电力系统短路分析无穷大系统

1、2021/6/91 主讲：主讲： 电力工程基础电力工程基础 2021/6/92 第第5 5章章 电力系统短路计算电力系统短路计算 n第一节第一节 电力系统短路故障电力系统短路故障 n第二节第二节 标幺值标幺值 n第三节第三节 无限容量系统三相短路电流计算无限容量系统三相短路电流计算 n第四节第四节 有限容量系统三相短路电流的实用计算有限容量系统三相短路电流的实用计算 n第五节第五节 不对称短路故障的分析计算不对称短路故障的分析计算 n第六节第六节 电动机对短路冲击电流的影响电动机对短路冲击电流的影响 n第七节第七节 低压电网短路电流计算低压电网短路电流计算 2021/6/93 第一节第一节 电

2、力系统短路故障电力系统短路故障 n一、短路的原因及其后果一、短路的原因及其后果 n二、短路的类型二、短路的类型 n三、短路计算的目的和简化假设三、短路计算的目的和简化假设 2021/6/94 第一节第一节 电力系统短路故障电力系统短路故障 短路的概念 所谓短路，是指电力系统除正常情况以外的一切 相与相之间或相与地之间的“短接”。 在电力系统正常运行时，除中性点外，相与相或 相与地之间是绝缘的。如果由于某种原因使其绝缘破 坏而产生了通路，我们就称电力系统发生了短路故障。 2021/6/95 一、短路的原因及其后果一、短路的原因及其后果 n1 1发生短路的原因发生短路的原因 q（1 1）电气设备及

3、载流导体因绝缘老化、机械损伤、雷击过）电气设备及载流导体因绝缘老化、机械损伤、雷击过 电压造成的绝缘损坏；电压造成的绝缘损坏； q（2 2）运行人员违反安全规程误操作，如带负荷拉隔离刀闸，）运行人员违反安全规程误操作，如带负荷拉隔离刀闸， 设备检修后遗忘拆除临时接地线而误合刀闸等均会造成短路；设备检修后遗忘拆除临时接地线而误合刀闸等均会造成短路； q（3 3）电气设备因设计、安装及维护不良所导致的设备缺陷）电气设备因设计、安装及维护不良所导致的设备缺陷 引发的短路；引发的短路； q（4 4）鸟兽跨接在裸露的载流部分以及风、雪、雹等自然灾）鸟兽跨接在裸露的载流部分以及风、雪、雹等自然灾 害也会造

4、成短路。害也会造成短路。 2021/6/96 短路对电力系统正常运行和电气设备有很大的危短路对电力系统正常运行和电气设备有很大的危 害。害。 在发生短路时，由于供电回路的阻抗减小以在发生短路时，由于供电回路的阻抗减小以 及突然短路时的暂态过程，使短路点及其附近设及突然短路时的暂态过程，使短路点及其附近设 备流过的短路电流值大大增加，可能超过该回路备流过的短路电流值大大增加，可能超过该回路 额定电流许多倍。短路点距发电机的电气距离愈额定电流许多倍。短路点距发电机的电气距离愈 近（即阻抗愈小），短路电流愈大。近（即阻抗愈小），短路电流愈大。 2021/6/97 n2 2短路电流造成的后果短路电流造

5、成的后果 q（1 1）短路电流的热效应会使设备发热急剧增加，）短路电流的热效应会使设备发热急剧增加， 可能导致设备过热而损坏甚至烧毁；可能导致设备过热而损坏甚至烧毁； q（2 2）短路电流将在电气设备的导体间产生很大的）短路电流将在电气设备的导体间产生很大的 电动力，可引起设备机械变形、扭曲甚至损坏；电动力，可引起设备机械变形、扭曲甚至损坏； q（3 3）短路电流基本上是电感性电流，它将产生较）短路电流基本上是电感性电流，它将产生较 强的去磁性电枢反应，从而使发电机的端电压下强的去磁性电枢反应，从而使发电机的端电压下 降，同时短路电流流过线路使其电压损失增加。降，同时短路电流流过线路使其电压损

6、失增加。 因而短路时会造成系统电压大幅度下降，短因而短路时会造成系统电压大幅度下降，短 路点附近电压下降得最多，严重影响电气设备的路点附近电压下降得最多，严重影响电气设备的 正常工作；正常工作； 2021/6/98 q（4 4）严重的短路可导致并列运行的发电厂失去）严重的短路可导致并列运行的发电厂失去 同步而解列，破坏系统的稳定性，造成大面积同步而解列，破坏系统的稳定性，造成大面积 的停电。这是短路所导致的最严重的后果；的停电。这是短路所导致的最严重的后果； q（5 5）不对称短路将产生负序电流和负序电压而）不对称短路将产生负序电流和负序电压而 危机机组的安全运行，如汽轮发电机长期允许危机机组

7、的安全运行，如汽轮发电机长期允许 的负序电压一般不超过额定电压的的负序电压一般不超过额定电压的8%-10%8%-10%，异，异 步电动机长期允许的负序电压一般不超过额定步电动机长期允许的负序电压一般不超过额定 电压的电压的2%-5%2%-5%； q（6 6）不对称短路产生的不平衡磁场，会对附近）不对称短路产生的不平衡磁场，会对附近 的通讯系统及弱电设备产生电磁干扰，影响其的通讯系统及弱电设备产生电磁干扰，影响其 正常工作，甚至危及设备和人身安全。正常工作，甚至危及设备和人身安全。 2021/6/99 二、短路的类型二、短路的类型 n在三相系统中，可能发生的短路有：三相短路、两相在三相系统中，可

