第3章电力系统的短路资料.docx
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第3章电力系统的短路资料
第3章 电力系统的短路
3．1 短路的类型及计算假设
3.1.1短路的原因、类型及后果
短路是电力系统的严重故障。
短路：
指一切不正常的相与相或相与地（对于中性点接地的系统）之间发生通路的情况。
1.短路的原因
元件损坏；气象条件恶化；人为事故；其他，如工程建设时挖沟损伤电缆等；
2.短路的类型
三相短路、两相短路、两相接地短路、单相接地短路等。
三相短路也称对称短路；其他类型的短路是不对称短路；
3.短路的后果
1）短路故障使短路点附近支路出现比正常电流大许多倍的短路电流，产生较大的电动效应和热效应，破坏设备；
2）短路时系统电压大幅度下降，对用户影响很大；
3）短路会使并列运行的发电机失去同步，破坏系统的稳定，造成系统的解列，出现大面积停电；
4）不对称短路对附近通信线路和无线电波会产生电磁干扰。
3.1.2短路电流计算的目的与计算假设
1.短路电流计算的目的
选择有足够机械稳定和热稳定的电器设备；
合理配置各种继电保护和自动装置并正确整定其参数；
设计和选择发电厂和电力系统主接线；
进行电力系统的暂态稳定计算，分析短路对用户的影响；
确定输电线路对通信的影响；
2.短路电流计算的基本假设
短路过程中各发电机之间不发生摇摆，并认为所有发电机的电势都同相位；
负荷只作近似估计，或当作恒定电抗，或当做某种临时附加电源，要视具体情况而定；
不计磁路饱和；
对称三相系统；
忽略高压输电线的电阻和电容，忽略变压器的电阻和励磁电流，即发电、输电、变电和用电均用纯电抗表示；
金属性短路：
不计过渡电阻的影响，即认为过渡电阻等于零的短路情况；
3.1.3实用短路电流计算的基本流程
根据基本假设，采用标幺值方法计算已知待计算系统所有设备的电抗标幺值；
用设备电抗标幺值替换设备元件并重新绘制成图，形成短路计算电路图；
等值简化网络，简化目标是所有电源到短路点都只有一个等值电抗的最简单等值电路图；
采用无限大容量系统的概念计算现实中电力系统对短路点提供的短路电流；
采用无限大容量系统的概念计算现实中电力系统的短路电流；
叠加不同元件相同时刻的短路电流。
短路电流，电力系统在运行中相与相之间或相与地（或中性线）之间发生非正常连接（短路）时流过的电流。
在三相系统中发生短路的基本类型有三相短路、两相短路、单相对地短路和两相对地短路。
三相短路因短路时的三相回路依旧是对称的，故称为对称短路；其他几种短路均使三相电路不对称，故称为不对称短路。
主要分类
三相系统中发生的短路有4种基本类型：
三相短路，两相短路，单相对地短路和两相对地短路。
其中，除三相短路时，三相回路依旧对称，因而又称对称短路外，其余三类均属不对称短路。
在中性点接地的电力网络中，以一相对地的短路故障最多，约占全部故障的90%。
在中性点非直接接地的电力网络中，短路故障主要是各种相间短路。
发生短路时，电力系统从正常的稳定状态过渡到短路的稳定状态，一般需3～5秒。
在这一暂态过程中，短路电流的变化很复杂。
它有多种分量，其计算需采用电子计算机。
在短路后约半个周波（0.01秒）时将出现短路电流的最大瞬时值，称为冲击电流。
它会
产生很大的电动力，其大小可用来校验电工设备在发生短路时机械应力的动稳定性。
短路电流的分析、计算是电力系统分析的重要内容之一。
它为电力系统的规划设计和运行中选择电工设备、整定继电保护、分析事故提供了有效手段。
供电网络中发生短路时，很大的短路电流会使电器设备过热或受电动力作用而遭到损坏，同时使网络内的电压大大降低，因而破坏了网络内用电设备的正常工作。
为了消除或减轻短路的后果，就需要计算短路电流，以正确地选择电器设备、设计继电保护和选用限制短路电流的元件。
计算目的
计算短路电流的目的是为了限制短路的危害和缩小故障的影响范围。
在变电所和供电系统的设计和运行中，基于如下用途必须进行短路电流的计算：
（1）选择电气设备和载流导体，必须用短路电流校验其热稳定性和动稳定性。
（2）选择和整定继电保护装置，使之能正确的切除短路故障。
（3）确定合理的主接线方案、运行方式及限流措施。
（4）保护电力系统的电气设备在最严重的短路状态下不损坏，尽量减少因短路故障产生的危害。
计算条件
1.假设系统有无限大的容量.用户处短路后,系统母线电压能维持不变.即计算阻抗比系统阻抗要大得多.
