电力系统短路及短路电流计算

电力系统短路及短路电流计算

短路是电力系统中常见的、并且对系统正常运行产生严

重影响的故障。短路将使系统的电压急剧下降，短路回路中

的电流大大增加，可能使电力系统的稳定运行遭到破坏和电

气设备损坏。因此，在发电厂变电所的设计和运行中，都需

要对短路电流进行深入的分析和计算。

第一节电力系统短路的概念、种类及危害

一、短路的定义和种类

电力系统的不正常工作，很多是由于短路故障造成的。

所谓短路是指电力系统中带电部分与大地（包括设备的外壳、

变压器的铁芯、低压线路的中线等）之间，以及不同相的带电

部分之间的不正常连接。这种不正常的连接可能是通过小阻

抗回路形成的，也可能是以电弧的形式形成的。

在中性点非直接接地的系统中，短路故障主要是指不同

相的带电部分间的短路，也包括不同相的多点接地。在这种

系统中，单相接地故障不会形成短路，仅有不大的接地电流

流过接地点，系统仍可继续运行，不属于短路故障，但属于

一种运行障碍。

三相系统中短路的基本类型及代表符号为：三相短路

—K（3）、两相短路一K⑵、单相接地短路一K⑴、两相接地短

路一K（s）。图1-4-1为各种短路的示意图，图中X表示电路

的电抗，R为电阻。为区别各种短路的电流、电压、功率等,

图中表示这些量的文字符号的右上角也同时注明了相应形

式的短路符号。

图1-4-1短路的基本类型

（a）三相短路；（b）两相短路；（c）单相接地

短路；（d）两相接地短路

三相短路时，由于短路回路中各相的阻抗相等，尽管三相

的短路电流比正常时的电流大幅度增大，电压也比正常时急

剧降低，但三相系统仍然保持对称，故称之为对称短路。除三

相短路外，其他几种形式的短路，短路时各相电流、电压的数

值并不相等，相位角也不相同，三相系统的对称性遭到破坏，

所以，这些类型的短路也就称为不对称短路。

运行经验表明，在中性点直接接地系统中，以单相接地

短路故障为最多。根据电力系统有关资料统计，不同短路故

障发生的概率大约为：单相接地短路83%,两相短路4%,

两相接地短路8%,三相短路5%。虽然各种相间短路所占比

例较小，但并不能因此而轻视相间短路，特别是三相短路。

这是因为三相短路所造成的后果最严重。本章主要研究分析

三相短路的短路电流及其计算。而不对称短路的短路电流计

算是在三相短路电流计算的基础上进行的。

二、短路的危害及预防

1.短路的危害

短路的主要原因是电气设备载流部分间的绝缘被损坏。

引起绝缘损坏的原因有一：过电压、绝缘的自然老化和污秽、

运行人员维护不周及机械损伤。电力系统其他一些故障也可

能导致短路，如输电线路断线和倒杆、运行人员违章操作、

鸟或小动物等跨接裸导体等，都可能造成短路。

短路对电力系统的危害主要有以下几方面：

(1)电力系统发生短路时，短路回路的电流急剧增大，这

个急剧增大的电流称为短路电流。短路电流可能达到正常负

荷电流的十几倍甚至几十倍，数值可能达到几十千安甚至几

百千安。巨大的短路电流通过导体时，一方面会使导体严重

发热，造成导体过热甚至熔化，进一步损坏设备绝缘；另一

方面，巨大的短路电流还会产生很大的电动力作用于导体，

使导体遭到机械方面的损坏，包括变形。

(2)短路时往往伴随有电弧的产生，能量极大、温度极高

的电弧不仅可能烧坏故障元件本身，还可能烧坏周围设备或

危及人身安全。

(3)电力系统发生短路时，由于短路电流来势迅猛，电路

中的阻抗主要是感性的，因此，短路电流基本上是感性的，

它所产生的去磁的电枢反应，使发电机的端电压下降。同时

巨大的短路电流会增大电力系统中各元件的电压损失，使系

统电压大幅度下降，严重时可能造成电力系统电压崩溃直至

系统瓦解，出现大面积停电的严重事故。

(4)短路时，电力系统中功率分布的突然变化和电压严重

下降，可能破坏各发电机并列运行的稳定性，使整个系统被

分裂成不同步运行的几个部分。这时某些发电机可能过负荷,

因此必须切除部分负荷，另一些发电机可能由于功率送不出

去而被迫减少出力。短路时，电压下降得越大、持续时间越

长，系统运行的稳定性受到破坏的可能性就越大。

(5)不对称短路将产生负序电流和负序电压。汽轮发电机

长期运行允许的负序电压一般不得超过发电机额定电压的

8%〜10%,异步电动机长期允许的负序电压一般不得超过其

额定电压的2%〜5%。过大的负序电压将严重影响汽轮发电

机和异步电动机的安全运行和使用寿命。

(6)某些类型的不对称短路，非故障相的电压将超过额定

值，引起过电压，从而增大了系统的过电压水平。

(7)不对称接地短路故障将产生零序电流，它会在邻近的

通讯线路内产生感应电动势，造成对通讯线路和讯号系统的

干扰。

2.短路的预防和限制短路电流的措施

为了保证电力系统安全可靠的运行，减轻短路对电力系

统的不良影响，应尽量消除可能引起短路的一切潜在原因，

同时采取限制短路电流的技术措施，通常可以从这几个方面

来考虑：

(1)认真学习、严格执行有关规程，努力提高电业人员各

方面的素质。严格遵守操作规程和安全规程，避免误操作事

故的发生；当短路事故发生时，应立即采取有效措施，将短路

的影响尽量限制在最小的范围内

(2)做好设备的巡视、检查和维护工作；作好事故的预想

和预防工作。