8、能发生的短路有：三相短路、两相 短路、两相接地短路及单相接地短路。短路、两相接地短路及单相接地短路。 三相短路时，由于被短路的三相阻抗相等，因此，三相短路时，由于被短路的三相阻抗相等，因此， 三相电流和电压仍是对称的，又称为对称短路。三相电流和电压仍是对称的，又称为对称短路。 其余几种类型的短路，因系统的三相对称结构遭其余几种类型的短路，因系统的三相对称结构遭 到破坏，网络中的三相电压、电流不再对称，故称为到破坏，网络中的三相电压、电流不再对称，故称为 不对称短路。不对称短路。 2021/6/910 n表表5-15-1列出了各种短路的示意图和代表符号。列出了各种短路的示意图和代表符号。 各种类

9、型短路事故所占的比例，则与电压等级、中性各种类型短路事故所占的比例，则与电压等级、中性 点接地方式等有关。点接地方式等有关。 在中性点接地的高压和超高压电力系统中，以单相接在中性点接地的高压和超高压电力系统中，以单相接 地（短路）所占的比例最高，约占全部断路故障的地（短路）所占的比例最高，约占全部断路故障的90%90%。 表表5 5-1 -1 各种短路的示意图和代表符号各种短路的示意图和代表符号 短路种类短路种类示意图示意图表示符号表示符号 三相短路三相短路 K K(3) (3) 两相短路两相短路 K K(2) (2) 两相接地短路两相接地短路 K K(1,1) (1,1) 单相接地短路单相接

10、地短路 K K(1) (1) 2021/6/911 n表表5-25-2为我国某为我国某220kV220kV电力系统自电力系统自19611961年至年至19551955年间短年间短 路故障的统计数据。路故障的统计数据。 另据统计，在电压较低的输配电网络中，单相短另据统计，在电压较低的输配电网络中，单相短 路约占路约占65%65%，两相接地短路约占，两相接地短路约占20%20%，两相短路约占，两相短路约占 10%10%，三相短路仅占，三相短路仅占5%5%左右。左右。 表表5 5-2 -2 某某220kV220kV中性点直接接地电力系统短路故障数据中性点直接接地电力系统短路故障数据 短路短路 种类种

11、类 三相短路三相短路两相短路两相短路两相接两相接 地短路地短路 单相接单相接 地短路地短路 其他其他 故障故障 率率 2.0%2.0%1.6%1.6%6.1%6.1%85. 0%85. 0%3.3%3.3% 备注备注包括断包括断 线等线等 2021/6/912 三、短路计算的目的和简化假设三、短路计算的目的和简化假设 n为减少短路故障对电力系统的危害为减少短路故障对电力系统的危害: : q必须采用限制短路电流的措施，合理设计电网，必须采用限制短路电流的措施，合理设计电网， 如在线路上装设电抗器；如在线路上装设电抗器； 1.1.迅速将发生短路的部分与系统其他部分隔离开迅速将发生短路的部分与系统其

12、他部分隔离开 来，使无故障部分恢复正常运行。来，使无故障部分恢复正常运行。 2021/6/913 n 1 1短路电流的计算目的短路电流的计算目的 （1 1）为选择和校验各种电气设备的动稳定性和热稳定性提）为选择和校验各种电气设备的动稳定性和热稳定性提 供依据。供依据。 （2 2）为设计和选择发电厂和变电站的电气主接线提供必要）为设计和选择发电厂和变电站的电气主接线提供必要 的数据。的数据。 （3 3）为合理配置电力系统中各种继电保护和自动装置并正）为合理配置电力系统中各种继电保护和自动装置并正 确整定其参数提供可靠的依据。确整定其参数提供可靠的依据。 q最大运行方式是指投入运行的电源容量最大，

13、系统的等值阻抗最大运行方式是指投入运行的电源容量最大，系统的等值阻抗 最小，发生故障时，短路电流为最大的运行方式。最小，发生故障时，短路电流为最大的运行方式。 q最小运行方式是指系统投入运行的电源容量最小，系统的等值最小运行方式是指系统投入运行的电源容量最小，系统的等值 阻抗最大，发生故障时，短路电流为最小的运行方式阻抗最大，发生故障时，短路电流为最小的运行方式 2021/6/914 在实际短路计算中，为了简化计算，通常采用一些简化在实际短路计算中，为了简化计算，通常采用一些简化 假设，其中主要包括：假设，其中主要包括： （1 1）负荷用恒定电抗表示或者忽略不计；）负荷用恒定电抗表示或者忽略不

14、计； （2 2）认为系统中各元件参数恒定，在高压网络中不计元）认为系统中各元件参数恒定，在高压网络中不计元 件电阻和导纳，即各元件均用纯电抗表示，并认为系统件电阻和导纳，即各元件均用纯电抗表示，并认为系统 中各发电机的电势同相位，从而避免了复数运算；中各发电机的电势同相位，从而避免了复数运算； （3 3）系统除去不对称故障出现局部不对称外，其余部分）系统除去不对称故障出现局部不对称外，其余部分 是三相对称的。是三相对称的。 2021/6/915 第二节第二节 标幺值标幺值 n一、标幺制一、标幺制 n二、基准值的选取二、基准值的选取 n三、不同基准标幺值之间的换算三、不同基准标幺值之间的换算 n