具体规定:
对于3~35KV级电网中短路电流的计算,可以认为110KV及以上的系统的容量为无限大.只要计算35KV及以下网络元件的阻抗.
2.在计算高压电器中的短路电流时,只需考虑发电机、变压器、电抗器的电抗,而忽略其电阻;对于架空线和电缆,只有当其电阻大于电抗1/3时才需计入电阻,一般也只计电抗而忽略电阻.
3.短路电流计算公式或计算图表,都以三相短路为计算条件.因为单相短路或二相短路时的短路电流都小于三相短路电流.能够分断三相短路电流的电器,一定能够分断单相短路电流或二相短路电流.
计算方法
即使设定了一些假设条件,要正确计算短路电流还是十分困难,对于一般用户也没有必要.一些设计手册提供了简化计算的图表.省去了计算的麻烦.用起来比较方便.但要是手边一时没有设计手册怎么办?
下面介绍一种“口诀式”的计算方法,只要记牢7句口诀,就可掌握短路电流计算方法.
在介绍简化计算法之前必须先了解一些基本概念.
1.主要参数
Sd三相短路容量（MVA）简称短路容量校核开关分断容量
Id三相短路电流周期分量有效值（KA）简称短路电流校核开关分断电流
和热稳定
IC三相短路第一周期全电流有效值（KA）简称冲击电流有效值校核动稳定
ic三相短路第一周期全电流峰值（KA）简称冲击电流峰值校核动稳定
x电抗（Ω）
其中系统短路容量Sd和计算点电抗x是关键.
2.标么值
计算时选定一个基准容量（Sjz）和基准电压（Ujz）.将短路计算中各个参数都转化为和该参数的基准量的比值（相对于基准量的比值）,称为标么值（这是短路电流计算最特别的地方,目的是要简化计算）.
（1）基准
基准容量Sjz=100MVA
基准电压UJZ规定为8级.230,115,37,10.5,6.3,3.15,0.4,0.23KV
有了以上两项,各级电压的基准电流即可计算出,例:
UJZ（KV）3710.56.30.4
因为S=1.73*U*I所以IJZ（KA）1.565.59.16144
（2）标么值计算
容量标么值S*=S/SJZ.例如:
当10KV母线上短路容量为200MVA时,其标么值容量
S*=200/100=2.
电压标么值U*=U/UJZ;电流标么值I*=I/IJZ
3无限大容量系统三相短路电流计算公式
短路电流标么值:
I*d=1/x*（总电抗标么值的倒数）.
短路电流有效值:
Id=IJZ*I*d=IJZ/x*（KA）
冲击电流有效值:
IC=Id*√1+2（KC-1）2（KA）其中KC冲击系数,取1.8
所以IC=1.52Id
冲击电流峰值:
ic=1.41*Id*KC=2.55Id（KA）
当1000KVA及以下变压器二次侧短路时,冲击系数KC,取1.3
这时:
冲击电流有效值IC=1.09*Id（KA）
冲击电流峰值:
ic=1.84Id（KA）
掌握了以上知识,就能进行短路电流计算了.公式不多,又简单.但问题在于短路点的总电抗如何得到?
例如:
区域变电所变压器的电抗、输电线路的电抗、企业变电所变压器的电抗,等等.
