工厂供电(第三章).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第三章 短路电流及其计算,第一节 短路的原因、后果和形式,一,.,短路的原因,二,.,短路的后果,三,.,短路的形式,第二节 无限大容量电力系统发生短路时的物理过程和物理量,一,.,无限大电力系统及其三相短路的物理过程,二,.,短路的有关物理量,一,.,概 述,第三节 无限大容量电力系统中短路电流的计算,二,.,采用欧姆法进行三相短路计算,三,.,采用标幺制法进行三相短路计算,四,.,两相短路电流的计算,五,.,单相短路电流的计算,第四节 短路电流的效应和稳定度校验,一,.,概 述,二,.,短路电流的电动效应和动稳定度,三,.,短路电流的热效应和热稳定度,一,.,短路的原因 短路就是指不同电位的导电部分包括导电部分对地之间的低阻性短接。造成短路的原因主要有：,(1),电气设备绝缘损坏,(2),有关人员误操作,(3),鸟兽为害事故,第三章 短路电流及其计算,第一节 短路的原因、后果和形式,二,.,短路的后果,短路后，系统中出现的短路电流比正常负荷电流大得多。很大的短路电流可对供电系统造成极大的危害：,(1),短路时要产生很大的电动力和很高的温度，而使故障元件和短路电路中的其他元件受到损害和破坏，甚至引发火灾事故。,(2),短路时电路的电压骤然下降，严重影响电气设备的正常运行。,(3),短路时保护装置动作，将故障电路切除，从而造成停电,(4),严重的短路影响电力系统运行稳定性使并列运行发电机组失去同步造成系统解列。,(5),不对称短路包括单相和两相短路，其短路电流将产生较强的不平衡交流电磁场，对附近的通信线路、电子设备等产生电磁干扰，影响其正常运行，甚至使之发生误动作。,三,.,短路的形式,在三相系统中，短路的形式有三相短路、两相短路、单相短路和两相接地短路等，,图,短路的形式,三相短路 两相短路,单相短路 两相接地短路,第二节 无限大容量电力系统发生三相短路时的物理过程和物理量,一,.,无限大容量电力系统及其三相短路的物理过程,无限大容量电力系统，是指供电容量相对于用户供电系统容量大得多的电力系统。其特点是：当用户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。,图,无限大容量电力系统发生三相短路,a),三相电路图,b),等效单相电路,图,无限大容量电力系统发生三相短路时的电压、电流变动曲线,由于短路电路还存在电阻，因此短路电流非周期分量要逐渐衰减。电路内的电阻越大和电感越小，则衰减越快。,短路电流非周期分量是按指数函数衰减的，其表达式为,2.,短路电流非周期分量,短路电流非周期分量的初始绝对值为,二,.,短路有关的物理量,1.,短路电流周期分量,式中 ，为短路电流周期分量幅值，其中 为短路电路总阻抗,模,；为短路电路的阻抗角。,由于短路电路的 因此 。故短路初瞬间（,t,=0,时）的短路电流周期分量为,3.,短路全电流,短路电流周期分量与非周期分量之和，即为短路全电流。,短路全电流,的最大有效值是短路后第一个周期的短路电流有效值，用,I,sh,表示，,也,可称为短路冲击电流有效值，用下式计算,：,4.,短路冲击电流,短路冲击电流为短路全电流中的最大瞬时值。,在高压电路发生三相短路时，一般可取,K,sh,=,1.8,，因此,在,1000kVA,及以下的电力变压器和低压电路中发生三相短路时，一般可取,K,sh,=,1.3,5.,短路稳态电流,短路稳态电流是短路电流非周期分量衰减完毕以后的短路全电流，其有效值 用表示。,在无限大容量系统中，由于系统馈电母线电压维持不变，所以其短路电流周期分量有效值（习惯上用 表示）在短路的全过程中维持不变，即 。,第三节 无限大容量电力系统中短路电流的计算,一,.,概 述,短路电流计算的方法，常用的有欧姆法和标幺制法。,二,.,采用欧姆法进行三相短路计算,欧姆法又称有名单位制法，因其短路计算中的阻抗都采用有名单位,“,欧姆,”,而得名。,在无限大容量系统中发生三相短路时，其三相短路电流周期分量有效值按下式计算：,供电系统中各主要元件包括电力系统（电源）、电力变压器和电力线路的阻抗计算。