(3)发电机装设自动调节励磁装置，当发电机的端电压改

变时，能自动地调节励磁电流，维持发电机的端电压在规定

的允许范围内。

(4)采用快速动作的继电保护装置和断路器，以便迅速隔

离故障，使系统的电压在最短的时间内恢复到正常值。

(5)合理选择电气主接线形式。

(6)合理选择限流设备，增大短路回路的阻抗，如在回路

中装设限流电抗器等。

三、计算短路电流的目的及基本假设

1.计算短路电流的目的

(1)在设计电气主接线时，为了比较各种方案，确定某种

接线方式是否有必要采取限制短路电流的措施等，需要进行

短路电流计算。

⑵在进行电气设备和载流导体的选择时，为了保证各种

电气设备和导体在正常运行时和故障情况下都能安全、可靠

地工作，同时又要力求节约，减少投资，需要根据短路电流

对电气设备进行动、热稳定的校验。

(3)在选择继电保护装置及进行整定计算时，必须以各种

不同类型短路时的短路电流作为依据。

(4)设计屋外高压配电装置时，要按短路条件校验软导线

的相间、相对地的安全距离。

(5)设计接地装置。

(6)电力系统运行及故障分析等。

选择电气设备时，只需近似地计算出通过所选设备可能

出现的最大三相短路电流值。设计继电保护和系统故障分析

时，要对各种短路情况下各支路的短路电流和各母线电压进

行计算。在现代电力系统的实际情况下，要进行丝毫不差的

短路计算是相当困难的，甚至是不可能的。同时，对大部分

工程实际问题，也并不要求有丝毫不差的计算结果。因此，

为了简化和便于计算，工程实际中多采用近似计算。本章所

介绍的短路电流实用计算，就是建立在一系列基本假设的基

础上，计算结果会有一些误差，但并不会超出工程实际允许

的范围。

2.短路电流实用计算的基本假设

(1)电力系统在短路前、正常运行时，三相是对称的。

(2)电力系统中所有发电机电动势的相位在短路过程中都

同相，频率与正常运行时相同。

(3)电力系统在短路过程中，各元件的磁路不饱和，也就

是各元件的电抗值与所流过的电流的大小无关，因此，在计

算中可以应用迭加原理。

(4)电力系统中各元件的电阻，在高压电路中都略去不

计。但是，在计算短路电流非周期分量的衰减时间常数时应

计及电阻的作用。此外，在计算低压网络的短路电流时，也应

计及元件的电阻，但可以不计算复阻抗，而是用阻抗的绝对

值进行计算。

(5)变压器的励磁电流略去不计，相当于励磁回路开路，

以简化变压器的等值电路。

(6)输电线路的分布电容忽略不计。

实际上，当短路发生时由于系统阻抗的突然变化，发电

机的输出功率也随之发生变化；电力系统电压的下降，也导

致发电机提供的短路电流减少。因此，用实用计算法计算短

路电流，所得的结果，要比实际的短路电流略大。

第二节短路电流的计算方法

一、计算短路电流的有名值法和标么值法

短路电流的计算可以用有名值法，也可以用标么(注:

“么”读作“幺”，作“幺”解，本书按习惯写为“么”)值法。

有名值法，就是在短路电流计算中，各物理量都采用有名值

(因各阻抗的单位是欧姆,又称之为欧姆法)。它的特点是，直

接利用各物理量的有名值进行计算。在小型系统的短路电流

计算中比较直接、方便。标么值法，是在短路电流的计算中，

各阻抗、电压、电流量都采用标么值，即用将实际值与所选

定的基准值的比值来计算。其优点是在多电压等级的系统中

计算比较方便。

1.有名值法

电力系统发生三相短路时，其短路电流可按式(1-4-1)计

算

⑶_

K-(1-4-1)

式中uav一短路点的计算电压(平均额定电压)，即0.

4、10.5、37、63、45、230、347、525kV；

XE一—短路回路的总电抗值。

电力系统中，各元件等值电抗的计算方法如下：

(1)电力系统的等值电抗：可用电力系统变电所高压

线路出口断路器的断流容量Sk来进行估算，即

x=空------------(1-4-2)

SK

式中Uav一—短路计算点的平均额定电压(用于计算时

的线路电压)，kV；

Sk——出口断路器的断流容量，MVA,可由产

品手册查得。

(2)发电机的等值电抗：当发电机的参数无法确定时,

可参考表1-4-1o

表1-4-1发电机电抗（额定标么值）

发电机型式X；X2X。

汽轮发电机0.1250.141.5

0.20或0.270.25

水轮发电机0.07

（无阻尼）或0.45

大型同步电动0.20.200.08

机0.190.200.06

同期调相机

注Xi正序次暂态电抗，X2为负序电抗，X。为零序

电抗。

（3）电力变压器的等值电抗:

%％度

XTg--------------(1-4-3)

100SN

式中以％——变压器短路电压百分数，可由产品手册查

得；

SN——变压器的额定容量，MVA；

XT——变压器的正序等值电抗，Q。

（4）电力线路的等值电抗：

XL=X0L---------------（1-4-4）

式中Xo——架空线路或电缆线路的单位电抗，Q/km,可

查表1-4-2；

L——电力线路的长度，km0

表1-4-2架空线路或电缆的电抗

类别10kV35kV63kVllOkV220kV330Kv500kV

架空0.380.420.420.430.310.320.30

线路(0.44)

