第8章 电力系统三相短路的分析与计算

第8章 电力系统三相 短路的分析与计算

§8-1 短路的基本概念

故障:一般指短路和断线,分为简单故障和复杂故障 故障:一般指短路和断线, 简单故障:电力系统中的单一故障 简单故障: 复杂故障:同时发生两个或两个以上故障 复杂故障: 短路:指一切正常运行之外的相与相之间或相与地 短路: 之间的连接。 之间的连接。

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短路的主要原因 8.1.1 短路的主要原因1.设备或装置存在隐患:绝缘材料的自然老化，设计、 1.设备或装置存在隐患:绝缘材料的自然老化，设计、 设备或装置存在隐患 自然老化 安装及维护不良所带来的设备缺陷发展成短路。 设备缺陷发展成短路 安装及维护不良所带来的设备缺陷发展成短路。 2.恶劣天气：雷击造成的闪络放电或避雷器动作， 2.恶劣天气：雷击造成的闪络放电或避雷器动作，架空 恶劣天气 闪络放电或避雷器动作 线路由于大风或导线覆冰引起电杆倒塌等。 线路由于大风或导线覆冰引起电杆倒塌等。 3.人为误操作 如运行人员带负荷拉刀闸， 人为误操作， 3.人为误操作，如运行人员带负荷拉刀闸，线路或设备 检修后未拆除地线就加上电压引起短路。 检修后未拆除地线就加上电压引起短路。 4.挖沟损伤电缆，鸟兽跨接在裸露的载流部分等。 4.挖沟损伤电缆，鸟兽跨接在裸露的载流部分等。 挖沟损伤电缆

(不可避免性) 不可避免性)泸州职业技术学院 电力系统 3

短路的类型 8.1.2 短路的类型表1-1 各种短路的示意图和代表符号短路类型 符号 示意图 特点 事故几率

三相短路

f (3)

对称故障

5%(最严 重) 10~15%

两相短路

f (2)

非对称故障

单相接地短路

f (1)

非对称故障

65~70%

两相接地短路

f (1,1)

非对称故障

10~20%

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短路的危害 8.1.3 短路的危害(1)电流剧增：设备发热增加，若短路持续时间较长， (1)电流剧增：设备发热增加，若短路持续时间较长，可 电流剧增 能使设备过热甚至损坏;由于短路电流的电动力效应， 电动力效应 能使设备过热甚至损坏;由于短路电流的电动力效应， 导体间还将产生很大的机械应力， 导体间还将产生很大的机械应力，致使导体变形甚至 损坏。 损坏。 (2)电压大幅度下降，对用户影响很大。 (2)电压大幅度下降，对用户影响很大。 电压大幅度下降 (3)当短路发生地点离电源不远而持续时间又较长时， (3)当短路发生地点离电源不远而持续时间又较长时，并 当短路发生地点离电源不远而持续时间又较长时 发电机可能失去同步， 列运行的发电机可能失去同步 列运行的发电机可能失去同步，破坏系统运行

的稳定 造成大面积停电，这是短路最严重的后果。 性，造成大面积停电，这是短路最严重的后果。 (4)发生不对称短路时,三相不平衡电流会在相邻的通讯 (4)发生不对称短路时,三相不平衡电流会在相邻的通讯 发生不对称短路时 线路感应出电动势,影响通讯. 线路感应出电动势,影响通讯.5

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短路的后果举例2003年8月14日-美国大停电 年 月 日 美国东部 美国东部(EDT)时间 时间2003年8月14日16:11开始(北京时间 开始( 时间 年 月 日 开始 北京时间8 日晨4:11),美国东北部和加拿大东部联合电网发生了大 ),美国东北部和加拿大东部联合电网发生了大 月15日晨 日晨 ), 面积停电事故 纽约 纽约: 交通瘫痪、公路堵塞、人困在电梯和地隧道里、 交通瘫痪、公路堵塞、人困在电梯和地隧道里、冒酷热步行 回家 停电影响 美国： 俄亥俄州、密歇根州、纽约州、马萨诸塞州、 美国： 俄亥俄州、密歇根州、纽约州、马萨诸塞州、康涅狄 克州、新泽西州、宾夕法尼亚州、佛蒙特州( 个州 个州) 克州、新泽西州、宾夕法尼亚州、佛蒙特州(8个州) 加拿大：安大略省、魁北克省( 个省 个省) 加拿大：安大略省、魁北克省(2个省)泸州职业技术学院 电力系统 6