15、四、不同电压等级电网中元件参数标幺值的计算四、不同电压等级电网中元件参数标幺值的计算 2021/6/916 一、标幺制一、标幺制 n所谓标幺制，就是把各个物理量用标幺值来表示的一所谓标幺制，就是把各个物理量用标幺值来表示的一 种运算方法。其中标幺值定义为物理量的实际值（有种运算方法。其中标幺值定义为物理量的实际值（有 名值）与所选定的基准值之间的比值，即名值）与所选定的基准值之间的比值，即 （5-15-1） 由于相比的两个值具有相同的单位，因而标幺值由于相比的两个值具有相同的单位，因而标幺值 没有单位。没有单位。 ) )( 位基准值（与实际值同单 任意单位实际值 标幺值 2021/6/917

16、n在进行标幺值计算时，首先需选定基准值。在进行标幺值计算时，首先需选定基准值。 对于阻抗、电压、电流和功率等物理量，如选定对于阻抗、电压、电流和功率等物理量，如选定Z Zd d、 U Ud d、I Id d、S Sd d为各物理量的基准值，则其标幺值分别为为各物理量的基准值，则其标幺值分别为 （5-25-2） 式中：上标注式中：上标注“* *”者为标幺值；下标注者为标幺值；下标注“d d”者为基者为基 准值；无下标者为有名值。准值；无下标者为有名值。 ddd d d dd jQPSSS III UUU jXRZZZ * * * d * 2021/6/918 二、基准值的选取二、基准值的选取 n

17、在采用标幺值计算法时必须首先选定基准值。在采用标幺值计算法时必须首先选定基准值。 n通常都选该设备的额定值作为基准值，或者整通常都选该设备的额定值作为基准值，或者整 个系统选择一个便于计算的共同基准值。个系统选择一个便于计算的共同基准值。 n当某些量的基准值一旦选定以后，其他各量的当某些量的基准值一旦选定以后，其他各量的 基准值就已经确定了。基准值就已经确定了。 2021/6/919 n例如，在三相制的电力系统计算中，阻抗、电压、电例如，在三相制的电力系统计算中，阻抗、电压、电 流和功率的基准值流和功率的基准值Z Zd d、U Ud d、I Id d、S Sd d之间应当满足下列之间应当满足下

18、列 关系关系 （5-35-3） 因此，只要事先选定其中两个量的基准值，其余因此，只要事先选定其中两个量的基准值，其余 两个基准值也就确定了。两个基准值也就确定了。 n在实际计算中，一般先选定视在功率和电压的基准值，在实际计算中，一般先选定视在功率和电压的基准值， 于是电流和阻抗的基准值则为于是电流和阻抗的基准值则为 （5-45-4） ddd ddd IZU IUS 3 3 ddddd ddd SUIUZ USI 2 3 3 2021/6/920 n它们的标幺值分别为它们的标幺值分别为 （5-55-5） 在标幺制中，三相电路计算公式与单相计算公式完全相在标幺制中，三相电路计算公式与单相计算公式完

19、全相 同。因此，有名单位制中单相电路的基本公式，可直接同。因此，有名单位制中单相电路的基本公式，可直接 应用于三相电路中标幺值的运算。应用于三相电路中标幺值的运算。 线电压和相电压的标幺值相等，三相功率和单相功率的线电压和相电压的标幺值相等，三相功率和单相功率的 标幺值相等。标幺值相等。 22* * * * 3 dddd ddd UXSjURSjXRZ SIUIII IZU IUS 2021/6/921 n标幺制的这一特点，使得计算中勿需顾及线电压和相标幺制的这一特点，使得计算中勿需顾及线电压和相 电压、三相和单相标幺值的区别，而只需注意还原成电压、三相和单相标幺值的区别，而只需注意还原成 有

20、名值时各自采用相应的基准值即可，这给运算带来有名值时各自采用相应的基准值即可，这给运算带来 了方便。了方便。 n应用标幺值计算，最后还需将所得结果换算成有名值。应用标幺值计算，最后还需将所得结果换算成有名值。 根据式（根据式（5-25-2），各个量的有名值等于它的标幺值乘以），各个量的有名值等于它的标幺值乘以 相应的基准值。相应的基准值。 2021/6/922 三、不同基准标幺值之间的换算三、不同基准标幺值之间的换算 在进行系统计算时应当选择一个共同的基在进行系统计算时应当选择一个共同的基 准值，把所有设备以自身的额定值为基准的阻准值，把所有设备以自身的额定值为基准的阻 抗标幺值都按照这个新选

21、择的共同基准值去进抗标幺值都按照这个新选择的共同基准值去进 行归算，只有经过这样的归算后，才能进行统行归算，只有经过这样的归算后，才能进行统 一的计算。一的计算。 2021/6/923 n换算的方法是：先将各自以额定值作为基准的标幺值换算的方法是：先将各自以额定值作为基准的标幺值 还原为有名值。还原为有名值。 例如，对于电抗器，按式（例如，对于电抗器，按式（5-55-5）得）得 （5-65-6） 在选定了功率和电压的基准值在选定了功率和电压的基准值SdSd和和UdUd后，则以此后，则以此 为基准的电抗标幺值为为基准的电抗标幺值为 （5-55-5） n发电机铭牌上一般给出额定电压发电机铭牌上一般

22、给出额定电压U UN N，额定功率，额定功率S SN N以及以以及以 U UN N、S SN N为基准值的电抗标幺值为基准值的电抗标幺值X X* *N N，因此可用式（，因此可用式（5-55-5） 将此电抗归算到统一基准值的标幺值。将此电抗归算到统一基准值的标幺值。 N N NNN S U XXXX 2 * 2 2 * 2 * d d N N N d d d d U S S U X U S X X X X 2021/6/924 n变压器通常给出变压器通常给出U UN N、S SN N及短路电压及短路电压U Uk k的百分比的百分比U Uk k% %，则以，则以 U UN N、S SN N为基准