电缆0.080.12

注架空线路的正序等值电抗与负序等值电抗相等,

零序等值电抗X0=3.5X1。

括号中0.44为双分裂导线。

(5)化简网络：当求出各元件的等值电抗后，可进行化简

电路并计算出短路回路总电抗的工作。

应当指出，在计算短路回路的总电抗时，如果系统含有多

个电压等级，则应将各元件的等值电抗统一换算到短路点所

在的电压等级。由公式Q=U2/X可知，元件的电抗值与电压

的平方成正比，所以，电抗的换算公式为

----------------(1-4-5)

式中X,——换算后元件的电抗，Q；

U1——短路点所在电压等级的平均额定电压，kV；

X——换算前元件的电抗，Q；

uav——换算前元件所在电压等级的平均额定电压，kVo

元件的电抗，只有线路才需要进行换算。而电力系统、发

电机和变压器的电抗，由于它们的计算公式中都含有电压平

方的因子，因此，在计算这些元件的电抗时，可直接将短路

点所在电压等级的平均额定电压代入，不必再进行换算了。

计算短路电流的步骤如下：

（1）作出计算电路图。

（2）对各元件依次进行编号，并注上额定参数。

（3）确定短路点、绘出相应的等值电路图，计算出各个

元件的等值电抗。

（4）化简电路，求出短路回路的总电抗，即可计算出短

路电流及短路容量。

【例系统如图1-4-2所示，已知电力系统的短路容量

为3000MVA,求变电所高压侧K1及低压侧此点的短路电流

和短路容量。

图142

解（1）当K1点短路时:

1）电力系统的等值电抗

2）计算架空线路的等值电抗，查表1-4-2得X0=0.43Q

/km,则

X2=0.43x50=21.5（Q）

3）绘制K1点短路时的等值电路如图1-4-3所示,并计算

短路回路总电抗

4.41Q21.5Q

图1-4-3

Xxki=Xi+X2=4.41+21.5

25.91（。）

4）计算Ki点短路时的三相短路电流和三相短路容量

三相短路电流为

三相短路容量为

=Viu'/?=由x115x2.56=509.9(MVA)

⑵当K2点短路时：

1)电力系统的等值电抗

X尸合粽=。85(⑺

2)计算架空线路的等值电抗,并按式(1-4-5)换算，得

X?=043x50x(黑尸=0.179(Q)

3)计算变压器的等值电抗，按UK%=10.5,得

Uk%xU-10.5xIOS?

X3=0.772(C)

100xS„100x15

4)绘制K2点短路时的等值电路如图1-4-4所示，并计算短

路回路总电抗

123k2

35mQ179^0772^0

0--------V-A--

SrT

图1-4-4

=X1+X，+X,=0.035+0.179+0.772=0.986(Q)

5)计算K2点短路的三相短路电流和三相短路容量

三相短路电流为

=6.15(kA)

三相短路容量为

=^UarI^=73x10.5x6.15=111.82(MVA)

2.标么值法

用标么值计算短路电流的方法即为标么值法。标么制是

一种相对单位制。短路电流实用计算中常用到的物理量如电

流、电压、电抗和视在功率等，都采用无单位的相对数值即

标么值表示并进行计算。

（1）标么值：标么值是一个物理量的实际有名值与一个

预先选定的具有相同量纲的基准值的比值。一般表达式为

实际有名值

基准值（与实际有名值同量纲）

标么值是无单位的数值，标么值实际上就是某物理量的

有名值对基准值的倍数。当选取的基准值不同时，同一有名

值的标么值也不相等。一般来说，基准值是任意选取的。因

此说到某一个量的标么值时，必须首先说明它的基准值，否

则没有意义。

（2）基准值的选择：在三相系统的短路电流计算中，常

用的电气量有线电压U、相电流I、一相的电抗X、三相功

率S。这四个电气量之间，应满足下列两个基本关系式，即

欧姆定律u=V3/x(1-4-6)

功率方程式s3u(1-4-7)

这四个电气量对于选定的基准值的标么值为

”-U1-1Y_Xc_S

I,5X*厂xjS*「g

用标么值进行计算时，必须首先选取这四个电气量的基准

值。一般来说，这四个电气量Uj、Ij、Xj、Sj可以任意选取,

但是，它们必须满足欧姆定律和功率平衡方程式，即

5=肉而(1-4-8)

易=百L5

(1-4-9)

这样选取基准值的优点是：若将式(1-4-6)被式(1-4-8)除，

式(1-4-7)被式(1-4-9)除，可得

U*j=I*jX*j----------(1-4-10)

S*j=I*jU*j----------(1-4-11)

由式(1-4-10)和式(1-4-11)可见，当选取的四个基准值满

足欧姆定律和功率方程式时，那么，在标么制中，三相电路

线电压和三相功率的计算公式与单相电路的电压和功率计

算公式完全一样。

按上述原则选取基准值时，四个基准值可以任意选取其

中的两个，另外两个由式(1-4-8)和(1-4-9)也就可以确定了。

通常，在短路电流计算中选取的是基准功率和基准电压，基

准电流和基准电抗则由公式求得。

实际计算中，往往选择电力系统各元件所在电压等级的平

均额定电压作为基准电压，也就是说各元件的基准电压都等

于所在电路的平均额定电压。如UOkV线路，用它的平均额

定电压作为基准电压时，Uj=U5kV。基准功率的选择，根据

计算经验一般S-100MVA或1000MVA,有时也用系统电源

的总容量。而基准电流和基准电抗，则可由基准电压和基准

容量推导得出。

基准值是任意选定的标么值称为标么基准值。

(3)基准值改变时标么值的换算：由标么值的定义可知，基

准值不同，同一有名值的标么值也不相同。短路电流计算中,

发电机、变压器及电抗器等元件的电抗，生产厂家给出的都

是以各元件的额定参数作为基准值的标么值，这个以各元件

的额定参数为基准值的标么值称为标么额定值。在短路电流

计算中，整个计算过程必须选取统一的基准值。因此，必须

把以额定参数为基准值的标么额定值，换算成为统一选取的

基准值的标么值即标么基准值。

不同基准值的标么值的换算原则：不论基准值是如何变

化的，标么值是如何的不同，但某一电气量的有名值总是一

定的。所以，可以根据给定的标么值先计算出有名值，再根

据有名值和新的基准值，换算出所需要的标么值。

(4)标么值换算为有名值：标么值在短路电流计算中仅仅是

一种工具，作为一个中间过渡,它没有单位。但是，不论是选

择电气设备，还是其他的一些计算，需要的结果都必须是有

名值。因此，最后都必须把标么值换算成有名值。这种换算,

根据标么值的定义可有：

Sj

=%—%啊---------(1-4-12)