2003年8月14日-美国大停电 年 月 日 损失负荷：6180万千瓦 损失负荷：6180万千瓦 5000万居民失去电力供应 5000万居民失去电力供应 恢复需几天时间 恢复134 134万千瓦 -8月14日19:30 恢复134万千瓦 14日19: -8月14日23:00 恢复2130万千瓦 恢复2130 2130万千瓦 14日23: 恢复4860 4860万千瓦 -8月15日11:00 恢复4860万千瓦 15日11: 美国切机20多台(含9台核电机组) 美国切机20多台( 20多台 台核电机组) 美加共计切机百余台 美经济学家估计：美损失：300亿美元/天 美经济学家估计：美损失：300亿美元/ 亿美元 安大略省损失：50亿美元 安大略省损失：50亿美元泸州职业技术学院 电力系统 7

停电前后卫星拍到的美国上空照片

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短路的防范措施 8.1.4 短路的防范措施

1.设法消除可能引起短路的一切原因； 1.设法消除可能引起短路的一切原因； 设法消除可能引起短路的一切原因 2.发生短路后尽快切除故障部分， 2.发生短路后尽快切除故障部分，快速恢复电 发生短路后尽快切除故障部分 网电压； 网电压； 3.增大短路回路阻抗以限制短路电流数值(常 3.增大短路回路阻抗以限制短路电流数值( 增大短路回路阻抗以限制短路电流数值 用电抗器)。 用电抗器)。

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计算短路电流的目的 8.1.5 计算短路电流的

目的短路电流计算结果是选择电气设备(断路器、互感器、瓷瓶、母线、电 选择电气设备(断路器、互感器、瓷瓶、母线、 缆等)的依据； 缆等)的依据； 是电力系统继电保护设计和整定的基础； 是电力系统继电保护设计和整定的基础； 继电保护设计和整定的基础 是比较和选择发电厂和电力系统电气主接线图的依据， 是比较和选择发电厂和电力系统电气主接线图的依据， 电气主接线图的依据 根据它可以确定限制短路电流的措施。 根据它可以确定限制短路电流的措施。 是网络结构规划、设计的依据(广东电网、上海电网 网络结构规划、设计的依据(广东电网、 环网运行，短路电流太大，不安全，难以选择断路器) 环网运行，短路电流太大，不安全，难以选择断路器) 是电力系统稳定控制措施制定的依据 是电力系统稳定控制措施制定的依据

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计算短路电流的基本假设 8.1.6 计算短路电流的基本假设

1.电力系统在正常工作时三相是对称的。 1.电力系统在正常工作时三相是对称的。 电力系统在正常工作时三相是对称的 2.所有发电机的转速和电势相位在短路过程中保 2.所有发电机的转速和电势相位在短路过程中保 所有发电机的转速 不变。 持不变。 3.电力系统各元件的电容和电阻略去不计， 3.电力系统各元件的电容和电阻略去不计，只计 电力系统各元件的电容和电阻略去不计 电抗。 电抗。 4.各元件的电抗在短路过程中保持不变 4.各元件的电抗在短路过程中保持不变。 各元件的电抗在短路过程中保持不变。

用标幺值计算

=1) 当U=Uav(即U*=1)时

则S*=I*=1/X*

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8.1.7 电力系统的标幺制1.标幺制的概念 标幺值是某电气量的实际有名值与所选定的同单位规 定值之比。