,如果不计电阻，则三相短路电流周期分量有效值为,1.,电力系统的阻抗计算,电力系统的电阻相对于电抗来说很小，一般不予考虑。电力系统的电抗，可由电力系统,变电站馈电线出口断路器的断流容量 来估算。,三相短路容量为,基准电抗,X,d,则按下式计算：,下面分别讲述供电系统中各主要元件的电抗标幺值的计算（取,S,d,=100,MVA,，,U,d,=,U,c,）,(1),电力系统的电抗标幺值,(2),电力变压器的电抗标幺值,(3),电力线路的电抗标幺值,短路计算中各主要元件的电抗标幺值求出以后，即可利用其等效电路图进行电路化简，求出其总电抗标幺值 。由于各元件均采用标幺值，与短路计算点的电压无关，因此电抗标幺值无须进行电压换算，这也是标幺制法较之欧姆法优越之处。,无限大容量系统三相短路电流周期分量有效值的标幺值按下式计算,(,下式未计电阻，因标幺值制法一般用于高压电路短路计算，通常只计电抗）：,2.,电力变压器的阻抗计算,(1),变压器的电阻,R,T,可由变压器的短路损耗,P,k,近似计算。,(2),变压器的电抗,X,T,可由变压器的短路电压,U,k,%,近似地计算。,3.,电力线路的阻抗计算,(1),线路的电阻,R,WL,可由导线电缆的单位长度电阻乘以线路长度求得，即,(2),线路的电抗,X,WL,可由导线电缆的单位长度电抗乘以线路长度求得，即,式中,X,0,为导线电缆单位长度电抗，亦可查有关手册或产品样本。为线路长度。,图,三相线路的线间距离,b),水平等距排列,c),等边三角形排列,a),一般情况,三,.,采用标幺制法进行三相短路计算,任一物理量的标幺值 ，为该物理量的实际量,A,与所选定的基准值,A,d,的比值，即,按标幺制法进行短路计算时，一般是先选定基准容量,S,d,和,基准电压,U,d,。,基准容量，工程设计中通常取,S,d,=100,MVA,。,基准电压，通常取元件所在处的短路计算电压，即取,U,d,=,U,c,。,选定了基准容量和基准电压以后，基准电流,I,d,则按下式计算：,无限大容量电力系统中短路电流的算例,例1的计算电路图,例1某工厂供电系统如图所示，所有参数见图上所示，试用欧姆法求,k,1,点和,k,2,点的三相短路电流各值和短路容量。,例1的短路等值电路图,a)点短路等值电路b)点短路等值电路,解(1)求k,1,点的三相短路电流各值和短路容量：取U,c1,=10.5kV。,1)计算短路电路各元件电抗值和总电抗值,电力系统的电抗值,架空线路的电抗,绘制k,1,点的等值电路，如图所示，并计算其总电抗值,2)计算k,1,点三相短路电流和短路容量,三相短路电流周期分量有效值,三相次暂态电流和稳态短路电流,冲击短路电流计算,三相短路容量,(2)求k,2,点的三相短路电流各值和短路容量：取U,c2,=0.4kV。,1)计算短路电路各元件电抗值和总电抗值,电力系统的电抗值,架空线路的电抗,电力变压器电抗值,绘制k,2,点的等值电路，并计算其总电抗值,2)计算k2,点三相短路电流和短路容量,三相短路电流周期分量有效值,三相次暂态电流和稳态短路电流,三相短路相冲出电流,三相短路容量,3.标幺制法进行三相短路计算的方法,例2试用标幺制法计算例1工厂供电系统中,k,1,点和,k,2,点的三相短路电流和短路容量。,解(1)确定基准值：取S,d,100MV,A,、U,c1,10.5kV、U,c2,0.4kV,(2)计算短路电路中各元件电抗标幺值,1)电力系统电抗标幺值X,2)架空线路的电抗标幺值X,3)电力变压器的电抗标幺值X,(3)k,1,点总电抗标幺值及三相短路电流各值和短路容量,1)总电抗标幺值,2)三相短路电流的周期分量有效值,例2等值电路,3)其他三相短路电流,4)三相短路容量,(4)计算k,2,点的总电抗标幺值及三相短路电流各值和短路容量,1)总电抗标幺值,2)三相短路电流的周期分量有效值,3)其他三相短路电流,4)三相短路容量,四,.,两相短路电流的计算,在无限大容量系统中发生两相短路时其短路电流可由下式求得：,式中,U,c,为短路点的短路计算电压（线电压）。