工厂供电第3章短路

1、第三章 短路电流及其计算Short-circuit Current and Calculation第三章 短路电流及其计算 短路与短路电流有关概念 无限大容量电力系统中短路电流的计算 短路电流的效应和稳定度校验目录第三章 短路电流及其计算 本章首先简单介绍短路的原因、后果及形式，分析三相短路的物理过程及有关物理量；然后着重讲述工厂供电系统三相短路电流的计算；最后讲述短路电流的效应和稳定度校验。 本章讨论和计算工厂供电系统在短路故障状态下产生的电流及其效应问题。摘要第三章 短路电流及其计算 了解短路的原因、危害及形式； 理解无限大容量电力系统三相短路时的物理过程，掌握与短路有关的物理量； 掌握无

2、限大容量电力系统中短路电流的计算方法之一：欧姆法，了解标幺制法； 理解短路电流的效应，掌握动、热稳定度校验方法。 要求第三章 短路电流及其计算 短路电流的效应 有关定义 短路电流的电动效应和动稳定度 短路电流的热效应和热稳定度第3节 短路电流的效应和稳定度校验短路电流的效应和稳定度校验电动效应（electrodynamic effect）：短路冲击电流将使相邻导体之间产生很大的电动力，有可能使开关设备和导体遭受破坏。 机械强度、电动稳定度（electrodynamic stability）热效应（thermal effect）：短路电流将使载流导体的温度迅速上升，有可能使导体的绝缘破坏。 热稳

3、定度（thermal stability）3.1 短路电流的效应短路电流通过开关设备和导体时，将产生两个效应：短路电流的效应和稳定度校验额定电流 rated current：电路在不间断工作制下能承载的电流值。（根据额定电流计算电机或电器的温升和运行情况）额定电流数值应符合R10系列：数字1-1.25-1.6-2-2.5-3.15-4-5-6.3-8及其与10n的乘积。过载电流 overload current ：在电气上尚未受到损伤的电路中的过电流。短路电流 short-circuit current ：由于故障或连接错误而在电路中造成短路时所产生的过电流。即短路时电路中所产生的过电流。3.

4、2 有关定义（GB/T 2900.1-92、GB14048.1）短路电流的效应和稳定度校验过电流 over-current：其值超过额定电流的任何电流。三种过流情况： 1、过载 over load： 在正常电路中产生过电流的运行条件。 （在电路中产生比额定电流大、比短路电流小的异常电流） 2、短路 short-circuit ： 电路中在正常情况下处于不同电压下的两个或多个点之间，通过一 较低的电阻或阻抗进行的偶然的或有意的连接。 3、接地故障 earth fault ： 由于导体与地连接或对地绝缘电阻变得小于规定值而引起的故障。3.2 有关定义（GB/T 2900.1-92、GB14048.

5、1）短路电流的效应和稳定度校验预期短路电流 prospective short-circuit current ：电路中可能流过的短路电流。预期短路峰值电流 prospective peak short-circuit current 限流额定短时耐受电流(Ik) Rated short-time withstand current在规定的使用和性能条件下，在规定的短时间内，开关设备和控制设备在合闸位置能够承载的电流的有效值。额定峰值耐受电流(Ip) Rated peak withstand current 在规定的使用和性能条件下，开关设备和控制设备在合闸位置能够承载的额定短时耐受电流第一个

6、大半波的电流峰值。 3.2 有关定义（GB/T 2900.1-92、GB14048.1）短路电流的效应和稳定度校验额定短路持续时间(tk) Rated short-circuit duration开关设备和控制设备在合闸位置能承载额定短时耐受电流的时间间隔。 1）对于高压电器： tk的标准值为2s。如果需要，可以选取小于或大于2s的值。推荐值为0.5s,1s,3s和4s。 2）对于低压电器： tk应不小于0.05 s，其优选值为：0.05，0.1，0.25，0.5，1s 3）对于低压成套： tk一般为1s3.2 有关定义（GB/T 2900.1-92、GB14048.1）短路电流的效应和稳定度

7、校验重要 important !kII短路稳态电流 short-circuit steady-state current 对应于额定短时耐受电流 Rated short-time withstand currentshpiI短路冲击电流 short-circuit shock current 额定峰值耐受电流 Rated peak withstand current短路电流的效应和稳定度校验3.3 短路电流的电动效应和动稳定度短路电流的效应和稳定度校验磁场中的载流导体必然受到力的作用，这个力企图改变回路的形状，以使环绕的磁通增多。由于电流产生磁场，因此载流导体之间也要受到力的作用，这种力称为电