一种方法是查有关设计手册,从中可以找到常用变压器、输电线路及电抗器的电抗标么值.求得总电抗后,再用以上公式计算短路电流;设计手册中还有一些图表,可以直接查出短路电流.
下面介绍一种“口诀式”的计算方法,只要记牢7句口诀,就可掌握短路电流计算方法.
口诀算法
1.系统电抗的计算
系统电抗，百兆为一。
容量增减，电抗反比。
100除系统容量
例：
基准容量100MVA。
当系统容量为100MVA时，系统的电抗为XS*=100/100=1
当系统容量为200MVA时，系统的电抗为XS*=100/200=0.5
当系统容量为无穷大时，系统的电抗为XS*=100/∞=0
系统容量单位：
MVA
系统容量应由当地供电部门提供。
当不能得到时，可将供电电源出线开关的开断容量
作为系统容量。
如已知供电部门出线开关为W-VAC12KV2000A额定分断电流为40KA。
则可认为系统容量S=1.73*40*10000V=692MVA,系统的电抗为XS*=100/692=0.144。
2.变压器电抗的计算
110KV：
10.5除变压器容量
35KV：
7除变压器容量
6~10KV：
4.5除变压器容量。
例：
一台35KV3200KVA变压器的电抗X*=7/3.2=2.1875
一台10KV1600KVA变压器的电抗X*=4.5/1.6=2.813
变压器容量单位：
MVA
这里的系数10.5，7，4.5实际上就是变压器短路电抗的%数。
不同电压等级有不同的值。
3.电抗器电抗的计算
电抗器的额定电抗除额定容量再打九折。
例：
有一电抗器U=6KVI=0.3KA额定电抗X=4%。
额定容量S=1.73*6*0.3=3.12MVA.电抗器电抗X*={4/3.12}*0.9=1.15
电抗器容量单位：
MVA
4.架空线电抗的计算
架空线：
6KV，等于公里数；10KV，取1/3；35KV，取3%0
例：
10KV6KM架空线。
架空线路电抗X*=6/3=2
5.电缆电抗的计算
按架空线再乘0.2。
例：
10KV0.2KM电缆。
电缆电抗X*={0.2/3}*0.2=0.013。
这里作了简化，实际上架空线路及电缆的电抗和其截面有关，截面越大电抗越小。
6.短路容量的计算
电抗加定，去除100。
例：
已知短路点前各元件电抗标么值之和为X*∑=2,则短路点的短路容量
Sd=100/2=50MVA。
短路容量单位：
MVA
7.短路电流的计算
0.4KV，150除电抗
6KV：
9.2除电抗
10KV：
5.5除电抗
35KV：
1.6除电抗
110KV，0.5除电抗
例：
已知一短路点前各元件电抗标么值之和为X*∑=2,短路点电压等级为6KV,
则短路点的短路电流Id=9.2/2=4.6KA。
短路电流单位：
KA
8.短路冲击电流的计算
1000KVA及以下变压器二次侧短路时：
冲击电流有效值Ic=Id,冲击电流峰值ic=1.8Id
1000KVA以上变压器二次侧短路时：
冲击电流有效值Ic=1.5Id,冲击电流峰值ic=2.5Id
例：
已知短路点{1600KVA变压器二次侧}的短路电流Id=4.6KA，
则该点冲击电流有效值Ic=1.5Id,=1.5*4.6=7.36KA,冲击电流峰值ic=2.5Id=2.5*406=11.5KA。
可见短路电流计算的关键是算出短路点前的总电抗{标么值}.但一定要包括系统电抗
ANSI/IEEE标准短路电流计算相关标准：
以ANSI/IEEE和UL标准为依据进行短路电流计算大致有如下标准：
标准
名称
IEEEC37.04
IEEEC37.04f
IEEEC37.04g
IEEEC37.04h
IEEEC37.04i
IEEEC37.04
对称电流的交流高压回路断路器恒定结构标准和附录
IEEEC37.010
IEEEC37.010b
IEEEC37.010e
IEEEC37.010
交流高压回路断路器在对称电流基础上的应用指南和附录
IEEEC37.013
交流高压发电机回路断路器在对称电流基础上的额定值标准
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其他资料