23、的变压器电抗标幺值即为：为基准的变压器电抗标幺值即为： 这样，在统一基准值下变压器阻抗的标幺值即可这样，在统一基准值下变压器阻抗的标幺值即可 依据式（依据式（5-55-5）求得：）求得： （5-85-8） n在电力系统中常采用电抗器以限制短路电流。电抗器在电力系统中常采用电抗器以限制短路电流。电抗器 通常给出其额定电压通常给出其额定电压U UNL NL、额定电流 、额定电流I INL NL及电抗百分比 及电抗百分比X XL L% %， 电抗百分比与其标幺值之间的关系为：电抗百分比与其标幺值之间的关系为： 100 % *k NT U X 2 2 2 2 * 100 % dN dNk dN dN

24、NTT US SUU US SU XX 100 % *L NL X X 2021/6/925 n电抗器在统一基准下的电抗标幺值可写成电抗器在统一基准下的电抗标幺值可写成 （5-95-9） 式（式（5-95-9）中，）中， 为电抗器的额定容量。为电抗器的额定容量。 n输电线路的电抗，通常给出线路长度和每公里欧姆值，输电线路的电抗，通常给出线路长度和每公里欧姆值， 可用下式换算成统一基准值下的标幺值可用下式换算成统一基准值下的标幺值 （5-105-10） 22 2 * 3100 % d d NL NLL d NL NL d NLL U S I UX U U S S XX NLNLNL IUS3 2

25、 * d d WL d WL WL U S X X X X 2021/6/926 n在实际工程应用中，为了便于计算，常取基准容量在实际工程应用中，为了便于计算，常取基准容量 S Sd d=100MVA=100MVA（或（或1000MVA1000MVA），基准电压可用各级线路的平），基准电压可用各级线路的平 均额定电压均额定电压U Ud d=U=Uav av。 。 n线路平均额定电压线路平均额定电压U Uav av指线路始端最大额定电压与末端 指线路始端最大额定电压与末端 最小额定电压的平均值，一般取线路额定电压的最小额定电压的平均值，一般取线路额定电压的1.051.05 倍，即倍，即U Uav

26、 av=1.05U =1.05UN N，见表，见表5-35-3。 额定电压额定电压 U UN N/kV/kV 0.220.220.380.383 36 6101035356060110110220220330330 平均额定电平均额定电 压压U Uav av/kV /kV 0.230.230.40.43.153.156.36.310.510.535356363115115230230345345 表表5-3 5-3 线路的额定电压与平均额定电压线路的额定电压与平均额定电压 2021/6/927 四、不同电压等级电网中元件参数标幺值的四、不同电压等级电网中元件参数标幺值的 计算计算 n在工程计算

27、中，对短路电流的计算一般精确度要在工程计算中，对短路电流的计算一般精确度要 求不高，所以可以采用近似计算法，即变压器求不高，所以可以采用近似计算法，即变压器T1T1 的变比近似取它所联系两侧电压级的平均额定电的变比近似取它所联系两侧电压级的平均额定电 压之比。压之比。 n图图5-25-2表示由两台变压器联系的具有三个不同电表示由两台变压器联系的具有三个不同电 压等级的输电线路。压等级的输电线路。 IT1T2 G XL1XL2 110/6.6 2021/6/928 n以图以图5-25-2为例，若基准电压取短路点的平均额定电压，为例，若基准电压取短路点的平均额定电压， 即即U Ud1 d1=U =

28、Uavl avl=10.5KV,U =10.5KV,Ud2 d2=115KV =115KV，U Ud3 d3=6.3KV =6.3KV。这样，式。这样，式 （5-55-5）和式（）和式（5-85-8）中的）中的U Ud d和和U UN N就可约掉。也就是说，就可约掉。也就是说， 发电机和变压器的电抗标幺值与电压无关，线路的电抗发电机和变压器的电抗标幺值与电压无关，线路的电抗 标幺值只和线路所在处的平均额定电压有关。标幺值只和线路所在处的平均额定电压有关。 n对于多电压等级的复杂网络，不管何处短路，系统各元对于多电压等级的复杂网络，不管何处短路，系统各元 件的标幺电抗都不改变，这给短路电流计算带

29、来方便。件的标幺电抗都不改变，这给短路电流计算带来方便。 n在某些情况下，高额定电压的电抗器可以装在低额定电在某些情况下，高额定电压的电抗器可以装在低额定电 压的系统上，在计算电抗器电抗的标幺值时，当电抗器压的系统上，在计算电抗器电抗的标幺值时，当电抗器 的额定电压与所装系统的额定电压不同级时，仍采用电的额定电压与所装系统的额定电压不同级时，仍采用电 抗器本身的额定电压值；同级时，也可以消掉。抗器本身的额定电压值；同级时，也可以消掉。 2021/6/929 n为便于计算，现将准确计算法和近似计算法的电抗标为便于计算，现将准确计算法和近似计算法的电抗标 幺值计算公式归纳于表幺值计算公式归纳于表5