U=U*jUj(1-4-13)

X=X*,Xj=X*—(1-4-14)

11」Sj

s=s*jS,-----------(1-4-15)

以上各式中，各电气量的单位是：电压为千伏(kV)；电流

为千安(kA)；电抗为欧姆(Q)；功率为兆伏安(MVA)。

(5)标么值的优点：用按上述原则选择的各电气量的基准值

计算所得的标么值，对对称三相系统进行计算时，相电压和

线电压的标么值相等，三相功率和单相功率的标么值相等，

对称三相电路完全可以按单相电路的公式进行计算。

当选取的基准电压，使U*j=l,则S*j=I『-L,这样可以

X*j

使计算大大简化。

在由多个电压等级构成的系统的短路电流计算中，采用标

么制，由于各元件的等值电抗的标么值是一种比值，与短路

点的电压无关，这样就不必再进行各元件的等值电抗的换

算，计算方便。大中型及复杂系统，都是采用这种方法进行

短路电流计算的。

二、电力系统中各主要元件的电抗标么值

短路电流实用计算中，一般只考虑各主要元件的电抗，如

发电机、电力变压器、电抗器、架空线路及电缆线路。对于

母线、不长的连接导线、断路器和电流互感器等元件的阻抗,

则忽略不计。一个元件的等值电路往往随短路的类型不同也

有所不同，这里所介绍的各元件的等值电路和等值电抗，仅

是对三相短路而言的。

1.发电机

发电机的等值电路可用相应的电动势与电抗的串联来表

示。图1-4-5所示为发电机的等值电路。在实用计算中，发

电机电势选用次暂态电动势E1,电抗选用短路起始瞬间电

抗，即纵轴次暂态电抗X"ko发电机的次暂态电抗，可由产

品目录中查得，或参考表注意，这些参数是以发电机

的额定参数为基准值的标么额定值，实际计算时需进行换

算。

q

士------(1-4-16)

1

图1-4-5发电机及等值电路

(a)发电机；(b)等值

电路

2.变压器

变压器的励磁电流较小，一般为额定电流的5%左右，短

路计算时常忽略不计。双绕组变压器的等值电路如图1-4-6

所示。

图1-4-6双绕组变压器的等值电路

(a)双绕组变压器；(b)等值电路

产品目录中给出的双绕组变压器的阻抗电压百分值Uk%,

是变压器流过额定电流时的电压降对额定电压比值的口分

数，所以变压器以额定参数为基准值的电抗标么额定值为

x3%

T"100

换算成选定基准值下的电抗标么值为

tfSj(1-4-17)

x『j-loos„

三绕组变压器和自藕变压器的等值电路如图1-4-7所示。

各绕组间的短路电压口分值分别用UKI-H%、Ukii-w%、Ukni-i%

表示，这也是对应于变压器额定参数下的，用百分值表示的

变压器绕组之间等值电抗的标么额定值。下标I、n、in分

别表示高、中、低压各侧。

图1-4-7三绕组变压器和自耦变压器

及等值电路

（a）三绕组变压器；（b）自耦变压器；（c）两

种变压器的等值电路

等值电路中各绕组的电抗Xi、Xn、XIIP是以变压器额定

参数为基准值的标么额定值电抗，可按下列公式计算

*=200(-H%+Ukm-1%-Ukn-困％)

•=200(5fl-in%+Li_口％-Ukin-1%)

=

•200(Ukoi一I%+Uku-皿％-Uki-q%)

换算成选定基准值下的电抗标么值的计算公式

1Sj

X[*j=--------(UK]"%+UK〃11%_U111%)——

Ij200'—〃RIIi-1A//in'§

1s,

X〃*.=---(UKU/〃%+“K/〃%—〃//%)~~

uj200'K〃-/〃A/—IlKin-i/s

X"i*j—(UK"IT%+UK〃-/〃％-°K/-〃％)

3.电抗器

电抗器是用来限制短路电流的设备，等值电路用电抗器

的电抗表示。产品目录中给出电抗器的电抗百分值，一般，

XL%约为3%〜10%。

由于电抗器是具有较大电抗值的元件，不能忽略额定电

压与平均额定电压之间的差别，所以

二X*UnSj

XL*j(1-4-18)

100V3/„u*

式中的Uav为电抗器所在电压等级的平均额定电压。

4.架空线路和电缆线路

架空线路和电缆线路的等值电路，也是用它们的电抗表

示。在短路电流实用计算中，通常采用表1-4-2中的数值计

算。

一般架空线路或电力电缆给出的数据为电抗的欧姆值，所

以

x•产x工-------(1-4-19)

