电力系统短路故障

电力系统短路故障一、短路的一般概念电力系统应该正常不间断地供电，保证用户生产和生活的正常进行。但是当发生短路故障时，可能破坏电力系统正常运行，从而影响用户的生产和生活。“短路”是指电力系统中相与相之间或相与地之间，通过电弧或其他较小阻抗形成的一种非正常连接。电力系统中发生短路的原因有多种，归纳如下：1）电气设备绝缘损坏。其原因有设计不合理、安装不合格、维护不当等，还有外界原因如架空线断线、倒杆及挖沟时损坏电缆、雷击或过电压等。2）运行人员误操作。如带负荷拉合隔离开关（刀闸）、带地线合闸、误将带地线的设备投入等。3）其他原因。如鸟兽跨接导体造成短路等。电力系统短路的基本类型有：三相短路、两相短路、单相接地短路、两相接地短路等。各种短路故障示意图和代表符号如表1-1所示，其中三相短路为对称短路，其他为不对称短路表P1 各种短路故障示意图和代表符号运行经验和统计数据表明，电力系统中各种短路故障发生的几率是不同的，其中发生三相短路的几率最少，发生单相接地短路的几率最大。在实际工程问题中，经常需要计算短路电流，计算中涉及到如下概念：(1)无限大容量系统。无限大容量电力系统指，容量相对于被供电系统容量大得多的电力系统，其特征是，当被供电系统中负荷变动甚至发生短路故障，电力系统母线电压及频率基本维持不变。一般，电力系统等值电源阻抗不超过短路电路阻抗的5%〜10%,或电力系统容量超过被供电系统容量50倍时，可视为无限大容量电力系统，简称无限大系统或无穷大系统。实际应用中对11OkV配电网，可将供电变压器看作无穷大系统对11OkV配电网供电。(2)短路电流周期分量。电力系统发生短路故障时，与正常负荷状态相比，供电回路的阻抗大为减小，因此出现数值很大的短路电流。显然，短路电流的大小由电源电压和短路回路阻抗决定，电源电压是正弦周期分量，与之对应，产生的是短路电流中的周期分量。在计算中，通常求取的就是这个短路电流周期分量，即在非周期分量衰减完毕后的稳态短路电流。(3)短路电流非周期分量。电力系统正常运行时，线路和设备上流过负荷电流，当发生短路时，在短路回路中将流过短路电流。由于短路回路存在电感，导致电流不能突变，因此，在电流变化的过渡过程中，将出现一个随时间衰减的非周期分量电流，即短路电流中的非周期分量。(4)短路冲击电流。短路全电流中的最大瞬时值称为短路冲击电流，其数值约为短路电流周期分量的1.8姮倍。二、三相对称短路在电力系统的各种短路故障中，虽然三相短路发生的几率最小，但其对电力系统的影响和危害最大。无穷大系统发生三相短路示意图如图1-9所示。三相短路时，三相仍然对称，三相的短路回路完全相同，短路电流相等，相位互差120。因此只计算一相即可。根据电路计算原理，采用有名值计算三相短路电流周期分量如下：1(3)=(1-1)1(3)=式中If)——三相短路电流周期分量有效值;Es——等值电源线电动势，实际计算时可采用平均额定电压;X2——短路回路总电抗，通常计算时不考虑回路的电阻。

图1-9无穷大系统供电发生三相短路示意图—次系统手（b）短路电流路径例1-1某电力系统如图1-10所示，在母线B和母线C分别发生三相短路，试求短路点的短路电流周期分量。（等值电源电抗为Xs=0.22Q，线路单位电抗为解：（1）母线8三相短路。X]解：（1）母线8三相短路。X]=0.38Q/km，变压器T1、T2的额定容量为1000kVA、短路电压为U*=4.5）X=xL =0.38x5=1.9QX^(k])=X+X^b=0.22+1.9=2.12QlUIlUI(3)二一八—k1 \.：3XE(k1)10.5kVv3x2.12Q=2.86kA（2）母线C三相短路。计算时需要将等值电源电抗和线路电抗折算到0.4kV侧，并计算变压器电抗（详细论述请参考电力系统故障分析计算的有关书籍）。

