1.7電力系統(tǒng)短路

電力系統(tǒng)正常運(yùn)行方式的破壞，絕大多數(shù)是由短路故障引起的。

一、短路的一般概念

（一）短路的定義

短路是指一切不正常的相線與相線之間，中性點(diǎn)接地系統(tǒng)中相線與地之間通過電弧或其他較小阻抗的導(dǎo)電物體相連的一種非正常連接。（二）短路的類型

在三相四線制、三相三線制供電系統(tǒng)中，短路的基本類型有：

1、三相短路：5%

2、二相短路：10%～15%

3、二相接地短路：10%～20%

4、單相接地短路：65%～70%以上四種，除第一種為對稱短路，其余為不對稱短路。單相短路占絕大多數(shù)；三相短路的機(jī)會較少,但后果較嚴(yán)重。所以常以三相短路作為選擇電氣設(shè)備的依據(jù)。（三）短路的原因1、設(shè)備原因：<1>設(shè)備選擇不合理，安裝不合理，長期運(yùn)行，載流體老化、變質(zhì)；<2>長期、長時間過電流、過電壓，引起絕緣損壞；<3>設(shè)備維修不周，不及時，輸電線路斷線、倒桿等。2、人為原因：<1>運(yùn)行工作人員的誤操作（占短路故障的70%以上）；<2>機(jī)修人員的誤接線；<3>人為的破壞；3、自然原因:<1>雷擊造成短時間的短路；<2>動物跨接導(dǎo)線.。（四）

短路的危害

(1)網(wǎng)絡(luò)的總阻抗大大減小，線路電流成倍增加，損壞絕緣。(2)引起網(wǎng)絡(luò)發(fā)電機(jī)的出口電壓降低，用戶的正常供電被破壞，短路點(diǎn)的電壓在短路時電壓近似為零。（3）電動力效應(yīng):在導(dǎo)體間產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力，可能使導(dǎo)體和它們的支架遭到破壞。（4）發(fā)熱效應(yīng):短路電流使設(shè)備發(fā)熱增加，短路持續(xù)時間較長時，設(shè)備可能過熱以致?lián)p壞。（5）故障點(diǎn)往往有電弧產(chǎn)生，可能燒壞故障元件，也可能殃及周圍設(shè)備.（6）如果短路發(fā)生地點(diǎn)離電源不遠(yuǎn)而又持續(xù)時間較長，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定，造成大片停電。（五）短路的防止（1）改進(jìn)設(shè)計方法留有余額；（2）及時檢修更換設(shè)備；（3）提高運(yùn)行人員的水平，減少誤操作和誤接線等；（4）采用限制短路電流設(shè)備，改進(jìn)繼電保護(hù)裝置。二、

短路電流變化過程

（一）有無限大容量電源供電的電路三相短路電流的變化過程

短路故障對電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的影響很大，所造成的后果也十分嚴(yán)重，因此在系統(tǒng)的設(shè)計、設(shè)備選擇以及系統(tǒng)運(yùn)行中，都應(yīng)著眼于防止短路故障的發(fā)生，以及在短路故障發(fā)生后要盡量限制所影響的范圍。

1、無限大容量電源

所謂無限大容量電源，是指當(dāng)電力系統(tǒng)的電源距短路點(diǎn)的電氣距離較遠(yuǎn)時，電源內(nèi)阻抗(如多電源并聯(lián)）ZF遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于外電路的等值阻抗Z∑時，由短路而引起的電源母線電壓Um變動較小，可近似認(rèn)為常數(shù)，則稱該電源為無限大容量電源，及

S=∞;

Z=0;Um=常數(shù).

ZFZ∑Umsinωt～

這樣作為“無限大”系統(tǒng)處理，所計算出的短路電流比實際的略大，但一般不會影響電氣設(shè)備的選型。另外，在短路電流計算時，（1）在缺乏必要的系統(tǒng)數(shù)據(jù)的情況下；（2）在等值電源內(nèi)阻抗不超過短路回路總阻抗的5%～10%時，都可以認(rèn)為短路回路所接的電源是無限大容量的電源。無限大容量電源的特點(diǎn)是：（1）在短路過程中無限大容量電源的頻率是恒定的。（2）在短路過程中無限大容量電源的端電壓也是恒定的。（3）電壓恒定的電源，內(nèi)阻抗必然等于零。因此可以認(rèn)為無限大容量電源的內(nèi)電抗ZF=0（在短路電流計算時，當(dāng)ZF＜（5%～10%）Z∑時都可以如此考慮）。