式中Uav一一架空线路或电力电缆所在电压等级的平均额

定电压。

三、计算电路图

计算电路图是进行短路电流计算的专用电路图，是一种

简化了的单线图，如图1-4-8所示。图中仅画出与计算短路

电流有关的元件以及它们之间的相互连接，并注明各元件的

额定参数，如发电机的额定容量和次暂态电抗、变压器的额

定容量和短路电压百分值等。图中各元件还要按顺序进行编

号，如图1-4-8中发电机的编号为1和2,变压器的编号为4

和5等。在复杂的计算电路图中，为了图面的清晰，各元件

的额定参数还可以另行列表注明。

0.40

10VA10-5kv

Uk%=10.5

2X31.5V

%=10.5

400A

k黑10KV

2X62.5•

Xk=0.135

图1一4-8计算电路图举例

计算电路图中各元件的连接情况，应根据电气设备的实

际连接情况、运行方式和计算短路电流的目的来决定。如为

了校验电气设备，必须计算可能通过被校验电气设备的最大

短路电流值，计算电路图就必须按最大运行方式时的连接情

况，同时还应考虑到整个系统可能的发展前景。对继电保护

装置进行动作值整定时，可能要计算电气装置或整个电力系

统不同运行方式下的短路电流，此时则可能仅有部分发电机

投入运行。

电力系统发生短路时，同步调相机、同步电动机以及大容

量的并联电容器组等，都可能向短路点提供短路电流，在计

算电路图中应将它们当作附加电源。但如果这些设备距离短

路点较远，或同步电动机的总视在功率在lOOOkVA以下时，

因对短路电流的影响不大，可以不予考虑。

短路电流实用计算中，各电压参数是用平均额定电压进

行计算的。即认为：凡接在同一电压等级中的所有电气设备

的额定电压，都等于相应的平均额定电压。但电抗器除外，

这是因为电抗器的电抗比其他元件的电抗大得多，为了减

少计算的误差，对电抗器，仍应用它自身的额定电压进行计

算。平均额定电压用Uav表示。

四、等值电路及其化简

1.等值电路的绘制

短路电流是对应各个短路点分别进行计算的，所以等值

电路,也应根据各短路点分别作出。如图1-4-9(a)所示，为K/3)

点短路的等值电路。有时为了方便，也可将几个短路点的等

(3

值电路绘制在一起，如图1-4-9(b)所示为对应Ki⑶、K2\

用⑶点短路时的等值电路。图中各元件用各自的等值电抗的

标么值表示，并用分数的形式注明元件的顺序编号和电抗标

么值，其中分子为元件的编号，分母为相应元件的电抗标么

值。

某短路点的等值电路，仅包含在该点短路时，短路电流

流经的所有元件。例如图1-4-8中Ki⑶点短路，短路电流仅

流过发电机和电抗器，短路电流并不流过其它元件，所以对

应给⑶点短路时的等值电路，就仅画出发电机和电抗器的等

值电抗，其它元件的等值电抗不必画出，如图l-4-9(a)所示。

/

图＞4-9对应图1-4-8计算电路的等

值电路

(3)

(a)Ki⑶点等值电路；(b).⑶、&⑶、K3

点等值电路

当某点短路，短路电流流过的元件处在几个电压等级时,

例如K2⑶点短路，发电机处在10.5kV,架空线处在115kV,

两个电压等级通过变压器连接。此时，如用有名值计算，必

须把处在不同电压等级下的各个元件的等值电抗，都折算到

同一电压等级后，才能作出等值电路。这种折算往往给计算

带来很多麻烦。但用标么值计算时，就不需要进行这种折算,

这也是采用标么值计算的一个优点。

2.化简等值电路

为了计算短路电流，必须根据短路点分别进行等值电路

的化简，求得电源至短路点的短路回路总电抗的标么值X»。

等值电路化简时，可按有关课程中所学过的电路计算规则和

公式进行。

例如，进行Y-△变换时，其等值电路如图1-4-10所示。

图1-4-10Y—A变换的等值电路

将△形电路变换成等值Y形电路时，Y形各支路的电抗

为

_xgi

A1-

X12+X23+X31

A2

~X12+X23+X31

Y_____X31X23

kx畿+x.+x^______(1-4-20)

将Y形电路变换成等值△形电路时，△形各支路的电抗

为

Xi2=Xi+X2+谖^

X23=X2+X3+^^

;i

X3i=X3+Xi+^^

------------d-4-21)