30、-45-4中。中。 准确计算法准确计算法 （变压器用实际变比）（变压器用实际变比） 近似计算法近似计算法 （变压器用近似变比）（变压器用近似变比） 发电机发电机 变压器变压器 电抗器电抗器 输电线路输电线路 2 2 * dN dN NGG US SU XX N d NGG S S XX * 2 2 * 100 % dN dNk T US SUU X N dk T S SU X 100 % * 2 * 3100 % d d NL NLL L U S I UX X 2 * 3100 % av d NL NLL L U S I UX X 2 * d d WLWL U S XX 2 * av d WL

31、WL U S XX 表表5-4 5-4 电力系统各元件电抗标幺值计算公式电力系统各元件电抗标幺值计算公式 2021/6/930 n例例5-1 5-1 对图对图5-35-3（a a）所示的输电系统，试用近似计算）所示的输电系统，试用近似计算 法计算等值网络中各元件的标幺值。法计算等值网络中各元件的标幺值。 图图5-3 5-3 具有三段不同电压的系统具有三段不同电压的系统 (a) (a) 电路图；电路图； (b)(b)等值电路等值电路 2021/6/931 n解：解： 取基准功率取基准功率S Sd d=100MVA=100MVA，各段的基准电压为各段的，各段的基准电压为各段的 平均额定电压，即平均

32、额定电压，即U Ud1 d1=Uav1=10.5KV =Uav1=10.5KV；U Ud d2=U2=Uav2 av2=115KV =115KV； U Ud3 d3=U =Uav3 av3=6.3KV =6.3KV。 各元件电抗的标幺值分别为：各元件电抗的标幺值分别为： 发电机发电机 变压器变压器T1 T1 输电线路输电线路 87. 0 30 100 26. 0 * N d NGG S S XX 33. 0 5 .31 100 100 5 .10 100 % * 1 N dk T S SU X 24. 0 115 100 804 . 0 22 2 * 1 d d WLWL U S XX 202

33、1/6/932 变压器变压器T2 T2 电抗器电抗器 电缆线电缆线 各元件电抗标幺值等值电路如图各元件电抗标幺值等值电路如图5-35-3（b b）所示。）所示。 7 . 0 15 100 100 5 .10 100 % * 2 N dk T S SU X 46. 1 3 . 6 100 3 . 03 6 100 5 3100 % 22 3 * d d NL NLL L U S I UX X 504. 0 3 . 6 100 5 . 208. 0 22 3 * 2 d d CWL U S XX 2021/6/933 第三节第三节 无限容量系统三相短路电流计算无限容量系统三相短路电流计算 n无限大

34、功率电源是一种理想电源，它的特点是：无限大功率电源是一种理想电源，它的特点是： q电源功率为无穷大；外电路发生任何变化，系统频率恒定电源功率为无穷大；外电路发生任何变化，系统频率恒定. . q电源的内阻抗为零；电源内部不存在电压降，电源的端电压电源的内阻抗为零；电源内部不存在电压降，电源的端电压 恒定。恒定。 n无穷大功率电源只是一个相对的概念。无穷大功率电源只是一个相对的概念。 n在工程计算中，当电源内阻抗不超过短路回路总阻抗的在工程计算中，当电源内阻抗不超过短路回路总阻抗的 5%-10%5%-10%时，就可认为该电源是无限大功率电源。时，就可认为该电源是无限大功率电源。 2021/6/93

35、4 本节内容：本节内容： n一、由无限容量系统供电时三相短路的物理过程一、由无限容量系统供电时三相短路的物理过程 n二、表示暂态短路电流特性的几个参数二、表示暂态短路电流特性的几个参数 n三、无限大容量系统短路电流三、无限大容量系统短路电流 2021/6/935 一、由无限容量系统供电时三相短路的物理一、由无限容量系统供电时三相短路的物理 过程过程 n图图5-45-4所示为一由无限大功率电源供电的三相对称电所示为一由无限大功率电源供电的三相对称电 路。路。 图图5-4 5-4 无限容量系统中的三相短路无限容量系统中的三相短路 （a a）三相电路；）三相电路； （b b）等值单相电路）等值单相电

36、路 2021/6/936 n短路前电路处于稳态。由于电路三相对称，可写短路前电路处于稳态。由于电路三相对称，可写 出其中一相如出其中一相如U U相电压和电流的算式相电压和电流的算式 (5-12)(5-12) 式中：式中：U Um m为电压幅值；为电压幅值； 为电压初相角，又称为合闸角。为电压初相角，又称为合闸角。 为电流幅值；为电流幅值； 为阻抗角；为阻抗角； (R+R(R+R )+j(X+X )+j(X+X ) )为短路前阻抗； 为短路前阻抗； R+jXR+jX为短路后阻为短路后阻 抗；抗； )sin( )sin( tIi tUu mU muU 22 )()(XXRR U I m m )(

37、arctan RR XX 2021/6/937 n当当k k点发生三相短路时，此电路被分成两个独点发生三相短路时，此电路被分成两个独 立的回路。立的回路。 n左边电路仍与电源相连，而右边电路则变成没左边电路仍与电源相连，而右边电路则变成没 有电源的电路，电流将从短路瞬间的数值不断有电源的电路，电流将从短路瞬间的数值不断 地衰减到磁场中所有储存的能量全部变为电阻地衰减到磁场中所有储存的能量全部变为电阻 所消耗热能为止，电流衰减为零。所消耗热能为止，电流衰减为零。 n而与电源相连的电路中，每相阻抗由原先的而与电源相连的电路中，每相阻抗由原先的 (R+R(R+R )+j(X+X )+j(X+X )