8、动力。电动力的大小和方向与电流的种类、大小和方向有关，也与电流经过的回路形状、回路的相互位置、回路间的介质、导体截面形状等有关。电动力有害方面：危害电器性能，甚至使电器损坏。电动力有利方面：利用电动力可提高电器性能。如增加触头压力；斥力可使触头快速断开；电动力吹弧，迅速熄弧等。3.3 短路电流的电动效应和动稳定度电器中的电动力现象短路电流的效应和稳定度校验短路电流引起开关设备和导体变形3.3 短路电流的电动效应和动稳定度短路电流的效应和稳定度校验短路电流引起的电动斥力可使触头快速断开3.3 短路电流的电动效应和动稳定度短路电流的效应和稳定度校验电动力计算的常用方法有两种：1、毕奥-沙伐尔定律：

9、3.3 短路电流的电动效应和动稳定度dFBIdl2、能量平衡原理式中， 为某导体在电动力F作用下产生元位移 时导体储能的变化 式中，B dl 处的磁感应强度矢量； dl 导体元长度矢量，与电流方向同。电器中的电动力计算WF xWFxWx短路电流的效应和稳定度校验对于圆截面导体，空气中两平行导体间的电动力：3.3 短路电流的电动效应和动稳定度720 1 21 2210/2llFiiiiN Aaa式中，a为两导体的轴线间距离； l为导体的两相邻支持点间距离，即档距（跨距）； 0为空气和真空的磁导率：0 =410-7N/A2 （3 -47）短路时的最大电动力al短路电流的效应和稳定度校验3.3 短路

10、电流的电动效应和动稳定度720 1 21 2210/2ffllFKiiK iiN Aaa式中， Kf 为形状系数，与导体的形状和相对位置有关。查图3-9。对于矩形截面导体，空气中两平行导体间的电动力：短路时的最大电动力（3 -48）短路电流的效应和稳定度校验(2)(2)272210/f shlFK iN Aa3.3 短路电流的电动效应和动稳定度1、三相线路中两相短路，则导体受到的最大电动力为：2、三相线路中三相短路，则导体受到的最大电动力（中间相）为：(3)(3)272310/f shlFK iN Aa（3 -49）（3 -50）(3)(2)1.15FF（3 -51）短路时的最大电动力西安交通

11、大学电器理论基础短路电流的效应和稳定度校验定义：电器能承受短路电流电动力的作用而不致破坏或产生永久变形的能力称为电器的电动稳定性，简称动稳定性。电器的动稳定性常用电器能承受的最大冲击电流的峰值来表示。对于成套电器，还需考虑绝缘子、母排能承受的最大机械强度。3.3 短路电流的电动效应和动稳定度短路动稳定度短路电流的效应和稳定度校验1、一般电器的动稳定度校验条件： 式中， imax可查产品手册。 对于成套电器和高压电器， imax就是额定峰值耐受电流； 对于低压断路器， imax就是额定短路接通能力Icm。(3)maxshii3.3 短路电流的电动效应和动稳定度短路动稳定度的校验条件（3 -52）

12、短路电流的效应和稳定度校验2、绝缘子的动稳定度校验条件：式中，Fal为绝缘子的最大允许负荷。(3)alcFF3.3 短路电流的电动效应和动稳定度短路动稳定度的校验条件（3 -54）(3)(3)cFF母线平放(3)(3)1.4cFF母线竖放绝缘子短路电流的效应和稳定度校验3、硬母线的动稳定度校验条件：alc3.3 短路电流的电动效应和动稳定度短路动稳定度的校验条件（3 -55）式中， 为母线材料的最大允许应力：硬铜140MPa，硬铝70MPa； 为母线通过 时所受到的最大计算应力:alc(3)shi（3 -56）cMW短路电流的效应和稳定度校验3、硬母线的动稳定度校验条件：式 中，M为母线通过

13、时所受到的弯曲力矩： 3.3 短路电流的电动效应和动稳定度短路动稳定度的校验条件cMW(3)shi(3)/8MFl母线档数12(3)/10MFl母线档数22/6Wb h母线水平放置，见图3-10，p70W为母线的截面系数：式中，b为母线截面的水平宽度；h为母线截面的垂直高度。短路电流的效应和稳定度校验当短路点附近电动机总容量100kW，或者其额定电流之和超过系统短路电流的1%时，短路点处的短路冲击电流应加上电动机反馈冲击电流。电动机的最大反馈冲击电流为：2.*2Msh Msh MN Msh MN MMEiKICKIX式中，C为电动机反馈冲击系数（表3-3）；Ksh.M为电动机短路电流冲击系数；

14、 IN.M为电动机额定电流。3.3 短路电流的电动效应和动稳定度短路点附近交流电动机的反馈电流影响（3 -57）短路电流的效应和稳定度校验3.4 短路电流的热效应和热稳定度短路电流的效应和稳定度校验电器中的热源主要有三：（1）电流通过导体产生的电阻损耗；（2）交流电器铁磁体内产生的涡流和磁滞损耗；（3）交流电器绝缘体内产生的介质损耗（由于交变磁场的作用） 。所有这些损耗几乎全部转变为热能，一部分散失到周围介质中，一部分加热电器，使电器温度升高。当温度超过一定范围后，电器中的金属材料机械强度就会显著降低（金属软化点）；绝缘材料急剧老化、击穿电压明显下降。从而使电器的寿命缩短，甚至损坏。3.4 短