在化简等值电路时，经常会遇到对短路点局部或全部对

称的等值电路，此时可将电路中的各等电位点直接连接起

来，并将等电位点之间的电抗除去，这样可以使计算大大简

化。

【例1-4・2】试用标么值法计算【例1・4・。中坛点短路

时的总的电抗标么值。

解（1）确定基准值

取Sj=100MVA,UrUav

（2）计算各元件等值电抗的标么值

1）电力系统等值电抗的标么值

Xi*=Sj/Sx=100/3000=0.033

2）架空线路等值电抗的标么值

22

X2=X0LSj/Uav=0.43X50X100/115=0.163

3）变压器等值电抗的标么值

X3*=Uk%Sj/100Sn=10.5X100/(100X15)=0.7

⑶作出等值电路图并化简，如图1-4-11所示，

图1-4-11

计算短路回路总电抗的标么值

Xzk2=X]*+X2*+X3*=0.033+0.163+0.7=0.896

第三节无限大容量系统供电电路内三相短路

一、无限大容量系统的概念

无限大容量系统（或称无限大容量电源），是指由这种电

源供电的电路内发生三相短路时，电源的端电压在短路时恒

定不变，电压的幅值和频率也都恒定不变，即认定为该系统

的容量为“无限大”，记作s=8,电源的内阻抗z=0。

实际上，真正的无限大容量电源并不存在，它只是一个

相对的概念。因为无论系统多大，其容量总是一个有限值，并

且总是有一定的内阻抗，短路时电压和频率总会产生变化。

但是，当短路发生在距电源较远的支路上，阻抗远大于系统的

内阻抗，此时电源的电压几乎不变，在实用计算中，可以认为

电源的电压恒定不变，向这个短路支路提供短路电流的电源

便可认为是无限大容量电源。一般地，当电源或系统的内阻

抗小于短路回路总阻抗的10%时，就可以认为这个电源或系

统是无限大容量电源（系统）。

二、短路电流的变化规律

以图1-4-12所示的电路为例，来进行无限大容量电源供

电的电路内发生三相短路时短路电流变化规律的分析讨论。

图1-4-12由无限大容量电源供电的电路三

相短路

图中电源为无限大容量电源，电源母线电压为相应的平

均额定电压Uav,在短路过程中保持恒定不变。假设在K⑶

点发生三相短路，网和Xg为电源至短路点间各元件的总电

阻和总电抗，R%和Xfh为负荷的电阻和电抗。

正常运行时，电路中的电流取决于电源母线电压Uav、

阻抗左和2布之和。当K⑶点突然发生三相短路时，整个电

路被短路点分割成为左右两个单独的部分：右半部分的回路

没有电源，通过短路点构成短路回路，相当于R-L串联电路

换路时的零输入响应情况，此回路中电流将逐渐衰减至零；

左半部分的回路与电源连接，构成短路回路，相当于R-L串

联电路换路时的全响应情况，电源将向短路点提供短路电

流。由于短路回路中的阻抗ZE小于(ZE+Z%),电路中又有电

感存在，短路回路中的电流将由正常运行时的工作电流，经

过一个暂态过程，逐步过渡到短路电流的稳态值。图1-4-13

所示为无限大容量电源供电电路内三相短路电流的变化曲

线。因为三相短路是对称性短路，我们可以只分析三相中的

任何一相，图1-4-13所示的短路电流变化曲线假设是U相的

情况。

-t(wt)

图1-4-13无限大容量电源供电电路内三相短

路电流的变化曲线

设在t=0时刻发生三相短路，根据电路知识可知，正弦

交流激励下R-L串联电路换路时的全响应，可分解为两个分

量一一稳态分量和暂态分量。稳态分量又称为周期分量，暂

态分量也称为非周期分量。于是，短路的全电流炉为周期分

量炉与非周期分量胃之和，即

限=炉+率）-------（1-4-22）

KcJc

从短路开始到非周期分量衰减至零为止，是短路的暂态

过程。暂态过程结束以后，短路进入稳态。由于非周期分量

的存在，在暂态过程中短路的全电流与横轴不对称，并出现

最大的瞬时值隔，这个最大的瞬时值达称为冲击短路电流。

为了方便，与边相似，在下面的分析讨论中将表示三相

短路的符号（3）省略。

三、短路电流各量的计算

1.周期分量

周期分量，又称稳态分量，取决于电源的母线电压uav

和短路回路总阻抗ZE。当母线电压保持不变，又忽略短路回

路的电阻时，周期分量的有效值为

/=%--------(1-4-23)

因为无线大系统的母线电压Uav不变，所以在以任一时

刻为中心的一个周期内，周期分量的有效值应相等，即

Iz=Izt=loo------(1-4-24)

式中Izt一时间为t秒时,周期分量的有效值；

loo——1=8,短路进入稳态时,周期分量的有效值,

又称为稳态短路电流。

用标么值计算时，取Uj=Uav，则

/,*=」-----------(1-4-25)

周期分量有效值的有名值为

1z=Iz*ij-------(1-4-26)

2.非周期分量

在感性电路中发生短路时，短路电流不但含有周期分

量，而且由于感性电路的电流不会发生突变的性质，短路电

流中还含有非周期分量，非周期分量又称为过渡分量或自由

分量。非周期分量的表达式为

=WT'--------（1-4-27）

式中3----角频率，w=2Jif,rad/s；

Ta——衰减时间常数，Ta=X，Rx，rad；

ifz0——1=0时，非周期分量的起始值。

由于在发生短路的瞬间，电路中的电流不能突变，故短

路全电流t=0时的瞬时值应等于t=0时负荷电流的瞬时值

iqo,由式（1-4-22）所以有

ifzo=ifho-izo------（1-4-28）

一般高压电路中，XE»RL,当电阻忽略不计时，ZxgXx，

阻抗角（Pd仁90°。如在发生短路的瞬间，电压的初相角为零，

而且短路前线路是空载的，ifh=O,这是最严重的短路条件，

此时非周期分量的起始值为

ifzo=~Uo--------（1-4-29）

t=0时，周期分量的起始有效值为Iz,按最严重短路条件

则起始值izo的大小为四Izo即

izo—V212

t秒时刻，非周期分量的瞬时值，可用下式表示

（IX

ifzt=-包1-----（1-4-30）

非周期分量的衰减时间常数Ta，决定着非周期分量衰减

的快慢。Ta愈大，非周期分量衰减的愈慢；Ta愈小，则非

周期分量衰减得就愈快。

3.冲击短路电流

冲击短路电流iim，出现在短路发生后的半个周期，即t

=O.O1S时刻。它是短路全电流中最大的瞬时值，当/通过导

体和电器时，会产生很大的电动力使导体和电器遭受损坏。

由图1-4-13可见，冲击短路电流

0.0100.010

iim=a+回zJ—=®(l+e=)=K而电

式中Kim——冲击系数

0.016?