2、短路電流波形圖無限大容量電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路時的等值電路圖

－

L

R～KUm

無限大容量電力系統(tǒng)突然發(fā)生三相短路時，根據(jù)電路理論，電路的方程式為IdZ=R+jXL----------------從電源到短路點(diǎn)的每相等值阻抗式中：id---突然短路電流的瞬時值；

Ψσu---短路發(fā)生時電源電壓相位角

φ

---

電流滯后電壓的相位角。求解方程上式所表示的短路電流的變化波形如圖所示。當(dāng)電源電壓的相位角Ψσu=φ

-π/2及φ

=л/2時無限大電源供電電路內(nèi)三相短路電流變化曲線

從圖中和變化曲線中可以看出：

1、第一項稱為短路電流的穩(wěn)態(tài)分量，由于該分量是一個幅值不變的正弦電流，故又稱為周期分量。

2、第二項稱為短路電流的暫態(tài)分量，由于該分量是一個指數(shù)規(guī)律衰減的直流分量，故又稱為非周期分量。一般在幾個周期后就結(jié)束。

無限大電源供電電路內(nèi)三相短路電流變化曲線

3、在圖中可看出，當(dāng)相位角Ψσu=φ

-π/2時，短路電流的暫態(tài)分量最大，此時短路電流達(dá)到最大值，此電流稱為短路沖擊電流，用ich表示，約在短路后半個周期。

ich——短路沖擊電流，約在短路后半個周期即0.01s時出現(xiàn)，根據(jù)上式求得式中：Kch-----短路電流的沖擊系數(shù).一般在高壓網(wǎng)絡(luò)內(nèi)短路時，Kch=1.8，相應(yīng)可得Id-----短路電流周期分量的有效值；Id——短路電流周期分量的有效值。5、在短路的暫態(tài)過程結(jié)束后即進(jìn)入短路的穩(wěn)定狀態(tài)，這是的短路電流稱為短路電流穩(wěn)定分量（穩(wěn)態(tài)短路電流），其有效值用I∞表示。穩(wěn)態(tài)短路電流有效值用I∞4、從短路發(fā)生到短路電流的暫態(tài)分量衰減結(jié)束的這段時間，稱為短路的過渡過程（暫態(tài)過程）。關(guān)于有限量電源和有自動調(diào)節(jié)勵磁裝置的發(fā)電機(jī)三相短路電流的變化過程和短路電流變化曲線見書的圖1-21和圖1-22

從圖1-21短路變化曲線可以看出：

有限容量電源與無限大容量系統(tǒng)供電電路內(nèi)發(fā)生短路的主要區(qū)別是

1、發(fā)生短路時，發(fā)電機(jī)的端電壓在整個短路的暫態(tài)過程中是一個變化值；

2、短路電流周期分量的幅值和有效值也是隨發(fā)電機(jī)的端電壓的變化而變化的。

從圖1-22短路變化曲線可以看出：具有自動勵磁裝置的發(fā)電機(jī)三相短路電流短路的變化特點(diǎn)1、發(fā)生短路時，發(fā)電機(jī)的端電壓在整個短路的暫態(tài)過程中是一個變化值，由大→小→大；2、短路電流周期分量的幅值和有效值也是隨發(fā)電機(jī)的端電壓的變化而變化的；最初幾個周波是減少，以后隨著自動勵磁裝置的作用逐步增大，最后過度到穩(wěn)定值。

3、穩(wěn)態(tài)短路電流計算復(fù)雜，工程實際中，通常采用“運(yùn)算曲線”來解決。（一）短路電流計算的目的為保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行（1）電氣主接線方案的比較和選擇要籌建一變電所時，首先的問題就是要擬定變電所的電氣主接線。（2）電氣設(shè)備和載流導(dǎo)體選擇電氣設(shè)備的選擇不僅要滿足正常運(yùn)行狀態(tài)時的要求，還要保證該設(shè)備在運(yùn)行過程中能夠經(jīng)受住突發(fā)短路引起的發(fā)熱和電動力的巨大沖擊。（3）繼電保護(hù)裝置的整定需要準(zhǔn)確的短路電流數(shù)據(jù)（4）接地裝置的設(shè)計（5）系統(tǒng)運(yùn)行故障情況的分析等三、

短路電流的計算（3）在高壓系統(tǒng)中，只計算電抗X，而各元件的電阻R略去不計，（但在計算短路電流的衰減時間常數(shù)或1KV以下低壓系統(tǒng)的短路電流計算時應(yīng)計入電阻的作用）。（4）輸電線路的電容忽略不計。

