短路电流计算ppt课件.ppt
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1、第三章 短路电流计算,在工厂供配电系统的设计和运行中,不仅要考虑系统的正常运行状态,还要考虑系统的不正常运行状态和故障情况。短路故障是电力系统故障中最常见也是最严重的一种故障形式。,第一节 概 述,短路原因及后果 短路形式,一 短路概述(概念、原因及后果),()短路的概念供电系统中一相 或多相 载流导体接地 或相互接触并产生超出规定值的大电流 的情况。()短路的原因电气设备载流部分的绝缘损坏工作人员违反安全操作规程而发生误操作(70)雷击过电压鸟兽跨越在裸露的相线之间或相线与接地物体之间,或者鼠类咬坏设备和导线电缆的绝缘,()短路的后果短路电流为正常工作电流的几十倍设备温度 急剧升高,过热使绝
2、缘 加速老化 或损坏产生很大的电动力,使设备载流部分变形 或损坏在线路上产生很大压降,影响其它设备运行保护装置动作,造成停电,越靠近电源,停电范围越大影响 电力系统运行的稳定性,可使并列运行的发电机组失去同步,造成系统解列单相短路 和两相短路电流 会产生较强的不平衡交变磁场 ,产生电磁干扰,影响周围通信线路和电子设备的正常工作,二 短路的形式,三相短路(对称短路)两相短路(不对称短路)单相短路(不对称短路)两相接地短路(不对称短路),C,三相短路,单相接地短路,两相短路,单相短路,无中性线系统,有中性线系统,两相接地短路,在电力系统中,发生单相短路故障的几率最大,发生三相短路的可能性最小,但三
3、相短路电流最大,造成的危害最严重。因此,为了使电力系统的电气设备在最严重的短路状态下也能可靠地工作,在选择和校验电气设备用的短路计算中,常以三相短路计算为主。,第二节无限大容量电源系统供电时短路分析,无限大容量电源供电系统的概念 三相短路过程的理论分析,一 无限大容量电源供电系统的概念,无限大容量电源内阻抗为零的电源。不管供出的电流如何变动,电源内部均不产生压降,电源母线 上的输出电压维持不变。无限大容量电力系统供电容量 相对于用户(包括工厂)供电系统的用电容量 大得多的电力系统。当供电系统的负荷变动甚至发生短路时,电力系统变电所馈电母线上的电压能基本维持不变。等效条件电源总阻抗 510短路电
4、路总阻抗(无阻抗)电力系统容量 50用户供电系统用电容量(大容量),二 三相短路过程的理论分析(设三相对称),单相等效电路,正常工作时:,三相短路时:,解线性非齐次微分方程得:,电路中每相短路阻抗,短路后回路的时间常数,短路电流与相电压之间的相角,三相短路电流周期分量的幅值,当t0,发生三相短路的瞬间,电流不能突变,则有:,因此,三相短路电流全电流瞬时值 为:,短路电流的周期分量,短路电流的非周期分量,短路电流非周期分量初始值,三相短路时电压、电流波形,短路全电流最大瞬时值分析短路冲击电流,短路前为空载,则:,电路的感抗X比电阻R大得多,则:,短路发生于某相电压瞬时值过零时,则:,当 t=0.
