2019-01-24 17:00:40

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短路电流 short-circuit current 电力系统在运行中 ,相与相之间或相与地(或中性线)之间发生非正常连接(即短路)时流过的电流。其值可远远大于额定电流 ,并 取决于短 路点距电源的电气距离。例如,在发电机端发生短路时,流过发电机的短路电流最大瞬时值可达额定电流的10~15倍。大容量电力系统中,短路电流可达数万安。这会对电力系统的正常运行造成严重影响和后果。

基本信息

  • 中文名

    短路电流

  • 外文名

    short-circuit current

  • 短路分类

    三相短路,两相短路

  • 领域

    物理学

折叠 编辑本段 电流分类

三相系统中发生的短路有 4 种基本类型:三相短路,两相短路,单相对地短路和两相对地短路。其中,除三相短路时,三相回路依旧对称,因而又称对称短路外,其余三类均属不对称短路。在中性点接地的电力网络中,以一相对地的短路故障最多,约占全部故障的90%。在中性点非直接接地的电力网络中,短路故障主要是各种相间短路。

发生短路时,电力系统从正常的稳定状态过渡到短路的稳定状态,一般需3~5秒。在这一暂态过程中,短路电流的变化很复杂。它有多种分量,其计算需采用电子计算机。在短路后约半个周波(0.01秒)时将出现短路电流的最大瞬时值,称为冲击电流。它会产生很大的电动力,其大小可用来校验电工设备在发生短路短路电流相关示意图短路电流相关示意图时机械应力的动稳定性。短路电流的分析、计算是电力系统分析的重要内容之一。它为电力系统的规划设计和运行中选择电工设备、整定继电保护、分析事故提供了有效手段。

供电网络中发生短路时,很大的短路电流会使电器设备过热或受电动力作用而遭到损坏,同时使网络内的电压大大降低,因而破坏了网络内用电设备的正常工作。为了消除或减轻短路的后果,就需要计算短路电流,以正确地选择电器设备、设计继电保护和选用限制短路电流的元件。

折叠 编辑本段 计算目的

计算短路电流的目的是为了限制短路的危害和缩小故障的影响范围。在变电所和供电系统的设计和运行中,基于如下用途必须进行短路电流的计算:

⑴选择电气设备和载流导体,必须用短路电流校验其热稳定性和动稳定性。

⑵选择和整定继电保护装置,使之能正确的切除短路故障。

⑶确定合理的主接线方案、运行方式及限流措施。

⑷保护电力系统的电气设备在最严重的短路状态下不损坏,尽量减少因短路故障产生的危害。[1]

折叠 编辑本段 计算条件

⒈假设系统有无限大的容量.用户处短路后,系统母线电压能维持不变.即计算阻抗比系统阻抗要大得多.

具体规定: 对于3~35KV级电网中短路电流的计算,可以认为110KV及以上的系统的容量为无限大.只要计算35KV及以下网络元件的阻抗.

⒉在计算高压电器中的短路电流时,只需考虑发电机、变压器、电抗器的电抗,而忽略其电阻;对于架空线和电缆,只有当其电阻大于电抗1/3时才需计入电阻,一般也只计电抗而忽略电阻.

⒊短路电流计算公式或计算图表,都以三相短路为计算条件.因为单相短路或二相短路时的短路电流都小于三相短路电流.能够分断三相短路电流的电器,一定能够分断单相短路电流或二相短路电流.

折叠 编辑本段 简化计算法

即使设定了一些假设条件,要正确计算短路电流还是十分困难,对于一般用户也没有必要.一些设计手册提供了简化计算的图表.省去了计算的麻烦.用起来比较方便.但要是手边一时没有设计手册怎么办?下面介绍一种 "口诀式"的计算方法,只要记牢7句口诀,就可掌握短路电流计算方法.

在介绍简化计算法之前必须先了解一些基本概念.

折叠 主要参数

Sd三相短路容量 (MVA)简称短路容量校核开关分断容量

Id三相短路电流周期分量有效值(KA)简称短路电流校核开关分断电流

和热稳定

IC三相短路第一周期全电流有效值(KA) 简称冲击电流有效值校核动稳定

ic三相短路第一周期全电流峰值(KA) 简称冲击电流峰值校核动稳定

x电抗(Ω)

其中系统短路容量Sd和计算点电抗x 是关键.