实际有名值(任意单位) 标幺值= 基准值(与有名值同单位)注意： (1)标幺值没有量纲。 (2)所选基准值不同，标幺值不同。 有名制： 有名制：文字符号 基准制： 基准制：B 标幺制： 标幺制：※ KV) MVA) I(KA) U(KV) S(MVA)X(Ω) KA) IB I※ UB U※ SB S※ XB X※

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8.1.7 电力系统的标幺制 若选电压、电流、功率和阻抗的基准值为UB,IB,SB, 若选电压、电流、功率和阻抗的基准值为U 相应的标幺值如下： ZB,相应的标幺值如下：

U U = UB

I I = IB S P + jQ P Q S = = = + j = P + jQ SB SB SB SB Z R + jX R X Z = = = +j = R + jX ZB ZB ZB ZB 电力系统 13

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2.基准值的选取 2.基准值的选取

(1)除了要求和有名值同单位外

,原则上可以是任意值。 (2)考虑采用标幺值计算的目的。 目的：(a)简化计算。 (b)便于对结果进行分析比较。 单相电路中处理

UP = ZI , SP = UP I基准值的选取原则： 选四个物理量,使它们满足: 1.全系统只选一套

U P B = Z B I B S P B = U P B I B

2.一般选额定值 3.满足电路的基本关系

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2.基准值的选取 2.基准值的选取则在标幺制中,可以得到: UP = Z I

SP = UP I

UP B = ZB IB 结论:只要基准值的选择满足 S = U I 则在标幺制中,电路中 P B P B B

各物理量之间的关系与有名值相同,有关公式可以直接应用。 三相电路的处理

U = 3ZI = 3U P S = 3UI = 3S P UB = 3ZB I B = 3UP B SB = 3UB I B = 3UP B I B = 3SP B

则得到标幺制中的计算公式：

选基准值，并满足如下要求： 选基准值，并满足如下要求：

U = Z I = UP S = U I = SP 15

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2.基准值的选取 2.基准值的选取结论： 结论：在标幺制中，三相电路的计算公式与单相电路的计算 公式完全相同，线电压与相电压的标幺值相同，三相功率与 单相功率的标幺值相同。 三相电路中的习惯做法：只选UB和SB,由下式计算ZB和ⅠB。2 UB UB ZB = = 3IB SB

SB IB = 3UB

电流与阻抗的标幺值计算：I 3U B I I = = IB SB Z =泸州职业技术学院

R + jX S = R + jX = R B2 ZB UB电力系统

S + jX B2 UB 16

3.标幺额定值( 额定参数为基准值的标幺值) 3.标幺额定值(以额定参数为基准值的标幺值) 标幺额定值 为基准值的标幺值 以UN和SN为独立量做规定值(制造厂提供的)

U N

U = UN

S NX N

S = SN

I N

3U N I = =I IN SN

SN X = =X 2 XN UN

发电机、变压器、电抗器等由产品给出标幺额定值， 其下角“N”常被省略。 但标幺额定值的规定值不统一，不便于直接进行电 路的运算。泸州职业技术学院 电力系统 17

4.标幺基准值( 任意选定值为基准值的标幺值) 4.标幺基准值(以任意选定值为基准值的标幺值) 标幺基准值 为基准值的标幺值

在实用计算中，选基准功率SB=100MVA;基准电压UB= Uav

U U B = UB

S S B = SBX SB X B = =X 2 XB UB

I 3UB I B = = I IB SB

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5.不同基准值的标幺值间的换算 5.不同基准值的标幺值间的换算 把标幺值还原成有名值： 电抗标幺额定值与电 抗百分值之间的换算：

U = U NUN = U BUB

S = S N SN = S BSBI = I N SN SB = I B 3UN 3UB

X N

X% = 100

电抗器的换算公式： 电抗器的换算公式：

2 2 UN UB X = X N = X B SN SB

X = X N

由电抗标幺额

定值换算为 电抗标幺基准值：2 UN SB X B = X N × 2 SN UB泸州职业技术学院 电力系统

X B = X N

UN 3I N UN SB × 2 3I N UB19

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