1、第三章第三章 建筑供配电系统短路电建筑供配电系统短路电流及其计算流及其计算第一节第一节 概述概述一一 短路原因、类型、后果及计算短路电短路原因、类型、后果及计算短路电流的目的流的目的（一）主要原因：（一）主要原因：1.电气设备、元件的损坏。电气设备、元件的损坏。2.自然原因自然原因3.人为事故人为事故（二）类型：（二）类型：1.三相短路三相短路2.两相短路两相短路3.单相短路单相短路（三）后果：（三）后果：1.产生很大的电动力和很高的温度，使故产生很大的电动力和很高的温度，使故障元件和短路电路中的其它元件损坏。障元件和短路电路中的其它元件损坏。2.电压骤降，影响电气设备的正常运行。电压骤降，影
2、响电气设备的正常运行。3.造成停电事故。造成停电事故。4.造成不对称电路，其电流将产生较强的造成不对称电路，其电流将产生较强的不平衡磁场，对附近的通信设备、信号不平衡磁场，对附近的通信设备、信号系统及电子设备等产生干扰。系统及电子设备等产生干扰。5.严重的短路运行电力系统运行的稳定性，严重的短路运行电力系统运行的稳定性，使并列运行发电机组失去同步使并列运行发电机组失去同步，造成系造成系统解列统解列。（四）目的：（四）目的：1.选择和校验电气设备。选择和校验电气设备。2.继电保护装置的整定计算。继电保护装置的整定计算。3.设计时作不同方案的技术比较设计时作不同方案的技术比较。二二.电力系统的中性
3、点运行方式电力系统的中性点运行方式（一）类型（一）类型 三相交流电力系统中，供电电源的发电三相交流电力系统中，供电电源的发电机和变压器的中性点运行方式：机和变压器的中性点运行方式：1.小电流接地小电流接地电源中性点不接地电源中性点不接地电源中性点经消弧圈接地电源中性点经消弧圈接地2.大电流接地大电流接地电源中性点直接接地电源中性点直接接地（二（二）电源中性点不接地电力系统电源中性点不接地电力系统1.当发生一相接地故障时，其三相电压无当发生一相接地故障时，其三相电压无论其相位和量值均保持不变。因此，该论其相位和量值均保持不变。因此，该系统三相用电设备仍可照常运行，但这系统三相用电设备仍可照常运行
4、，但这种故障系统不允许长期运行，以免另一种故障系统不允许长期运行，以免另一相又发生接地故障时形成两相短路，这相又发生接地故障时形成两相短路，这时将产生很大的短路电流，可能损坏线时将产生很大的短路电流，可能损坏线 路和设备。因此这种系统中，应装设专路和设备。因此这种系统中，应装设专门的绝缘监测装置或单相接地保护以便门的绝缘监测装置或单相接地保护以便 发生一相接地故障时，发出警报发生一相接地故障时，发出警报，通知通知 运行值班人员注意和处理。如一时检修不运行值班人员注意和处理。如一时检修不 好应将重要负荷转移切除故障线路。好应将重要负荷转移切除故障线路。2.发生一相接地故障时另两个完好相的对发生一
5、相接地故障时另两个完好相的对 地电压为正常对地电压的地电压为正常对地电压的 倍倍。3（三（三）电源中性点经消弧圈接地的电力系电源中性点经消弧圈接地的电力系统统 为防止一相接地时，接地点出现断续为防止一相接地时，接地点出现断续 电弧，引起过电压，在单相接地电容电电弧，引起过电压，在单相接地电容电 流大于一定值时，必须采用。流大于一定值时，必须采用。（四）（四）电源中性点直接接地的电力系统电源中性点直接接地的电力系统1.发生一相接地故障时发生一相接地故障时,其三相电压的对称其三相电压的对称关系完全破坏，因此，该系统三相用电关系完全破坏，因此，该系统三相用电设备不能继续运行，由于单相接地电流设备不能