折叠 标幺值

计算时选定一个基准容量(Sjz)和基准电压(Ujz).将短路计算中各个参数都转化为和该参数的基准量的比值(相对于基准量的比值),称为标幺值(这是短路电流计算最特别的地方,目的是要简化计算).

⑴基准

基准容量 Sjz =100 MVA

基准电压 UJZ规定为8级. 230,115,37,10.5,6.3,3.15,0.4,0.23 KV

有了以上两项,各级电压的基准电流即可计算出,例: UJZ (KV)37 10.5 6.3 0.4

因为 S=1.73*U*I 所以 IJZ (KA)1.56 5.5 9.16 144

⑵标么值计算

容量标幺值 S* =S/SJZ.例如:当10KV母线上短路容量为200 MVA时,其标么值容量

S* = 200/100=2.

电压标幺值 U*= U/UJZ ; 电流标幺值 I* =I/IJZ

(3)无限大容量系统三相短路电流计算公式

短路电流标幺值: I*d = 1/x* (总电抗标么值的倒数).

短路电流有效值: Id= IJZ* I*d=IJZ/ x*(KA)

冲击电流有效值: IC = Id *√1+2 (KC-1)2 (KA)其中KC冲击系数,取1.8

所以 IC =1.52Id

冲击电流峰值: ic =1.41* Id*KC=2.55 Id (KA)

当1000KVA及以下变压器二次侧短路时,冲击系数KC,取1.3

这时:冲击电流有效值IC =1.09*Id(KA)

冲击电流峰值: ic =1.84 Id(KA)

掌握了以上知识,就能进行短路电流计算了.公式不多,又简单.但问题在于短路点的总电抗如何得到?例如:区域变电所变压器的电抗、输电线路的电抗、企业变电所变压器的电抗,等等.

一种方法是查有关设计手册,从中可以找到常用变压器、输电线路及电抗器的电抗标幺值.求得总电抗后,再用以上公式计算短路电流; 设计手册中还有一些图表,可以直接查出短路电流.

下面介绍一种 "口诀式"的计算方法,只要记牢7句口诀,就可掌握短路电流计算方法.

折叠 编辑本段 口诀算法

折叠 系统电抗

系统电抗,百兆为一。容量增减,电抗反比。100除系统容量

例:基准容量 100MVA。当系统容量为100MVA时,系统的电抗为XS*=100/100=1

当系统容量为200MVA时,系统的电抗为XS*=100/200=0.5

当系统容量为无穷大时,系统的电抗为XS*=100/∞=0

系统容量单位:MVA

系统容量应由当地供电部门提供。当不能得到时,可将供电电源出线开关的开断容量

作为系统容量。如已知供电部门出线开关为W-VAC 10KV 2000A 额定分断电流为40KA。则可认为系统短路电流相关示意图短路电流相关示意图容量S=1.73*40*10000V=692MVA,系统的电抗为XS*=100/692=0.144。