38、)减小到 减小到R+jXR+jX。由于阻抗减小，。由于阻抗减小， 其电流必将增大。其电流必将增大。 2021/6/938 n设短路发生在时刻，由于左侧电路仍为三相对称电路，设短路发生在时刻，由于左侧电路仍为三相对称电路， 可只取其中一相进行分析。短路后电路中某一相的电流可只取其中一相进行分析。短路后电路中某一相的电流 应满足应满足 （5-135-13） 式中：式中：i ik k为短路电流的瞬时值。为短路电流的瞬时值。 这是一阶常系数线性非齐次微分方程，其解即为短路时这是一阶常系数线性非齐次微分方程，其解即为短路时 的全电流，它由两部分组成：的全电流，它由两部分组成： 第一部分是方程（第一部分是

39、方程（5-135-13）的特解，代表短路电流的强制分量；）的特解，代表短路电流的强制分量； 第二部分是方程（第二部分是方程（5-135-13）所对应的齐次方程）所对应的齐次方程 的通解，代表短路电流的自由分量。的通解，代表短路电流的自由分量。 0 dt di LRi k k )sin(tU dt di LRi m k k 2021/6/939 n解微分方程（解微分方程（5-135-13）得）得 （5-145-14） 式中：式中： ni ip p为短路电流的强制分量；为短路电流的强制分量； n 为短路电流周期分量的幅值；为短路电流周期分量的幅值； nz z为短路回路每相阻抗为短路回路每相阻抗R+

40、jXR+jX的模；的模； n k k为每相阻抗的阻抗角；为每相阻抗的阻抗角； ni inp np为短路电流的自由分量； 为短路电流的自由分量； nC C为积分常数；为积分常数； 1.1.T T 为短路回路的时间常数， 为短路回路的时间常数，T T =L/R =L/R。 RL k arctan 22 XRUI mpm sin()esin()e aa tt TT m kkpmk pnp U itCItC Z ii 2021/6/940 n由于电路中存在电感，由楞次定律知，电感中的电由于电路中存在电感，由楞次定律知，电感中的电 流不能突变，则短路前一瞬间的电流应与短路后一流不能突变，则短路前一瞬间的

41、电流应与短路后一 瞬间的电流相等。瞬间的电流相等。 n由式（由式（5-125-12）和式（）和式（5-145-14）可得）可得 n 则将则将C C代入式（代入式（5-145-14），可得），可得 （5-155-15） CII kpmm )sin()sin( 0 )sin()sin( npkpmm iIIC a T t kpmmkpmk IItIi e)sin()sin()sin( 2021/6/941 n由于三相电路对称，设式（由于三相电路对称，设式（5-155-15）为）为U U相电流的表达相电流的表达 式，只要用式，只要用120120和和120120代替式代替式(5-15)(5-15)中的

42、中的 ，就可得到，就可得到V V相和相和W W相电流的表达式。相电流的表达式。 n故有故有 （5-165-16） 00 0 00 0 sin()sin()sin()e sin(120)sin(120) sin(120)e sin(120)sin(120) sin(120)e a a a t T Upmkmpmk Vpmkm t T pmk Wpmkm t T pmk iItII iItI I iItI I 2021/6/942 n由式（由式（5 5-16-16）可见，短路至稳态时，三相中的稳态短）可见，短路至稳态时，三相中的稳态短 路电流为三个幅值相等、相角相差路电流为三个幅值相等、相角相差1

43、20120的交流电流，的交流电流， 其幅值大小取决于电源电压幅值和短路回路的总阻抗。其幅值大小取决于电源电压幅值和短路回路的总阻抗。 n从短路发生到短路稳态之间的暂态过程中，每相电流从短路发生到短路稳态之间的暂态过程中，每相电流 还包含有逐渐衰减的直流电流。它们出现的物理原因还包含有逐渐衰减的直流电流。它们出现的物理原因 是电感中的电流在突然短路时不能突变。是电感中的电流在突然短路时不能突变。 n在短路回路中，通常电抗远大于电阻，即在短路回路中，通常电抗远大于电阻，即LRLR，可，可 认为认为K K9090 ，故 ，故 （5 5-1-15 5） a T t pmmpmk IItIi e cos

44、)sin()cos( 2021/6/943 n由式（由式（5-155-15）可知，当非周期分量电流的初始值最大）可知，当非周期分量电流的初始值最大 时，短路全电流的瞬时值为最大，短路情况最严重。时，短路全电流的瞬时值为最大，短路情况最严重。 n短路前后的电流变化愈大，非周期分量的初值就愈大，短路前后的电流变化愈大，非周期分量的初值就愈大， 所以电路在空载状态下发生三相短路时的非周期分量所以电路在空载状态下发生三相短路时的非周期分量 初始值要比短路前有负载电流时大。初始值要比短路前有负载电流时大。 n在短路电流的实用计算中可取在短路电流的实用计算中可取I Im m=0=0（空载），而且短路（空载

45、），而且短路 瞬间电源电压过零值，即初始相角瞬间电源电压过零值，即初始相角=0=0，此时短路电，此时短路电 流为流为 （5-185-18） a T t pmpmk ItIi ecos 2021/6/944 n对应的短路电流的变化曲线如图对应的短路电流的变化曲线如图5-55-5所示。所示。 三相短路中只有短路电流的周期分量才是对称的，三相短路中只有短路电流的周期分量才是对称的， 而各相短路电流的非周期分量并不相等。而各相短路电流的非周期分量并不相等。 图图5-5 5-5 无限大容量系统三相短路时短路电流的变化曲线无限大容量系统三相短路时短路电流的变化曲线 2021/6/945 二、表示暂态短路电