短路电流的危害
电力系统中出现短路故障时，系统功率分布的忽然变化和电压的严重下降，可能破坏各发电厂并联运行的稳定性，使整个系统解列，这时某些发电机可能过负荷，因此，必须切除部分用户。
短路时电压下降的愈大，持续时间愈长，破坏整个电力系统稳定运行的可能性愈大。
短路电流的限制措施为保证系统安全可靠地运行，减轻短路造成的影响，除在运行维护中应努力设法消除可能引起短路的一切原因外，还应尽快地切除短路故障部分，使系统电压在较短的时间内恢复到正常值。
短路电流的防范措施
一是做好短路电流的计算，正确选择及校验电气设备，电气设备的额定电压要和线路的额定电压相符。
二是正确选择继电保护的整定值和熔体的额定电流，采用速断保护装置，以便发生短路时，能快速切断短路电流，减少短路电流持续时间，减少短路所造成的损失。
三是在变电站安装避雷针，在变压器四周和线路上安装避雷器，减少雷击损害。
四是保证架空线路施工质量，加强线路维护，始终保持线路弧垂一致并符合规定。
五是带电安装和检修电气设备，注重力要集中，防止误接线，误操作，在带电部位距离较近的部位工作，要采取防止短路的措施。
六是加强治理，防止小动物进入配电室，爬上电气设备。
七是及时清除导电粉尘，防止导电粉尘进入电气设备。
八是在电缆埋设处设置标记，有人在四周挖掘施工，要派专人看护，并向施工人员说明电缆敷设位置，以防电缆被破坏引发短路。
九是电力系统的运行、维护人员应认真学习规程，严格遵守规章制度，正确操作电气设备，禁止带负荷拉刀闸、带电合接地刀闸。
线路施工，维护人员工作完毕，应立即拆除接地线。
要经常对线路、设备进行巡视检查，及时发现缺陷，迅速进行检修。
3．2 标幺值
3.2.1标幺值的含义
四个电气量：
电压U、电流I、功率S、电抗X。
在降压网络中采用有名值计算方式，在高压系统中采用标幺值的计算方法；
标幺值：
某些电气量的实际有名值与所选的同单位规定值之比，即
标幺值=实际有名值/同单位规定值
标幺值是一个无单位的比值，标幺值的符号为各量符号下加标*
3.2.2标幺额定值和标幺基准值
标幺额定值：
以各元件的额定参数作为规定值的标幺值
标幺基准值：
任意选择统一的基准参数作为规定值，通常以功率和电压分别为独立基准功率和基准电压。
基准功率常取100MVA；基准电压取各级电压的平均值；
3.2.3标幺值、有名值及百分值之间的换算
1.由标幺值计算有名值
根据标幺值定义，可直接由标幺值写出有名值；
2.由电抗标幺额定值换算为电抗标幺基准值
由电抗标幺额定值转化成有名值，然后再转换成标幺基准值。
3.电抗标幺额定值与电抗百分值之间的换算
电抗有名值占电抗额定值的百分数，称为电抗百分值
3.2.4标幺值的特点
在三相电路中，标幺值相量等于线量；
三相功率的标幺值和单位功率的标幺值相同；
三相电路的标幺值欧姆定律、功率方程与单相电路的相同；
当电网的电压为额定值时，功率标幺值与电流标幺值相等，且等于电抗标幺值的倒数；
两个标幺值基准值相加或相乘，仍得同基准的标幺基准值；
标幺值（标么值）是电力系统分析和工程计算中常用的数值标记方法，表示各物理量及参数的相对值，单位为pu（也可以认为其无量纲）。
标幺值是相对于某一基准值而言的，同一有名值，当基准值选取不同时，其标幺值也不同。
它们的关系如下:
标幺值＝有名值/基准值。
标幺值，英文为perunit，简写为pu，一些科学软件中通常写作p.u.。
中文有时也写作“标么值”，其中的“么”的读音是yāo，不是me也不是mó。
标幺值是相对于某一基准值而言的，同一有名值，当基准值选取不同时，其标幺值也不同。
它们的关系如下：
标幺值=有名值/基准值。
比如在短路电流计算中，选定一个基准容量（Sjz）和基准电压（Ujz），将短路计算中各个参数都转化为和该参数的基准量的比值（相对于基准量的比值），称为标幺值。
标幺值=实际值/基准值
各物理量基准值的选择必须和其实际值具有相同的量纲，常用下标注B表示基准值，下标注*表示标幺值。
假设功率的实际值为S，基准值为SB，则其标幺值为S*=S/SB.