15、路电流的热效应和热稳定度电器的发热和散热短路电流的效应和稳定度校验因此，电器各部分的温度不能超过其规定的极限允许温度。电器的极限允许温升：电器的极限允许温度与工作环境温度之差。周围环境温度的高低直接影响到电器的散热情况。我国标准规定为+40 。散热：电器产生的热损耗通过三种热传递形式散失到周围介质中去，即：传导conduction 、对流convection 、辐射radiation 。3.4 短路电流的热效应和热稳定度电器的发热和散热短路电流的效应和稳定度校验热平衡方程：根据热平衡原理，电器的发热等于散热加吸热，即：3.4 短路电流的热效应和热稳定度电器的发热和散热TPdtK A dtcmd

16、式中， 在dt时间内电器的总发热量； 在dt时间内电器的总散热量（牛顿公式）； 在dt时间内电器温度升高 时所吸收的热量； A 有效散热面积； KT 综合散热系数； 发热体的温升； c 比热容；m 发热体质量PdtTK A dtcmd0d短路电流的效应和稳定度校验电阻损耗：广义上说，电器的电阻包括：导体的金属电阻，导体连接处的接触电阻，触头开断线路时出现的电弧电阻。电流通过导体所产生的能量损耗称为电阻损耗（或称焦耳损耗）：3.4 短路电流的热效应和热稳定度电器的发热和散热2PKI R20(1.)C100电阻率 当100时， （）式中，K为附加损耗系数，考虑集肤效应和邻近效应对电阻的影响；短路电

17、流的效应和稳定度校验短路电流通过导体时，导体的发热有两个显著的特点：1、通电时间很短（一般不超过23s），导体还来不及向周围介质 散热，因而可假定为绝热升温过程；2、只考虑电阻损耗。导体的允许温度高（如铜300），必须考虑 导体的电阻率随温度而变化。3.4 短路电流的热效应和热稳定度短路时导体的发热过程短路电流的效应和稳定度校验根据上述两个特点，短路时导体的热平衡方程为：Pdtcmd3.4 短路电流的热效应和热稳定度2( )k tKIRdtcmd短路时导体的发热计算或/ t Tke式中，T为发热时间常数： 图3-12，p73切除了短路故障后，温升下降，导体的热平衡方程为：0TK A dtcmd

18、解为：AKcmTT/短路电流的效应和稳定度校验热等效时间 tima 利用热效应不变的原则，将实际短路电流（随时间而变）在实际短路时间tk内所产生的热量，换算成稳态电流在热等效时间tima内产生的热量（图3-13，p74）：3.4 短路电流的热效应和热稳定度222( )0ktk timakimaIdtItI t短路时导体的发热计算imaktt0.05imaktt当tk1s时，短路电流的效应和稳定度校验短路后导体达到的最高温度k 利用图3-14（p74）所示曲线来确定。3.4 短路电流的热效应和热稳定度短路时导体的发热计算2( )k tKIRdtcmdcmd或由：10（）求得：201(1)1kkK

19、 Itke短路电流的效应和稳定度校验 定义：在一定时间内，电器能承受短路电流引起的热作用而不致损伤的能力称为电器的热稳定性，用I2t表示。3.4 短路电流的热效应和热稳定度短路热稳定度短路电流的效应和稳定度校验1、一般电器的热稳定度校验条件： 式中， It为电器的热稳定电流，即额定短时耐受电流Icw ；t为电器的热稳定试验时间，可查产品手册。 根据I2 t不变（即能量不变）原则，可进行如下换算：2(3)2tkimaI tIt（3 -63）3.4 短路电流的热效应和热稳定度短路热稳定度的校验条件1122ttItIt短路电流的效应和稳定度校验2、母线及绝缘导线和电缆等导体的热稳定度校验条件：或：大

20、于导体最小允许截面：.maxkk（3 -64）(3)23min10 /kimaAItC3.4 短路电流的热效应和热稳定度短路热稳定度的校验条件式中，C为导体的热稳定系数，见附录表11。（3 -65）第三章 短路电流及计算小 结Summary小结GS9-1000(Dyn11)K-1 电源10kVK-2S9-1000(Dyn11)380V(1)(2)(4)(3)Q1架空线l=5km短路电流的计算步骤1：绘出计算电路图：小结GS9-1000(Dyn11)K-1 电源10kVK-2S9-1000(Dyn11)380V(1)(2)(4)(3)Q1架空线l=5km短路电流的计算步骤2：按所选择的短路计算点绘出等效电路图，计算短路电路中各主要元件的阻抗：K-122. 0175. 12