46、流特性的几个参数二、表示暂态短路电流特性的几个参数 n在短路发生后，短路电流要经过一段时间后才能达到在短路发生后，短路电流要经过一段时间后才能达到 稳定值，在这一段时间内短路电流的幅值和有效值都稳定值，在这一段时间内短路电流的幅值和有效值都 是在不断变化的。是在不断变化的。 n在选择电气设备时，通常感兴趣的是短路电流的最大在选择电气设备时，通常感兴趣的是短路电流的最大 幅值和最大有效值。前者决定了电气设备所受的机械幅值和最大有效值。前者决定了电气设备所受的机械 应力，后者决定了某些电气设备所应具有的开断电流应力，后者决定了某些电气设备所应具有的开断电流 的能力。的能力。 2021/6/946

47、n1. 1. 三相短路冲击电流三相短路冲击电流 在最严重短路情况下，三相短路电流的最大瞬时在最严重短路情况下，三相短路电流的最大瞬时 值称为冲击电流，用值称为冲击电流，用i ish sh表示。 表示。 由图由图5-55-5知，知，i ish sh发生在短路后约半个周期，当 发生在短路后约半个周期，当 f=50HZf=50HZ，此时间约为，此时间约为0.01s0.01s，由式（，由式（5-185-18）可得）可得 （5-195-19） 式中：式中： 称为短路电流冲击系数，表示冲称为短路电流冲击系数，表示冲 击电流对周期分量幅值的倍数。击电流对周期分量幅值的倍数。 psh T pm T pmpms

48、h IKIIIi aa 2)e1 (e 01. 001. 0 a T sh K 01. 0 e1 2021/6/947 当电阻当电阻R R=0=0时，时， ， 则则 K Ksh sh=2 =2。当电抗。当电抗=0=0时，时， ， K Ksh sh=1 =1。因此。因此1K1Ksh sh2 2。 在实际应用中，冲击系数可作如下考虑：在实际应用中，冲击系数可作如下考虑： q在发电机电压母线短路时，取在发电机电压母线短路时，取K Ksh sh=1.9 =1.9，则，则 i ish sh=2.69I =2.69Ip p； q在发电厂高压侧母线或发电机出线电抗器后短路时，在发电厂高压侧母线或发电机出线电

49、抗器后短路时， K Ksh sh=1.85 =1.85，则，则 i ish sh=2.62I =2.62Ip p； q在其他地点短路时，取在其他地点短路时，取K Ksh sh=1.8 =1.8，则，则i ish sh=2.55I =2.55Ip p 。 冲击电流主要用于校验电气设备和载流导体在短路冲击电流主要用于校验电气设备和载流导体在短路 时的动稳定性。时的动稳定性。 R X R L Ta 1ee 0 01. 0 a T 0 R X R L Ta 0ee 01. 0 a T 2021/6/948 n2. 2. 三相短路冲击电流有效值三相短路冲击电流有效值 由于短路电流含有非周期分量，所以在短

50、路过程中短由于短路电流含有非周期分量，所以在短路过程中短 路电流不是正弦波形。短路中任一时刻路电流不是正弦波形。短路中任一时刻t t的短路电流的有的短路电流的有 效值是指以时刻效值是指以时刻t t为中心的一个周期内短路全电流瞬时值为中心的一个周期内短路全电流瞬时值 的均方根值，即的均方根值，即 （7-207-20） 式中：式中：I Ikt kt为短路全电流的瞬时值； 为短路全电流的瞬时值； T T为短路全电流的周期。为短路全电流的周期。 为简化为简化I Ikt kt的计算，假定在计算所取的一个周期内周期分量 的计算，假定在计算所取的一个周期内周期分量 电流的幅值为常数，而非周期分量电流的数值在

51、该周期内电流的幅值为常数，而非周期分量电流的数值在该周期内 恒定不变且等于该周期中点的瞬时值。恒定不变且等于该周期中点的瞬时值。 2 2 2 2 d)( 1 d 1 22 T T T T t t nptpt t t kkt tii T ti T I 2021/6/949 周期周期T T内周期分量的有效值按通常正弦曲线计算，内周期分量的有效值按通常正弦曲线计算， 即即 ，而周期，而周期T T内非周期分量的有效值，内非周期分量的有效值， 等于它在该周期中点的瞬时值，即等于它在该周期中点的瞬时值，即I Inpt npt=i =inpt npt。 。 将上面将上面I Ipt pt和 和I Inpt n

52、pt代入式（ 代入式（7-207-20），经过积分和代数运算后，），经过积分和代数运算后， 可简化得可简化得 （7-217-21） 由式（由式（7-217-21）算出的近似值，在实用上已足够准确。短路全）算出的近似值，在实用上已足够准确。短路全 电流的最大有效值电流的最大有效值I Ish sh出现在短路后的第一个周期内，又称 出现在短路后的第一个周期内，又称 为冲击电流的有效值。为冲击电流的有效值。 2222 nptpnptptkt iIIII 2 pmtpt II 2021/6/950 因冲击电流发生在短路后时，即当因冲击电流发生在短路后时，即当t=0.01st=0.01s时，时，I Ikt