5、01s时,电路电流出现瞬时最大值:,短路冲击电流:短路全电流中的最大瞬时值,冲击系数,短路阻抗为纯电感时:,短路阻抗为纯电阻时:,因此,取:,高压系统:,低压系统:,短路电流有效值:某一瞬时 t 的短路全电流有效值 Ikt 是以时间 t 为中点的一个周期内 iz 的有效值 Iz 和 ifi 在t时刻瞬时值 ifit的方均根值。,短路冲击电流有效值:当 t0.01s 时短路全电流的有效值,高压系统:,低压系统:,稳态短路电流:t 时,非周期分量衰减完毕,短路全电流就是短路电流周期分量,称之为稳态短路电流,以 I 表示其有效值,则有 I = Ikt,短路次暂态电流:短路后第一个 周期性短路电流分量
6、的有效值。 如果电源电压维持恒定,则短路后任何时刻的短路电流周期分量始终不变 Izt=0 = Izt = I = Iz 习惯上把这 短路电流 周期分量有效值写作 Ik,第三节无限大容量电源条件下短路电流的计算,三相短路电流计算的基本思路 高压系统中短路计算的标幺值法,一 三相短路电流计算的基本思路,短路电流的周期分量的幅值不变,有效值也不变,电源至短路点间的电阻和电抗,且归算至短路点所在段的平均额定电压等级下。,短路点所在网路段的平均额定电压(短路计算电压),一般取1.05UN(按最严重短路情况考虑)。,高压系统:,低压系统:,此时,计算误差不超过15,在工程计算中及设备选取时完全允许。,阻抗
7、及短路电流的计算方法,欧姆法(有名单位制法,有名值法):短路计算中的阻抗都采用有名单位“欧姆”而得名,一般用于低压电网的计算。标幺值法(相对单位制法):短路计算中的有关物理量是采用标幺值即相对单位而得名,一般用于高压电路短路计算。,二 高压系统中短路计算的标幺值法,(一)标幺值法,基准值为:,各标幺值的关系可以表示为:,复数量的标幺值可以表示为:,一般取:,(二)供电系统中各元件电抗标幺值的计算,供电系统中的主要元件包括:电源、输电线路、变压器、电抗器 和用户线路;低压电网中的低压母线、低压电流互感器一次线圈、低压断路器过电流脱扣线圈 及开关触头 等的阻抗计算。,1、输电线路,已知输电线路长度
8、L,每公里电阻值为 r0,电抗值为 x0,短路所在区段的平均电压为 Uav,线路阻抗与短路点同一电压等级,则:,在短路计算中,下列物理量在工程上一般常采用以下单位: 电流(kA),电压(kV),短路容量(MVA), 设备容量(kVA),阻抗(),证明:多级电压供电系统,阻抗的标幺值不需要进行归算,取基准容量为 Sj,基准电压为 Uj =Uav4,第一区段的 XL1 归算至短路点的电抗值XL1及其标幺值为:,选取了短路段平均电压为基准电压后,元件电抗标幺值就只与元件所在段 的平均电压有关,而与短路点发生在哪一段无关。,2、变压器,变压器电抗标幺值:,变压器电阻标幺值:,3、电抗器限制短路电流的电
9、感线圈,电抗器标幺值:,铭牌数据 :额定电抗百分数XLR,额定电压UNL(kV),额定电流INL(kA),4、电源电力系统,电力系统的电阻相对于电抗来说很小,因此一般不计电阻,只计电抗:,高压馈电线的短路计算电压,短路点额定平均电压,系统出口断路器的断流容量,可查阅断路器手册,若只有开断电流 Ik 数据,按 Sk= 31/2 Ik UN计算,已知电力系统变电站出口断路器处的短路容量为 Sk(MVA),基准容量为 Sj ,则系统电抗的标幺值是:,(三)电源至短路点的总电抗,画出由电源至短路点的等效电路图:,根据元件间的串、并联关系求解总阻抗标幺值:,(四)短路参数的计算(Ik、Sk、Ish、is
10、h),由:,取基准电压 Uj=Uav,则,得:,三相短路容量(断开容量或遮断容量),用来校验所选断路器的断流能力,或是否满足可靠工作的要求。,系统的运行方式,最大运行方式电源系统中发电机组投入运行多,双回路输电线路及并联变压器均全部运行。此时,整个系统的总的短路阻抗最小,短路电流最大。最小运行方式电源中一部分发电机运行、变压器及输电线路解列,一些并联变压器为保证处于最佳运行状态也分列运行,总的短路阻抗变大,短路电流也相应减小。在工厂供电系统中,用最小运行方式求Iz,供继电保护校验灵敏度使用。,高压电力系统三相短路电流的计算步骤,1、根据电路系统图画出系统示意图,将电路元件进行抽象;2、选取电路