实际值为38.5kV的电压，当选取35kV为基准值时，其标幺值为1.1，当选取110kV为基准值时，其标幺值为0.35。
相关介绍
1）三相电路的计算公式与单相电路的计算公式完全相同，线电压的标幺值与相电压的标幺值相等，三相功率的标幺值和单相功率的标幺值相等；
2）只需确定各电压等级的基准值，而后直接在各自的基准值下计算标幺值，不需要进行参数和计算结果的折算；
3）对于低压系统，功率的标幺值远小于1；
4）用标幺值后，电力系统的元件参数比较接近，易于进行计算和对结果的分析比较；
5）可以省去公式中的比例系数，使计算简化。
3．3 三相短路电流计算
3.3.1电力系统元件电抗的标幺基准值计算
1.基准值的设定
基准功率常取100MVA，基准电压取各级电压的平均值
2.同步发电机
同步发电机的电抗只计入短路起始瞬间的纵轴次暂态电抗；该电抗的值就是标幺额定值，由厂家提供具体数据。
3.电力变压器
1）双绕组变压器
给出电抗电压百分值
2）三绕组变压器
各绕组之间的短路电压百分值由厂家提供
4.架空线路和电缆线路
线路给出的是每千米的电抗值
5.电抗器
厂家给出的是电抗器电抗百分值
3.3.2绘制等值电抗网络并简化网络
简化的原则是等值简化；
简化的目标是所有电源到短路点都只有一个等值电抗的最简等值电路图。
等值变换的方法有串联、并联、星角转化、电源节点消法等；
转移电抗：
当各电源支路和短路点之间有公共电抗X时，求出各电源直达短路点的等值电抗。
3.3.3计算电力系统提供的短路电流
在三相短路中，实际上包括暂态和稳态两个过程。
3.3.4计算发电机提供的短路电流
运算曲线：
表示发电机三相短路电流周期分量有效值的标幺额定值与短路回路计算电抗，以及短路时间之间的函数关系。
采用运算曲线法的步骤：
先将网络化简后得到的电抗标幺值转换成电抗的标幺额定值；
然后查表得到某一时刻短路电流的标幺额定值
3.3.5计算总短路电流
将网络中所有电源在某一时刻向短路点提供的短路电流有名值相加，就得到该时刻短路点出现的总短路电流；
1、先计算各电源到短路点的转移电抗（在某基准容量为基准值下的标幺值表示）;
2、换算成各电源容量为基准值的计算电抗;
3、各电源容量除以各计算电抗，即为各电源在短路点的短路电流;
4、上述各短路电流相加，即为总的短路电流（次暂态值）。
三相短路电流计算方法的讨论
三相短路电流计算是电力系统规划、设计、运行中必须进行的计算分析工作。
目前，三相短路电流超标问题已成为困扰国内许多电网运行的关键问题。
然而，在进行三相短路电流计算时，各设计、运行和研究部门采用的计算方法各不相同，这就有可能造成短路电流计算结论的差异和短路电流超标判断的差异，以及短路电流限制措施的不同。
如果短路电流计算结果偏于保守，有可能造成不必要的投资浪费；若偏于乐观，则将给系统的安全稳定运行埋下灾难性的隐患。
因而，在深入研究短路电流计算标准的基础上，比较了不同短路电流计算条件对短路电流计算结论的影响，以期能为电网短路电流的计算和限制提供更切合实际的方法和思路。
1短路电流计算方法
经典的短路电流计算方法为：
取变比为1.0，不考虑线路充电电容和并联补偿，不考虑负荷电流和负荷的影响，节点电压取1.0，发电机空载。
短路电流计算的标准主要有IEC标准和ANSI标准，中国采用的是IEC标准。
国标规定了短路电流的计算方法、计算条件。
国标推荐的三相短路电流计算方法是等值电压源法，其计算条件为：
