBNBBNNNBUUIIXUIIUXX33对于系统中用来限制短路电流的电抗器，它的额定标幺电抗对于系统中用来限制短路电流的电抗器，它的额定标幺电抗是以额定电压和额定电流为基准值来表示的。因此，它的换是以额定电压和额定电流为基准值来表示的。因此，它的换算公式为算公式为:(100%*XXN) 一些设备的参数是以百分值给出的，如变压器的短路电压、电抗器的电抗等，此时先将百分值化为以额定参
19、数为基准值的标幺值，然后再进行标幺值的换算。 显然，同一基准的标幺值与百分值之间的关系为： 标幺值=百分值/100三、标幺制的优点三、标幺制的优点1 1、易于比较电力系统各元件的特性及参数、易于比较电力系统各元件的特性及参数 2 2、采用标幺制，能够简化计算公式、采用标幺制，能够简化计算公式 3 3、采用标幺制，能在一定程度上简化计算工作、采用标幺制，能在一定程度上简化计算工作只要基准选得恰当，许多物理量的标幺值就处在某一定的范围内。用有名值表示时有些数值不等的量，在标幺制中其数值却相等。例如，在对称三相系统中，线电压和相电压的标幺值相等；当电压等于基准值时，电流的标幺值和功率的标幺值相等；变压器的阻抗标幺值不论归算到哪一侧都一样变压器的阻抗标幺值不论归算到哪一侧都一样并等于短路电压的标幺值并等于短路电压的标幺值 :100%*kNUXO(_)O谢谢