Kxl+JT

冲击系数Kg表示冲击短路电流为周期分量幅值的倍

数，它由Ta确定。如果电路中Rx=0,即短路回路中仅有电

抗，则Ta=8,Kim=2,非周期分量不会衰减；如电路中Xz=0,

即短路回路中仅有电阻，贝I」Ta=0,Kim=l,短路电流就不含

有非周期分量。实际电路中，

在由无限大容量电源供电的高压电路中，一般推荐取

Kim=1.8,则冲击短路电流

iim=1.8xV2IZ=2.55IZ------(1-4-31)

应该指出的是，由于三相电路中各相电压的相位差为

120°,所以发生三相短路时，各相的短路电流周期分量和非

周期分量的初始值不同。因此，iim=2.55Iz的冲击电流仅在一

相中出现，其他两相并不会出现这个冲击电流。

4.母线剩余电压

在继电保护的整定计算中，有时需要计算处在短路点前

面的某一母线的剩余电压。三相短路时，短路点的电压为零,

系统中距短路点电抗为X的某点剩余电压，在数值上就等于

短路电流通过该电抗时的电压降。剩余电压又称为残余电

压。

短路进入稳态后，如某一母线至短路点的电抗为X,则

该母线的剩余电压为

Urem-IOQX

用标么值计算时

Urem*-IQO*X^*(1-4-32)

【例143】如图1414(a)的计算电路图，试计算:

(1)当K|点三相短路时，稳态短路电流、冲击短路电流及

短路进入稳态时变压器UOkV侧母线的剩余电压。

(2)当七点三相短路时，流过架空线的稳态短路电流和流

过电抗器的短路冲击电流。

解选取基准值Sj=100MVA,Uj=Uav

各元件等值电抗的标么值为：

架空线Xi*=70x0.4x粤=0.21

1152

变压器XvX—器喈"

46100

电抗器x*=___x_______x___=1.164

510073x0.36.32

电缆X^*X7*=2x0.069x1吗=0.348

6.3~

等值电路如图l-4-14(b)所示。

图1-4-14(a)计算电路图；(b)等值电

路图

(1)当Ki点三相短路时

短路回路总电抗X>=Xi*+—=0.21+与=0.443

稳态短路电流标么值I——在=2257

00

稳态短路电流loo=loo*li=2.257X-J=20.684(kA)

JV3x6.3

冲击短路电流1而=2.55x20.684=52.744(kA)

110kV母线剩余电压Urem=学乂2.257x115=60.563(kA)

⑵当K2点三相短路时

短路回路总电抗X»=0.21+”+1.164+空生=1.78

32

1

稳态短路电流标么值—=0.56

1.78

流过架空线的稳态短路电流Q18v遥^。.28

(kA)

流过电抗器的短路冲击电流1面=2.55Iz=

2.55x0.56x-jJ°°=13.087(kA)