6、继续运行，由于单相接地电流很大，将使过电流保护装置动作，迅速很大，将使过电流保护装置动作，迅速切除线路。切除线路。2.发生一相接地故障时，另两个完好相的发生一相接地故障时，另两个完好相的对地电压不会升高，仍维持相电压值，对地电压不会升高，仍维持相电压值，因此对线路的绝缘水平要求相对较低。因此对线路的绝缘水平要求相对较低。（五）建筑供配电系统分为（五）建筑供配电系统分为TN、TT、IT系统。系统。对于低压系统（对于低压系统（TN)：中性线（中性线（N)保护线保护线(PE)三相四线制三相四线制第二节第二节 三相交流电网三相交流电网 短路的短路的过渡过程过渡过程一一 短路电流的过渡过程的分析短路电流
7、的过渡过程的分析 “无限大容量电源无限大容量电源”：系统内部短路发：系统内部短路发生变化，系统电源电压维持不变。生变化，系统电源电压维持不变。在考虑产生最大短路的条件下，短路全在考虑产生最大短路的条件下，短路全电流为：电流为：ktpmpmkeItIicos 在电源电压及短路地点不变的情况下，在电源电压及短路地点不变的情况下，要使短路全电流达到最大值。必需具备要使短路全电流达到最大值。必需具备以下的条件：以下的条件：短路前为空载。短路前为空载。设电路的感抗要比电阻好大得多，即短设电路的感抗要比电阻好大得多，即短路阻抗角为路阻抗角为900。短路发生于某相电压瞬时值过零值时。短路发生于某相电压瞬时值
8、过零值时。二二 电流冲击系数和冲击电流电流冲击系数和冲击电流 冲击电流出现在短路后第一个半周时间冲击电流出现在短路后第一个半周时间 为短路电流冲击系数为短路电流冲击系数 短路电流周期分量的有效值短路电流周期分量的有效值。pshshIKi2keKsh01.01pI实际中：实际中：高压系统高压系统 0.05s,=1.8，低压系统低压系统 0.008s,=1.3，shKshKpshIi84.1pshIi55.2三三、短路电流最大有效值、短路电流最大有效值：实际中：实际中：1.8，=1.3，四、短路稳态电流四、短路稳态电流：经过经过 t=0.2s后，短路电流非周期分量衰减后，短路电流非周期分量衰减完毕
9、，短路电流为稳态短路电流，在无完毕，短路电流为稳态短路电流，在无限大容量系统中，短路电流周期分量有限大容量系统中，短路电流周期分量有效值在电流全过程中始终不变，则：效值在电流全过程中始终不变，则：shKshKpshII52.1pshII09.1 2.0IIIIIkkp第三节第三节 三相短路电流的计算三相短路电流的计算一一 概述概述（一）步骤（一）步骤1.绘出计算电路图绘出计算电路图2.通过计算，绘制短路计算点等效电路图通过计算，绘制短路计算点等效电路图3.等效电路化简等效电路化简4.求短路电流求短路电流（二）方法（二）方法:欧姆法（有名单位法欧姆法（有名单位法 通常用于通常用于1000V以下低
10、压供电系统的短路以下低压供电系统的短路计算。计算。标幺法（相对单位法标幺法（相对单位法 常用在高压系统短路电流计算。常用在高压系统短路电流计算。（三）短路电流计算的几点说明（三）短路电流计算的几点说明说明说明 由电力系统供电的民用建筑内部发生短由电力系统供电的民用建筑内部发生短路时，其容量远比系统容量要小，而阻路时，其容量远比系统容量要小，而阻抗则较系统阻抗大得多，短路时，系统抗则较系统阻抗大得多，短路时，系统母线上的电压变动很小，可认为电压维母线上的电压变动很小，可认为电压维持不变，即系统容量为无限大。持不变，即系统容量为无限大。在计算高压电路中的短路电流时，只需在计算高压电路中的短路电流时