,图,无限大容量电力系统中发生两相短路,如果只计电抗，则两相短路电流为,关于两相短路电流与三相短路电流的关系，可由 求得，因,，故,五,.,单相短路电流的计算,在大接地电流的电力系统中或三相四线制系统中发生单相短路时,根据对称分量法可求得,其单相短路电流为,式中 为电源相电压；为单相短路回路的正序、负序和零序阻抗。,在工程设计中，常利用下式计算单相短路电流,式中 为电源相电压；为单相短路的阻抗,模,，可查有关手册，或按下式计算：,式中,分别为变压器单相的等效电阻和电抗；分别为相线与,N,线或与,PE,线、,PEN,线的短路回路电阻和电抗，,由于远离发电机发生短路时，,Z,0,Z,1,，因此,由此可知，在远离发电机的无限大容量系统中短路时，两相短路电流和单相短路电流都比,三相短路电流小，因此用于选择电气设备选择校验的短路电流，应该采用三相短路电流。两,相短路电流主要用于相间短路保护的灵敏度校验，单相短路电流则主要用于单相短路热稳定,度的校验。,第四节 短路电流的效应和稳定度校验,一,.,短路电流的电动效应和动稳定度,要使电路元件能承受短路时最大电动力的作用，电路元件必须具有足够的电动稳定度。,(,一,),短路时的最大电动力,由于三相短路冲击电流 与两相短路冲击电流 有下列关系：,，因此三相短路与两相短路产生的最大电动力之比为,如果三相线路中发生三相短路，则三相短路冲击电流 在中间相产生的电动力最大，其,值（单位为,N,）为,(,二,),短路动稳定度的校验条件,1.,一般电器的动稳定度校验条件,按下列公式校验：,2.,绝缘子的动稳定度条件,按下列公式校验：,3.,硬母线的动稳定度校验条件,按下列公式校验：,式中,M,为母线通过 时所受到的弯曲力矩；当母线档数为,12,时，,当母线档数大于,2,时，,图,水平排列的母线,a),平放,b),竖放,三,.,短路电流的热效应和热稳定度,(,一,),短路时导体的发热过程和发热计算,导体通过正常负荷电流时，由于导体具有电阻会产生电能损耗。电能损耗转化为热能，一方面使导体温度升高，另一方面向周围介质散热。当导体内产生的热量与向周围介质散发的热量相等时，导体就维持在一定的温度值。,当线路发生短路时，短路电流将使导体温度迅速升高。由于短路后线路的保护装置很快动作，切除短路故障，所以短路电流通过导体的时间不长，通常不超过,2,3s,。因此在短路过程中，可不考虑导体向周围介质的散热，即近似地认为导体在短路时间内是与周围介质绝热的，短路电流在导体中产生的热量，全部用来使导体的温度升高。,图,短路前后导体的温度变化,如果导体和电器在短路时的发热温度不超过允许温度，则应认为导体和电器是满足短路热稳定度要求的。,要确定导体短路后实际达到的最高温度 ，按理应先求出短路期间实际的短路全电流 或 在导体中产生的热量 。但是 和 都是幅值变动的电流，要计算其 是相当困难的，因此一般是采用一个恒定的短路稳态电流 来等效计算实际短路电流所产生的热量。,短路发热假想时间可由下式近似地计算：,由于通过导体的短路电流实际上不是 ，因此假定一个时间，在此时间内，设导体通过 所产生的热量，恰好与实际短路电流 或 在实际短路时间 内所产生的热量相等。这一假定的时间，称为短路发热的假想时间也称热效时间，用 表示，如图所示。,图,短路发热假想时间,在无限大容量系统中发生短路时，由于 ，因此,s,s,当,s,时，可以认为,。,实际短路电流通过导体在短路时间内产生的热量为,根据这一热量 可计算出导体在短路后所达到的最高温度 在工程设计中，通常是利用图所示曲线来确定 。该曲线的横坐标用导体加热系数,K,来表示，纵坐标表示导体发热温度 。,：,图,由,L,查,k,的曲线,图,用来确定,k,的曲线,如前所述，要确定导体的,k,比较麻烦，因此也可根据短路热稳定度的要求来确定其最小允许截面,。最小允许截面,(mm,2,),为,式中,k,max,为导体短路时的最高允许温度。,2.,母线及绝缘导线和电缆等导体的热稳定度校验条件,式中,I,(3),为三相短路稳态电流（,A,）；,C,为导体的热稳定系数。,(,二,),短路热稳定度的校验条件,1.,一般电器的热稳定度校验条件,式中,I,t,为电器的热稳定电流；,t,为电器的热稳定试验时间。,以上,I,t,和,t,可查有关手册或产品样本。常用高压断路器的,I,t,和,t,可查附录表,8,。,