J3x6.3

第四节有限大容量电源供电电路内的三相短路

一、有限容量系统的概念

前面我们分析讨论了无限大容量系统供电电路内发生

三相对称短路的情况，但是实际的电力系统电源容量都是有

限的，对于这种有限容量电源供电的系统内发生短路时，母

线电压往往是显著下降的，并不是恒定不变的。因此不能再

将供电电源看成是无限大容量，而应看成是一个有限容量的

等值电源。而等值电源的容量就是系统所有电源的容量和，

等值电抗为系统电源的总阻抗。

二、有限容量系统三相对称短路的分析

有限容量系统突然短路时的短路电流中同样含有周期

分量和非周期分量。非周期分量产生的原因、衰减的性质及

计算条件等，都与无限大容量电源供电电路内发生的短路相

同。周期分量的幅值和有效值取决于供电电源电压及短路回

路总阻抗。由于有限容量电源的端电压（或电动势）在整个短

路的暂态过程中是变化的，所以短路电流周期分量的幅值和

有效值也是变化的，这是与无限大容量电源供电电路内三相

短路的最主要的区别。

有限容量电源供电电路内短路电流周期分量变化的情

况，还与发电机是否装有励磁自动调节装置有关。图1-4-15

中分别给出了无励磁自动调节装置和有励磁自动调节装置

的电源供电电路内发生短路时短路电流的变化曲线。

图1-4-15发电机供电电路内短

路电流的变化曲线

（a）无励磁自动调节装置时；（b）有

励磁自动调节装置时

电力系统中的发电机一般都装有励磁自动调节装置，它

的作用是当发电机电压发生变化时，能自动地调节发电机的

励磁电流，维持发电机的端电压在一定的范围内。当系统发

生短路引起发电机的端电压下降时，励磁自动调节装置动作

使得励磁电流增大，发电机电压上升，短路电流也相应增大。

但是不论采用哪种类型的励磁自动调节装置（电子型或机械

型），它们都具有一定的时间滞后性；同时励磁回路也具有较

大的电感，励磁电流不会立即增大。实际上，励磁自动调节

装置都是在短路发生后经过一定的时间后才起作用。所以，

短路电流周期分量的起始值并不会受到影响，在几个周波以

内的影响也是不大的。以后随着励磁自动调节装置的作用逐

渐增强，短路电流周期分量所受的影响也逐渐增大，最后达

到稳定值，短路的暂态过程结束而进入稳态。因此不论发电

机是否装有励磁自动调节装置，在短路开始的瞬间及短路后

的几个周期内，短路电流的变化情况都是一样的。

短路电流的周期分量，在暂态过程中是变化的，但在其

中任一周期内的变化可以忽略不计。周期分量在时间t的有

效值Izt,是周期分量在以时间t为中心的一个周期内的有效

值。

t=0时，周期分量的起始有效值，又称为次暂态短路电

流，用I"表示。短路的暂态过程结束后的短路电流称为稳态

短路电流，用loo表示。稳态短路电流的大小取决于短路点与

发电机之间的电气距离，以及励磁自动调节装置的调节程

度。

短路电流周期分量的变化，不仅与发电机是否装有励磁

自动调节装置有关，而且还和短路点与发电机间的电气距离

有关。电气距离越小，发电机端电压下降得越多，反之就越

少。止匕外，发电机的类型、参数等对周期分量也都有影响，

所以短路电流周期分量的变化情况与很多因素有关，要想准

确计算是非常困难的。为了满足电力系统设计和工程实际的

需要，就必须寻找一种简单的、实用的方法来计算有限容量

电源内发生短路时的短路电流。

三、周期分量有效值的实用计算法—运算曲线法

虽然影响短路电流周期分量的因素很多，但只要发电机

(包括励磁系统)的参数和运行初态确定后，短路电流周期分

量只是短路点到电源间电气距离和时间t的函数而已。电气

距离用计算电抗表示。所谓计算电抗是以某一电源支路所有

发电机额定容量和SNX为功率基准值，该电源支路短路回路

总电抗的标么值，即

Xc*=Xg*

2ar

计算电抗用Xc*表示。

在短路电流计算中，一般是先求出统一基准功率号下的

某一电源支路的短路回路总电抗的标么值x»,那么，将其

换算为计算电抗的公式：

Xc*=X>&--------(1-4-33)

s.

短路电流周期分量的标么值可表示为计算电抗Xc*和时

间t的函数，即

Ip*=f(Xc*,t)

表明这种函数关系的曲线称为运算曲线，如图1-4-16所

不。

图1-4-16运算曲线示意图

曲线的纵座标为周期分量有效值的标么值3,横坐标为

计算电抗X。*,不同的时刻分别作出相应的曲线。需要特别

注意的是：周期分量有效值的标么值L的基准功率是该电源

支路所有发电机额定容量的和SNE,或者说J的基准值是该

支路所有发电机额定电流的和。

对于不同类型、型号的发电机，由于其参数的差异，制作

出的运算曲线也具有不同的形状。运算曲线分汽轮发电机和

水轮发电机两类。考虑到我国的发电厂大部分功率都是从高

压母线送出，制作运算曲线的典型接线如图1-4-17所示，即

认为发电机是在额定状态下运行时发生的三相短路，50%的

负荷挂在发电厂高压母线上，其余的负荷均在短路点以外。

图1-4-17制作运算曲线时的典型

接线

由于我国发电机型号繁多，为了使运算曲线具有通用性，

只能采用统计的方法来制作。对水轮发电机选择了从

12.5MW到225MW的17种不同容量、不同型号的样机，

对汽轮发电机则选择了从12MW到200MW的18种不同容

量、不同型号的样机，分别对每一台发电机计算出相应的短

路电流周期分量有效值。取同类型的发电机的平均值，作为

运算曲线在某时刻t和Xc*所对应的周期分量有效值，分别

绘制成水轮发电机和汽轮发电机的运算曲线。这些运算曲线

见附录所示。

从运算曲线的制作过程可以看出，短路电流已经考虑了

负荷的影响，计算电抗仅包括流过短路电流的全部元件的电

抗，而不包括负荷阻抗，这可使计算大大简化。

利用运算曲线计算短路电流周期分量的一般步骤如下：

(1)根据计算电路图作出等值电路，化简电路，求出短路

回路的总电抗XE*。

(2)将XE*换算为计算电抗Xc*。

(3)根据计算电抗Xc*,查相应的运算曲线，可得到t时

刻短路电流周期分量有效值的标么值〃*，其有名值为

var

一般地，当Xc*>3.45时，可将等值发电机当作无限大容

量电源处理。这时，短路电流周期分量的有效值是不随时间

变化的。

四、短路电流其他各量的计算

1.短路冲击电流

忽略周期分量的衰减时，短路冲击电流可按下式计算

iim=及Kimi”---------------(1-4-34)

式中Kim=l+e卷

I"——次暂态短路电流，可由运算曲线查得。

当短路发生在发电机机端时，取Kgnig；当短路发生

在发电厂高压侧母线及发电机出线电抗器后时，取Kim

=1.85；当远离发电厂的地点发生短路时，取Km=L8。

2.短路全电流

短路全电流的最大有效值为

Iim=/”J1+2(K油7)2---------------(1-4-35)

【例如图1-4-18所示，系统以火电厂为主，

计算K点三相短路时的I”、［血、t=4s的周期分量有效值Iz4

和变压器高压侧UOkV母线的剩余电压。

图1-4-18例1-4-4计算电路图和等值

电路图

(a)计算电路图；(b)等值电

路图

解取Sj=lOOMVA,Uj=Uar

(1)计算各元件电抗标么值

“0.5x露0.1

X2*=X3*=————器啮=。.。88

100SN

X*=X5*=X]L土=0.4X50X粤=0.151

U*1152

%=%+4*。.1+等+等=0.22

(2)计算电抗

Xc*=Xx*必=0.22x&=l.l

s.100

(3)计算短路电流及剩余电压

查附录一中汽轮机运算曲线得

t=0时，1”*=0.96

t=4s时，J*=1.02

l1=I%_^=0.96x-l^_=2.4(kA)

包,V3X115

Iz4=Iz4*&-=1.02乂3_=2.56(kA)

包，73x115

iim=V2kimI=V2x1.8x2.4=6.11(kA)

Urem=百千xIz4=V3x^xlz4=gx”产x2.56

=44.34(kV)

五、多电源系统用运算曲线法计算短路电流

由前述可知，绘制运算曲线的网络仅包含一台发电机。

当电力系统发生三相短路时，应用运算曲线可以很方便地求

出任意时刻短路电流周期分量的有效值。但电力系统通常是

由多电源组成的，所以，利用运算曲线进行短路电流计算会

有一定误差。实用计算中，要根据短路电流计算的目的和系

统的具体情况来确定计