折叠 变压器

110KV:10.5除变压器容量

35KV:7除变压器容量

6~10KV:4.5除变压器容量。

例:一台35KV 3200KVA变压器的电抗X*=7/3.2=2.1875

一台10KV 1600KVA变压器的电抗X*=4.5/1.6=2.813

变压器容量单位:MVA

这里的系数10.5,7,4.5 实际上就是变压器短路电抗的%数。不同电压等级有不同的值。

折叠 电抗器

电抗器的额定电抗除额定容量再打九折。

例:有一电抗器 U=6KV I=0.3KA 额定电抗 X=4%。

额定容量 S=1.73*6*0.3=3.12 MVA. 电抗器电抗X*={4/3.12}*0.9=1.15

电抗器容量单位:MVA

折叠 架空线

架空线:6KV,等于公里数;10KV,取1/3;35KV,取 3‰例:10KV 6KM架空线。架空线路电抗X*=6/3=2

折叠 电缆

按架空线再乘0.2。

例:10KV 0.2KM电缆。电缆电抗X*={0.2/3}*0.2=0.013。

这里作了简化,实际上架空线路及电缆的电抗和其截面有关,截面越大电抗越小。

折叠 短路容量

电抗加定,去除100。

例:已知短路点前各元件电抗标幺值之和为 X*∑=2,则短路点的短路容量

Sd=100/2=50 MVA。

短路容量单位:MVA

折叠 短路电流

0.4KV,150除电抗

6KV:9.2除电抗

10KV:5.5除电抗

35KV:1.6除电抗

110KV,0.5除电抗

例:已知一短路点前各元件电抗标幺值之和为 X*∑=2,短路点电压等级为6KV,

则短路点的短路电流 Id=9.2/2=4.6KA。

短路电流单位:KA

折叠 短路冲流

1000KVA及以下变压器二次侧短路时:冲击电流有效值Ic=Id,冲击电流峰值ic=1.8Id

1000KVA以上变压器二次侧短路时:冲击电流有效值Ic=1.5Id,冲击电流峰值ic=2.5Id

例:已知短路点{1600KVA变压器二次侧}的短路电流 Id=4.6KA,

则该点冲击电流有效值Ic=1.5Id,=1.5*4.6=7.36KA,冲击电流峰值ic=2.5Id=2.5*4.6=11.5KA。

可见短路电流计算的关键是算出短路点前的总电抗{标么值}.但一定要包括系统电抗

ANSI/IEEE 标准短路电流计算相关标准:

以ANSI/IEEE 和UL标准为依据进行短路电流计算大致有如下标准:

标准

名称

IEEE C37.04

IEEE C37.04f

IEEE C37.04g

IEEE C37.04h

IEEE C37.04i

IEEE C37.04

对称电流的交流高压回路断路器恒定结构标准和附录

IEEE C37.010

IEEE C37.010b

IEEE C37.010e

IEEE C37.010

交流高压回路断路器在对称电流基础上的应用指南和附录

IEEE C37.013

交流高压发电机回路断路器在对称电流基础上的额定值标准

IEEE C37.20.1

金属闭合低压电力断路器开关盒标准

IEEE Std 399

电力系统分析- 棕皮书

IEEE Std 141

工网电力配电系统的红皮书

IEEE Std 242

IEEE 推荐的商业电力系统工业配置和保护实例的黄皮书

UL 489_9

浇铸型回路断路器、浇铸型开关和回路断路器外壳的安全标准

短路电流相关示意图短路电流相关示意图

折叠 编辑本段 危害

电力系统中出现短路故障时,系统功率分布的忽然变化和电压的严重下降,可能破坏各发电厂并联运行的稳定性,使整个系统解列,这时某些发电机可能过负荷,因此,必须切除部分用户。短路时电压下降的愈大,持续时间愈长,破坏整个电力系统稳定运行的可能性愈大。短路电流的限制措施为保证系统安全可靠地运行,减轻短路造成的影响,除在运行维护中应努力设法消除可能引起短路的一切原因外,还应尽快地切除短路故障部分,使系统电压在较短的时间内恢复到正常值。

折叠 编辑本段 防范措施

一是做好短路电流的计算,正确选择及校验电气设备,电气设备的额定电压要和线路的额定电压相符。

二是正确选择继电保护的整定值和熔体的额定电流,采用速断保护装置,以便发生短路时,能快速切断短路电流,减少短路电流持续时间,减少短路所造成的损失。

三是在变电站安装避雷针,在变压器四周和线路上安装避雷器,减少雷击损害。

四是保证架空线路施工质量,加强线路维护,始终保持线路弧垂一致并符合规定。

五是带电安装和检修电气设备,注重力要集中,防止误接线,误操作,在带电部位距离较近的部位工作,要采取防止短路的措施。

六是加强治理,防止小动物进入配电室,爬上电气设备。

七是及时清除导电粉尘,防止导电粉尘进入电气设备。

八是在电缆埋设处设置标记,有人在四周挖掘施工,要派专人看护,并向施工人员说明电缆敷设位置,以防电缆被破坏引发短路。

九是电力系统的运行、维护人员应认真学习规程,严格遵守规章制度,正确操作电气设备,禁止带负荷拉刀闸、带电合接地刀闸。线路施工,维护人员工作完毕,应立即拆除接地线。要经常对线路、设备进行巡视检查,及时发现缺陷,迅速进行检修。

参考资料
  • 1. 方春恩,梁鸣华,庞力,李伟,任晓,张彼德 - 断路器相控开断短路电流智能控制装置研究[J]. 电力系统保护与控制,2 - 《电力系统保护与控制》编辑部 . 23.

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