X'=Xss2=0.22x2X'=Xss2=0.22x2=3.2x10-4QX'=XABABIU2=1.9x2=2.76x10-3QU%U2X=X氏t &T1 T2 100S4.5(0.4)2 x =7.2x10-3Q1001000NT=X'+X'+X//XABT1 T2=3.2x10-4+2.76x10-3+7.2x10-3/2=6.68x10-3QI⑶二-JUG

I⑶二-JUG

k2v3X0.4kVE(k2)三、不对称短路3xx6.68x10-3Q=34.57kA电力系统不对称短路包括两相短路、两相接地短路和单相接地短路。(一)序分量的概念当电力系统发生不对称短路时，三相不再对称，三相的电流和电压数值也不再相等。如果将此不对称的电流或电压进行分解，可以分解出正序分量、负序分量，对于接地短路还有零序分量，分别用下标1、2和0表示。以电流为例，各序分量电流相量图如图1-11所示，对于工频50Hz，正序电流三相对称，即大小相等，相位互差120o；负序电流三相对称，即大小相等，相位互差120o；但相序与正序电流相反；零序电流三相大小相等，相位相同。三相短路电流为♦ ♦ ♦ ♦ -B.I = I与正序电流相反；零序电流三相大小相等，相位相同。三相短路电流为♦ ♦ ♦ ♦ -B.I = I + I + I 'kAA1 A2 0♦ ♦ ♦ ♦图1-11电流序分量相拉图(a)正序分量f 负序分量；(c)零序分量I=I+I+I>TOC\o"1-5"\h\zkB B1 B2 0♦ ♦ ♦ ♦(1-2)I = I +1 +1(1-2)kC C1 C2 0,可得零序电流为♦ I• ♦ ♦I=-(I +1+1)0 3kAkBkC用瞬时值表示为i(t)=1\i(t)+i(t)+i(t)]

0 3kAkBkC显然，电力系统正常运行时仅有正序分量。(二)短路电流1、两相短路无穷大系统供电发生BC两相短路示意图如图1-12所示。电力系统发生两相短路，经故障相和短路点构成短路回路，由故障相电源的线电动抛产生短路电流，流过故障线路，非故障线路没有短路电流，因此出现三相不对称。不在计负荷电流的情况下，三相的短路电流分别为■■■TOC\o"1-5"\h\zI=I+1=0 ]kA A1 A2■ ■I=I+1L (1-4)kB B1 B2 f■■■I=I+1=-1kC C1 C2 kB」可见两相短路时的特点是，三相不对称，出现负序电流；只有故障相存在短路电流，且两相的短路电流数值相等，相位相反。图1T2无穷大系统供电发生BC两相短路示意图<a>一次系统[(b)短路电流路径根据图1-12,短路电流数值可计算如上:(1-5)式中以2)——两相短路电流周期分量有效值。/一一等值电源线电动势，实际计算进可以采用平均额定电压；X£———相短路回路总电抗。将式（1-5）与式（1-1）比较可得行一一 ,一I（2）=——I（3）=0.8661（3） （1-6）k2k k式（1-6）说明，两相短路电流数值为同一地点三相短路电流的0.866倍，在实际计算中，常常求出三相短路电流后，直接用以上关系得到两相短路电流。2、单相接地短路（1）中性点直接接地系统。中性点直接接地的无穷大系统供电，发生A相单相接地短路示意图如图1-13所示。图1-13中性点直接接地的无穷大系统供电

发生A相单相接地短路示意图5）一次系统彳（1））短路电流路税中性点直接接地电力系统发生单相接地时，经直接接地的中性点、故障相和短路点构成短路回路，由故障相电源电动势产生短路电流，流过故障线路，非故障线路没有短路电流，因此出现三相不对称，在不计负荷电流的情况下，三相的短路TOC\o"1-5"\h\z电流分别为■ ■ ■ ■ ■I=I+1+1=31 ）kA A1 A2 A0 0■ ■ ■ ■I=I+1+1+1=0I （1-7）kB B1 B1 B2 B 0t■ ■ ■I=I+1+1=0kCC1C2C0 」可见单相接地短路时的特点是，三相不对称，出现负序电流和零序电流；故障相存在短路电流，在图1-13（b）中的数值为31。关于单相接地短路电流计算及两相接地短路问题需要用到复合序网等概念，在此不作介绍。（