11、的基准容量 Sj 和各个短路点的基准电压 Uj,计算出基准电流 Ij ;3、计算最大运行系统 和最小运行系统 中电源、输电线路、变压器、电抗器的电抗标幺值,记入示意图中;4、求解对应短路点的总电抗标幺值(包括最大运行系统和最小运行系统);5、求解对应短路点的三相短路电流标幺值;6、求解其它短路参数:Ik、ish、Ish、Sk,例:设供电系统图如图所示,数据均标在图上,试求 1 和 2 点处的三相短路电流。,k2(3),高压系统两相短路电流的计算,在发电机出口处发生短路时:,在远距离点短路时;,第四节 低压电网中短路电流的计算,低压电网短路电流的计算特点 欧姆法计算低压电网短路电流,一 低压电网
12、短路电流的计算特点,配电变压器一次侧可认为是无穷大功率电源。低压电网电阻值大,电抗值小,可以忽略电抗的影响,当 XR/3 时才考虑。最大误差为5.4%,在工程允许范围之内。低压配电系统电器及元件的电阻多以 m 计,用有名值比较方便。由“短路电流分析 ”可知,低压系统中,ksh11.3。当已知 R 和 X 时,可以通过下式求解 ksh 的值。,图38 冲击系数ksh与XR比值的关系曲线,三相短路电流的计算,电源至短路点的总阻抗包括变压器高压侧系统、变压器、低压母线及配电线路等元件的阻抗及开关电器、导线等的接触电阻和电弧电阻。,二 欧姆法计算低压电网短路电流,(一)低压电网中应计及的电阻、电抗(单
13、位均为m),1、变压器,变压器绕组的电阻折合到变压器二次侧的电阻,变压器额定负荷下的短路损耗(kW),变压器二次侧的额定电压(V),变压器额定容量(kVA),变压器阻抗,变压器电抗,2、刀开关及低压断路器触头的接触电阻,查表4-13、开关过电流线圈及多匝式互感器线圈电阻及电抗,查表4-2 电流互感器一次线圈阻抗(二次侧开路),查表4-34、长度在1015m以上的母线及电缆,查相关的附表数据,(二)三相阻抗相同的低压配电系统短路电流计算,低压侧平均电压,取400V,电源至短路点的总电阻及总电抗(m),三相短路电流周期分量有效值(kA),三相短路冲击电流及其有效值的计算:,(三)三相不接地系统中只
14、在其中一相或两相装设电流互感器,B相短路电流为:,用来校验低压断路器的最大短路容量。,AB相间或BC相间短路电流为:,用来校验电流互感器的稳定度 或相间短路保护的灵敏度。,低压电力系统三相短路电流的计算步骤,1、根据电路系统图求解从电源端变压器到短路点的各个电气设备的阻抗值,包括:变压器、母线、电缆或架空线、各种开关的接触电阻、串接在电路中的线圈(断路器过电流线圈、电流互感器一次绕组侧线圈)2、求解最严重情况下(不考虑两相或一相电流互感器线圈时)对应短路点的三相短路电流值 Ik 。3、求解考虑两相或一相电流互感器线圈 时对应短路点的三相短路电流值 Ik 。4、根据短路的电阻 R 和电抗 X ,
15、求解冲击系数 ksh 。5、求解其它短路参数:ish、Ish、Sk,例:求下图中工厂车间变电所中k(3)点的短路电流,电流互感两相接。,低压系统二相和单相短路电流计算,在发电机出口处发生短路时:,在远距离点短路时;,两相短路,单相短路,单相接地故障电流,相线与中性线之间短路的单相短路电流,第五节 不对称短路电流的计算方法,对称分量法指出,如果某组三相不对称的相量 ,可将每相的量分解为正序、负序和零序三个分量之和:即,式中,,一 、对称分量法,二、利用对称分量法分析供电系统中不对称短路,图310 用对称分量法分析供电系统的不对称短路a)供电系统不对称短路的计算图 b)正序网络 c) 负序网络 d
16、)零序网络,三序网络的方程为,三、供电系统元件的各序阻抗,(1)正序阻抗 正序阻抗即各个元件在三相对称工作时的基波阻抗值,也就是在计算三相对称短路时所采用的阻抗值。,(2)负序阻抗 因交流电路中同一静止元件相与相之间的互感抗与相序无关,故各元件的负序阻抗与正序阻抗相等,即X2=X1,如架空线、电缆、变压器和电抗器等。至于作为负荷的主要成分的感应电动机,其负序电抗可近似地认为等于它的短路电抗对其额定容量的标幺值,此值在0.20.5之间。,取为0.35。,(3)零序阻抗 供电系统各类元件各序电抗值如表3-1所示。,表3-1各类元件的平均电抗值(见教材74页),图311 双绕组变压器计算零序电抗时不
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