11、，只需考虑对短路电流值有重大影响的电路元考虑对短路电流值有重大影响的电路元件。由于发电机、变压器、电抗器的电件。由于发电机、变压器、电抗器的电阻远小于其本身电抗，因此可不予考虑。阻远小于其本身电抗，因此可不予考虑。但当架空线和电缆较长，使短路电路的但当架空线和电缆较长，使短路电路的总电阻大于总电抗的总电阻大于总电抗的1/3时，仍需计入电时，仍需计入电阻。阻。短路电流计算按金属性短路进行。短路电流计算按金属性短路进行。二二 采用欧姆法进行短路计算采用欧姆法进行短路计算 无限大容量系统发生三相短路时三相无限大容量系统发生三相短路时三相短路电流周期分量有效值：短路电流周期分量有效值：Uav-需要计算
12、那一级的平均电压需要计算那一级的平均电压,为该级为该级电网电压电网电压UN 的的1.05 倍。例倍。例10.5KV,0.4KV.分别为短路电路的总阻分别为短路电路的总阻抗、总电阻、总电抗。抗、总电阻、总电抗。22)3(33XRUZUIavavpX R Z 高压电路的短路计算只计电抗。高压电路的短路计算只计电抗。低压侧短路时，当低压侧短路时，当 时，才考时，才考虑电阻。所以，虑电阻。所以，1KV以上高压系统：以上高压系统：3R X 333pavkIUS XUIavp33（一）电力系统的阻抗（一）电力系统的阻抗 电力系统阻抗的电阻一般很小不予考虑，电力系统阻抗的电阻一般很小不予考虑，其电抗可由电力
13、系统变电站高压馈线出其电抗可由电力系统变电站高压馈线出口断路器的断流容量口断路器的断流容量 来估算。来估算。（二）发电机电抗（二）发电机电抗 次暂态电抗百分值。次暂态电抗百分值。ocavsSUX2ocSNavddSUXX100%dX（三）电力变压器阻抗（三）电力变压器阻抗 变压器的短路电压。变压器的短路电压。2NavkTSUPRNavkTSUUX2100%kU（四）电力线路的阻抗（四）电力线路的阻抗（五）电抗器阻抗（五）电抗器阻抗 电抗器铭牌标有电抗器铭牌标有 ，和绕组电抗和绕组电抗百分数百分数 。LRRoWLLXXoWLHNIHNU%HUHNHNHHIUUX3100%（六）如计算低压侧的短路
14、电流时，高压（六）如计算低压侧的短路电流时，高压侧的线路阻抗就需要换算到低压侧，其侧的线路阻抗就需要换算到低压侧，其等效换算的条件是元件的功耗不变。等效换算的条件是元件的功耗不变。三三 采用标幺制法进行短路计算采用标幺制法进行短路计算 标幺制是一种相对单位制，其定义为：标幺制是一种相对单位制，其定义为：该物理量的实际值该物理量的实际值 所选定的基准值所选定的基准值 如如任一物理标幺值任一物理标幺值 dAAdAddddZZZSSSIIIUUU ,按标幺制法进行短路计算时，一般先选按标幺制法进行短路计算时，一般先选定基准容量定基准容量 和基准电压和基准电压 ，则，则 （一）短路电路中的各元件标幺值
15、的计算（一）短路电路中的各元件标幺值的计算 通常选取通常选取 =100MVA,=。dSdUdddSUX2dddUSI3dSdUavU1.电力系统的电抗标幺值电力系统的电抗标幺值2.发动机的电抗标幺值发动机的电抗标幺值 ocddssSSXXXcos100%100%NddNdddddPSXSSXXXX3.电力变压器的电抗标幺值电力变压器的电抗标幺值4.电力线路的电抗标幺值电力线路的电抗标幺值 如有必要计算电阻标幺值时，如有必要计算电阻标幺值时，100%NdkTSSUX2ddllUSXX2ddllUSRR5.电抗器电抗标幺值电抗器电抗标幺值 电抗器额定电抗标幺值；电抗器额定电抗标幺值；电抗器额定电压