53、 kt就是短 就是短 路冲击电流有效值路冲击电流有效值I Ish sh，则 ，则 （7-227-22） 当冲击系数当冲击系数K Ksh sh=1.9 =1.9时，时，I Ish sh=1.62I =1.62Ip p； 当当K Ksh sh=1.8 =1.8时，时，I Ish sh=1.51I =1.51Ip p ； 当当K Ksh sh=1.3 =1.3时时I Ish sh=1.09I =1.09Ip p 。 短路电流最大有效值用来校验电气设备的断流能力。短路电流最大有效值用来校验电气设备的断流能力。 222 2 01. 0 2 2 )01. 0( 2 ) 1(21) 1(2 )2( shpp

54、shp T pptnppsh KIIKI eIIiII a 2021/6/951 n三、三、 短路容量（短路功率）短路容量（短路功率） 当电力系统发生短路故障时，需迅速切断故障部分，当电力系统发生短路故障时，需迅速切断故障部分， 使其余部分能继续运行。这一任务要由继电保护装置和断使其余部分能继续运行。这一任务要由继电保护装置和断 路器来完成。路器来完成。 短路容量等于短路电流有效值乘以短路处的正常工作电压短路容量等于短路电流有效值乘以短路处的正常工作电压 （一般用平均额定电压），即（一般用平均额定电压），即 （5-235-23） 如用标幺值表示，则为如用标幺值表示，则为 （5-245-24）

55、式（式（5-245-24）表明，由于基准电压等于平均额定电压，短路功）表明，由于基准电压等于平均额定电压，短路功 率的标幺值与短路电流的标幺值相等。率的标幺值与短路电流的标幺值相等。 kavk IUS3 * 3 3 k d k dd kav d k k I I I IU IU S S S 2021/6/952 当已知某一时刻短路电流的标幺值时，该时刻短路容当已知某一时刻短路电流的标幺值时，该时刻短路容 量的有名值即为量的有名值即为 （5-255-25） 短路容量定义为平均额定电压与短路电流的乘积。其短路容量定义为平均额定电压与短路电流的乘积。其 含义为：含义为： 开关要能切断这样大的短路电流；

56、开关要能切断这样大的短路电流； 在开关断流时，其触头应能经受住平均额定电压的作用。在开关断流时，其触头应能经受住平均额定电压的作用。 短路容量只是一个定义的计算量，而不是测量量。短短路容量只是一个定义的计算量，而不是测量量。短 路容量用来校验开关设备的切断能力。路容量用来校验开关设备的切断能力。 * kdkdk ISSSS 2021/6/953 n三相短路稳态电流三相短路稳态电流 三相短路稳态电流是指短路电流非周期分量衰减完后三相短路稳态电流是指短路电流非周期分量衰减完后 的短路全电流，其有效值用的短路全电流，其有效值用I I 表示。 表示。 在无限大容量系统中，短路后任何时刻的短路电流周在无

57、限大容量系统中，短路后任何时刻的短路电流周 期分量有效值（习惯上用期分量有效值（习惯上用I Ik k表示）始终不变，所以有表示）始终不变，所以有 （5-265-26） 式中：式中： qI I 为次暂态短路电流或超瞬变短路电流，它是短路瞬间 为次暂态短路电流或超瞬变短路电流，它是短路瞬间 （t t=0s=0s）时三相短路电流周期分量的有效值；）时三相短路电流周期分量的有效值； q 为短路后为短路后0.2s0.2s时三相短路电流周期分量的有效值。时三相短路电流周期分量的有效值。 kp IIIII 2 . 0 2 . 0 I 2021/6/954 四、无限大容量系统短路电流四、无限大容量系统短路电流

58、 n无限大容量系统的主要特征是：系统的内阻抗无限大容量系统的主要特征是：系统的内阻抗X=0X=0， 端电压端电压U=CU=C（常数），它所提供的短路电流周期分（常数），它所提供的短路电流周期分 量的幅值恒定且不随时间变化而变化。量的幅值恒定且不随时间变化而变化。 n虽然非周期分量依指数规律衰减，但一般情况下虽然非周期分量依指数规律衰减，但一般情况下 只需计及他对冲击电流的影响。只需计及他对冲击电流的影响。 n在无限大容量系统的条件下，周期分量的计算变在无限大容量系统的条件下，周期分量的计算变 得非常简单。得非常简单。 2021/6/955 n如取平均额定电压进行计算，则系统的端电压如取平均额定

59、电压进行计算，则系统的端电压U=UU=Uav av， ， 若选取若选取U Ud d=U=Uav av，短路电流的标幺值为 ，短路电流的标幺值为 （5-255-25） 式中：式中：X X* * 为无限大容量系统对短路点的组合电抗（即 为无限大容量系统对短路点的组合电抗（即 总电抗）的标幺值，如图总电抗）的标幺值，如图5-5-6 6所示。所示。 图图5-5-6 6 无限大容量系统短路电流计算示意图无限大容量系统短路电流计算示意图 * * 1 33 XX X U U X U X U I I I dd av d dav d k k 2021/6/956 n短路电流的有名值为短路电流的有名值为 （5-2

60、85-28） n短路容量的有名值为短路容量的有名值为 (5-29)(5-29) n若已知由电源至某电压级的短路容量若已知由电源至某电压级的短路容量S Sk k或断路器的断流或断路器的断流 容量容量S Soc oc，利用式 ，利用式(5-29)(5-29)可求出由电源至某电压级系统可求出由电源至某电压级系统 电抗的标幺值为电抗的标幺值为 * * 1 3 XU S III d d kdk * * X S SSS d kdk oc d k d S S S S S X * 2021/6/957 n例例5-2 5-2 简单电网有无限大容量电源供电，如图简单电网有无限大容量电源供电，如图5-55-5 所示