（二）短路電流實用計算的基本假設(shè)條件短路過程是一個暫態(tài)過程，影響電力系統(tǒng)暫態(tài)過程的因數(shù)很多，若都以考慮，十分復(fù)雜。在滿足工程要求的前提下，為了簡化計算采取一些合理的假設(shè)，及用近似的計算方法進(jìn)行短路電流的計算。（1）系統(tǒng)在正常運(yùn)行時是三相對稱的（以三相對稱短路來計算）。（2）系統(tǒng)各元件的磁路不飽和，即各元件的電抗值為一常數(shù)。所以在計算中可以應(yīng)用疊加原理。（5）變壓器的勵磁電流略去不計，相當(dāng)于勵磁阻抗回路斷開，這樣可以簡化變壓器的等值電路。（6）電力系統(tǒng)中所有發(fā)電機(jī)電勢的相位在短路過程中都相同，發(fā)電機(jī)之間無電流交換，發(fā)電機(jī)輸出電流全部流入短路點(diǎn)。不考慮短路過程中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間搖擺現(xiàn)象對短路電流的影響。

在作這些基本假設(shè)后，計算誤差不超過10%-15%.（三）短路電流的實用計算方法

短路電流的計算通常有：有名值和標(biāo)么值法1、計算短路電流的標(biāo)么值法只有3%，故采用標(biāo)么值進(jìn)行計算要比有名值計算方便。在低壓系統(tǒng)短路計算中，由于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)簡單，多采用有名值計算。（1）標(biāo)么值（又稱相對單位制）在高壓系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)的電源容量規(guī)格多，電壓等級多，接線復(fù)雜，計算時只考慮電抗X，而不計R。一般R≤X/3例：發(fā)電機(jī)電壓10.5KV，選取基準(zhǔn)值10KV，則發(fā)電機(jī)電壓的標(biāo)么值為？標(biāo)么值用大寫字母加下標(biāo)＊。如電抗標(biāo)么值X＊,電流標(biāo)么值I＊

，功率標(biāo)么值S＊。為什么要采用標(biāo)么值？電力系統(tǒng)各物理量及參數(shù)都是帶量綱的數(shù)值。(1)標(biāo)么值是各物理量及參數(shù)的相對值，是不帶量綱的值。電力系統(tǒng)由許多發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路等元件組成，它們分別接入不同電壓等級的電網(wǎng)中，當(dāng)(2)用有名值計算電流計短路電流時，各元件各接入點(diǎn)的物理量及參數(shù)必須折算成同一點(diǎn)的有名值進(jìn)行計算，很不方便。但用標(biāo)么值來進(jìn)行計算，則不論各元件及計算點(diǎn)位于那一電壓等級的，均可將它們的物理量與參數(shù)標(biāo)么值直接用于計算。（2）標(biāo)么值的優(yōu)點(diǎn)<1>在三相電路中,標(biāo)么值相量(相電壓、相電流)等于線量（線電壓、線電流）;對稱三相電路完全可以按單相電路的標(biāo)幺值進(jìn)行計算，與三相系統(tǒng)的連接方式（△或Υ）無關(guān)。<2>三相功率和單相功率的標(biāo)么值相同。<3>三相電路的標(biāo)么值歐姆定律為U*=I*X*，功率方程為S*=U*I*,與單相電路的相同。<4>當(dāng)電網(wǎng)的電源電壓為額定值時(即U*=1)，功率標(biāo)么值與電流標(biāo)么值相等，且等于電抗標(biāo)么值的倒數(shù)，即

<5>兩個標(biāo)么基準(zhǔn)值相加或相乘，仍得同基準(zhǔn)的標(biāo)么基準(zhǔn)值。由于上述特點(diǎn)，用標(biāo)么值計算短路電流可使計算簡便，且結(jié)果明顯，便于迅速及時地判斷計算結(jié)果的正確性。（3）基準(zhǔn)值的選擇

通常選擇設(shè)備的額定值作為基準(zhǔn)值。一般先選擇視在功率和電壓的基準(zhǔn)值，其他的基準(zhǔn)值就可得到。

基準(zhǔn)電壓：選擇網(wǎng)絡(luò)的平均額定電壓為基準(zhǔn)電壓。一般取Uj=1.05UN基準(zhǔn)容量：可以選擇100MVA或系統(tǒng)短路容量。求出各量的基準(zhǔn)值，就可以很方便的求出相應(yīng)的標(biāo)么值。常用的基準(zhǔn)值見表1-5（P37）（4）電力系統(tǒng)中各量的標(biāo)么值（5）電力系統(tǒng)各主要元件的電抗標(biāo)么值在三相短路電流的實用計算中，發(fā)電機(jī)的x”d，x”.d(N)