16、标幺值；电抗器额定电压标幺值；电抗器额定电流标幺值。电抗器额定电流标幺值。23100%ddHNHNHHUSIUUX23ddHNHNHNHUSIUXXHNXHNUHNI（二）短路电路总阻抗（二）短路电路总阻抗 当当 时时,当当 时时,Z3R X3R X XZ22XRZ（三）无限大容量三相短路电流计算（三）无限大容量三相短路电流计算 XIp13 dpIXI13 XSk13 dkSXS13第四节第四节 两相短路电流的近似两相短路电流的近似计算计算一一 计算计算 为不对称短路，一般要使用对称分量法。为不对称短路，一般要使用对称分量法。一实用简单的方法为一实用简单的方法为 只有电抗时：只有电抗时：XUI
17、avk22 ZUIavk22二二 与三相短路电流计算的关系与三相短路电流计算的关系 因此，三相短路电流比两相短路电流大因此，三相短路电流比两相短路电流大。在考虑短路效应时，只考虑三相短路电流。在考虑短路效应时，只考虑三相短路电流。在校验保护相间短路灵敏度时，用末端两在校验保护相间短路灵敏度时，用末端两相短路电流。相短路电流。3287.0ppII 866.02332ppII第五节第五节 低压电网短路电路计算低压电网短路电路计算一一 低压电网短路电流计算的特点：低压电网短路电流计算的特点：一般容量不大于高压供电电源容量的一般容量不大于高压供电电源容量的5%按无限大电源考虑。按无限大电源考虑。各元件
18、电阻值相对较大，一般不能忽略。各元件电阻值相对较大，一般不能忽略。冲击系数在冲击系数在11.3范围内范围内 电压只有一级，采用有名法较为方便电压只有一级，采用有名法较为方便二二 各元件阻抗各元件阻抗 与欧姆法介绍计算方法一样，并可查与欧姆法介绍计算方法一样，并可查表求得。它包括：表求得。它包括：系统电源阻抗系统电源阻抗 变压器阻抗变压器阻抗 母线阻抗母线阻抗 配电线路阻抗配电线路阻抗 低压电器阻抗低压电器阻抗三三 短路电流计算短路电流计算（一）三相短路电流计算和两相短路电流（一）三相短路电流计算和两相短路电流 计算与欧姆法介绍计算方法一样计算与欧姆法介绍计算方法一样。（二）单相短路电流周期分量
19、计算（二）单相短路电流周期分量计算 低压低压380/220 三相四线制配电网络中，三相四线制配电网络中，常发生相常发生相 零之间单相短路，其计算公零之间单相短路，其计算公式为：式为：2020)1(XRUIpp R0,X0为为“相相 零零”回路中电阻与回路中电阻与 电抗之和，可查表获得。电抗之和，可查表获得。Up 电源的相电压。电源的相电压。第六节第六节 短路电流的效应短路电流的效应一一 短路电流的电动效应短路电流的电动效应（一）原理（一）原理 相邻载流导体之间的电磁互作用力即相邻载流导体之间的电磁互作用力即电动力。电动力。短路时，特别是冲击电流通过瞬间，短路时，特别是冲击电流通过瞬间，其电动力
20、则非常大，所以三相短路冲击其电动力则非常大，所以三相短路冲击电流为校验电器和载流部分的动稳定依电流为校验电器和载流部分的动稳定依据。据。（二）短路动稳定度的校验条件（二）短路动稳定度的校验条件1.一般电器一般电器 imax 电器的极限通过电流（峰值电器的极限通过电流（峰值;Imax 电器的极限通过电流（有效值。电器的极限通过电流（有效值。3max3maxshshIIii2.对绝缘子动稳定校验对绝缘子动稳定校验 Fal Fc(3)Fal 绝缘子的最大允许载荷绝缘子的最大允许载荷,由产品由产品 样本查得样本查得;Fc(3)短路时作用在绝缘子上的计算力短路时作用在绝缘子上的计算力;三相短路冲击电流在
21、中间相产生的电三相短路冲击电流在中间相产生的电动力最大动力最大,其计算公式为其计算公式为:两导体的轴线距离两导体的轴线距离,(m)；档距（即相邻的两支点间距离档距（即相邻的两支点间距离 ,(m)；母线在绝缘子上为平放：母线在绝缘子上为平放：母线在绝缘子上为竖放：母线在绝缘子上为竖放：33 27310 NshFil ala 33FFc 334.1FFc3.对母线等硬导体对母线等硬导体一般按短路时所受到的最大应力来校验。一般按短路时所受到的最大应力来校验。母线材料的最大允许应力，母线材料的最大允许应力，硬铜：硬铜：硬铝：硬铝：alMPaal63MPaal137cal 母线通过母线通过 是所受到的最