查設(shè)計手冊得到。

發(fā)電機(jī)及其等值電路（a）發(fā)電機(jī)；（b）等值電路

<1>發(fā)電機(jī)(同步電動機(jī)）電抗標(biāo)幺值x”.d(N)------發(fā)電機(jī)額定次暫態(tài)電抗，x”d------發(fā)電機(jī)的電抗為次暫態(tài)電抗；

<2>變壓器電抗標(biāo)么值

①雙繞組變壓器電抗標(biāo)么值

式中:SN──變壓器的額定容量，kVA；

UK%──變壓器短路電壓的百分值(變壓器的額定參數(shù))。雙繞組變壓器及其等值電路三繞組變壓器和自耦變壓器以及它們的等值電路②多繞組變壓器電抗標(biāo)么值有各繞組間的短路電壓百分比，求出每個繞組的等值電抗百分比。三繞組變壓器各對繞組間的短路電壓百分比根據(jù)變壓器型號查手冊可以得到。

有個繞組的等值電抗短路電壓百分比求出以Sj、Uj為基準(zhǔn)的各繞組等值電抗標(biāo)么值。

<3>架空、電纜線路電抗標(biāo)么值式中──線路單位長度的電抗值，

/km，可查找有關(guān)線路參數(shù)；──線路長度，km；

──線路平均（基準(zhǔn)）電壓，kV。

<4>電抗器電抗標(biāo)么值電抗器的百分比電抗（）是以電抗器額定工作電壓和額定工作電流為基準(zhǔn)的，它歸算到新的基準(zhǔn)下的公式為

式中──電抗器的額定電壓，kV；──電抗器的額定電流，kA；──電抗器的百分阻抗值。

例：如圖所示，選取，求圖中各元件的電抗標(biāo)么值(四）短路電流的計算任務(wù)短路電流的計算任務(wù)就是通過短路電流的計算得到

1、短路電流周期分量的有效值Id2、短路沖擊電流（最大值)ich或由上式從而得3、短路電流穩(wěn)態(tài)有效值I∞4、次暫態(tài)短路電流有效值(短路發(fā)生第一周期內(nèi)短路電流周期分量的有效值）5、短路電流全電流有效值Ich;6、短路功率（五）異步電動機(jī)對計算沖擊短路電流的影響

在短路點(diǎn)出接有大于100千瓦以上異步電動機(jī)時，在系統(tǒng)中發(fā)生短路時，不但系統(tǒng)向短路點(diǎn)提供短路電流，而且異步電動機(jī)也會向短路點(diǎn)供給短路電流。這一電流只對短路沖擊電流有較大的影響。所以，在計算短路沖擊電流時，要考慮異步電動機(jī)向短路點(diǎn)所供給電流的影響。所以，短路電流計算的步驟是：（1）根據(jù)已知網(wǎng)絡(luò)和各元件參數(shù)，求各元件的阻抗標(biāo)么值（2)根據(jù)線性電路的運(yùn)算法則，化簡網(wǎng)絡(luò)（對短路點(diǎn)），計算出從短路點(diǎn)到電源之間的短路阻抗的標(biāo)么值X*∑.例：如圖所示，選取，求圖中各元件的電抗標(biāo)么值=0.216

=0.33=0.52（3）并繪出等值網(wǎng)絡(luò)圖繪制等值網(wǎng)絡(luò)圖時：應(yīng)根據(jù)各短路點(diǎn)分別繪出，圖中各元件用各自等值電抗的標(biāo)么值表示，用分?jǐn)?shù)形式標(biāo)注元件順序編號和電抗標(biāo)么值，分子為序號，分母為電抗標(biāo)么值～S=∞X=0115KVL=70KMXL=0.4Ω/KMUK(%)=10.5SN=15MVA115KV6.3KVd1d2例題：如圖無限大系統(tǒng)，用標(biāo)么值法計算110KV輸電線末端（d1點(diǎn)）和變電站出線（d2點(diǎn)）發(fā)生三相短路時的短路電流Id、短路沖擊電流ich和短路功率Sd.解：（1）取Sj=15MVA,Uj=Upj,對各元件電抗進(jìn)行計算?！玈=∞X=0115KVL=70KMXL=0.4Ω/KMUK(%)=10.5SN=15MVA115KV6.3KVd1d2d1d2G(2)畫出等值網(wǎng)絡(luò)圖：(3)根據(jù)等值網(wǎng)絡(luò)圖，計算短路電流。①d1點(diǎn)短路時的短路電流計算1、短路電流的標(biāo)么值2、短路電流的用名值3、沖擊短路電流的有名值4、短路功率的有名值5、短路