22、大应力。是所受到的最大应力。母线通过母线通过 是所受到的弯曲力矩，是所受到的弯曲力矩，单位单位 Nm,当母线的档数为当母线的档数为12时时,当母线的档数为当母线的档数为2时时,c 3shiWMc 83lFM 3shiM 103lFM W母线截面系数，母线截面系数，单位：，单位：M3 b 截面水平宽度截面水平宽度,h截面水平高度截面水平高度4.电缆本身的机械强度很好，不必校验动电缆本身的机械强度很好，不必校验动稳定。稳定。62hbW（三）大容量电动机对短路冲击电流的影（三）大容量电动机对短路冲击电流的影响响 当短路计算点附近有大容量电机当短路计算点附近有大容量电机(总总容量超过容量超过100KW
23、)时时,其反馈冲击电流使其反馈冲击电流使短路点冲击电流增大。短路点冲击电流增大。工程设计中可近似取为：工程设计中可近似取为：Mshshshiii33NMMshMshIKi5.75.6 短路电流冲击系数，短路电流冲击系数，高压电动机一般取高压电动机一般取1.41.6；低压电动机一般取低压电动机一般取 1。电动机的额定电流。电动机的额定电流。MshKNMI短路电流的热效应短路电流的热效应（一）短路时导体的发热过程与计算（一）短路时导体的发热过程与计算1.过程：过程：短路前正常负荷时的温度；短路前正常负荷时的温度；发生短路；发生短路；切除故障时间；切除故障时间；时导体温度。时导体温度。l1t2t2t
24、k12tttk2.计算计算 即计算即计算 的值。与的值。与 相对应的热量相对应的热量为为 由于计算困难，一般采用等效方法，由于计算困难，一般采用等效方法，为短路发热假想时间。为短路发热假想时间。kkkQktkkRdttiQ02)(imatktRIRdttik202)(imat 对无限大系统，则对无限大系统，则当当 1s时，时，而而 保护装置动作时间保护装置动作时间；offopktttsttkima05.0optktkimatt 断路器断路时间，断路器断路时间，(固有分闸时间固有分闸时间 电弧延续时间电弧延续时间 （固有分闸时间（固有分闸时间,可由产品样本查得）可由产品样本查得）一般高压断路器一
25、般高压断路器 0.2s 高速断路器：高速断路器：0.10.15s 低压断路器电弧延续时间：低压断路器电弧延续时间：0.010.02s,offt3.工程设计方法工程设计方法 利用导体温度利用导体温度 与导体加热系数与导体加热系数 的关系曲线的关系曲线,来确定来确定 。步骤：步骤：(1)利用利用 查得查得(2)利用下式求得利用下式求得 (3)利用利用 得到得到 。AkllAimalktSIAA2kAk（二）短路热稳定度的校验（二）短路热稳定度的校验1.一般电器一般电器 电器热稳定试验电流；电器热稳定试验电流；电器热稳定试验时间。电器热稳定试验时间。（可由产品样本查得（可由产品样本查得imattItI22tIt2.母线及绝缘导线和电缆等导体母线及绝缘导线和电缆等导体 导体在短路时的最高允许温度。导体在短路时的最高允许温度。可查得。可查得。maxkkkmax 因确定因确定 较麻烦，也可根据短路动较麻烦，也可根据短路动稳定度要求来确定其最小允许截面稳定度要求来确定其最小允许截面 。导体热稳定系数，可查导体热稳定系数，可查得。得。则则 kminSlkimaAAtISminlkAACCtISimamin