①不考虑非旋转负载的运行数据和发电机励磁方式；
②忽略线路电容和非旋转负载的并联导纳；
③具有分接开关的变压器，其开关位置均视为在主分接位置；
④不计弧电阻；
⑤35kV及以上系统的最大短路电流计算时，等值电压源取标称电压的1.1（计算中额定电压的1.05pu），但不超过设备的最高运行电压。
对于电网规划、运行部门，三相最大短路电流计算是主要的计算内容。
计算中，各电网、电网内的不同部门可能采用不同的计算条件。
差别主要集中在变压器变比、节点电压的选取上。
变压器变比有取1.0，有取实际运行变比的；节点电压可能取1.0，也可能取1.05。
这两者的不同组合均有所采用，显然，这将影响短路电流的计算结果。
问题的根源在于计算人员往往根据计算程序的固有设置来计算，而计算程序又缺乏足够的灵活性所致。
其实，若了解短路电流计算的要求，计算人员是可以对所得的计算结果进行适当的加工的。
有的商业软件也提供了灵活的短路电流计算条件设置功能。
2影响短路电流计算结果的因素
美国PTI公司的PSS/E程序提供了基于潮流的短路电流计算和采用经典方法、ANSI标准或IEC标准进行短路电流计算的选择。
采用IEC标准时，允许用户任意设定短路电流计算的初值条件。
可设定的选项包括：
①变比选择：
1.0或正常变比；②考虑充电电容与否；③计及并联补偿与否；④节点电压值；⑤发电机功率因素。
为此，利用PSS/E程序对其自带的算例进行了不同初值设置条件对短路电流计算结果的影响分析。
2.1变压器变比的影响
由于原算例中的绝大多数变比均为1.0，为比较变比的影响，分别将所有的变比设为0.95、1.0、1.05，假设变比均在高压侧，其它初值条件与经典计算方法的设置相同，计算结果如表1所示。
由表1可见，当变比增大时，500kV电网的短路电流减小，机端的短路电流增加，230kV系统则有升有降。
这看似无什么规律，其实，它们的结论是一致的。
只要从本母线看出去的变压器变比增加了，变压器支路的等值阻抗将增加，短路电流将减小；反之，变压器支路的等值阻抗将减小，短路电流将增加。
而230kV系统则在500kV降压变和本地系统电厂升压变的作用下，短路电流变化可能有升有降。
从表1中还可以看到，变比的大幅变化对短路电流的影响相对较小，其中，NUCPANT站的短路电流变化幅度最大，其它的厂站变化相对较小。
这是由于NUCPANT站的等值阻抗受连接在此站的两台升压变的影响较大之故。
2.2充电电容和并联补偿的影响
除基于潮流的短路电流计算外，短路电流计算一般均不考虑线路充电电容、线路高抗、低压并联电容器、电抗器等设备的影响。
表2给出了考虑充电电容和并联补偿与否的四种组合方式下，其短路电流计算结果的变化情况。
其中，C表示线路充电电容，S表示节点并联补偿，未列出的初值条件与经典方法的设置相同。
由表2可见，考虑并联补偿时，短路电流的变化相对较小，而且，考虑并联补偿后，短路电流的变化有升有降，其中，若是容性补偿占主导影响，短路电流增加，反之，则下降；考虑充电电容时，短路电流的变化幅度较大；若同时考虑充电电容和并联补偿，其影响是两者的叠加。
2.3节点电压值的影响
节点电压的变化时，基于等值电压源法的短路电流计算结果与电压值保持线性关系，所以，表3仅列出了部分节点的计算结果比较。
2.4发电机的出力和功率因素的影响
在短路电流计算中，除基于潮流的短路电流计算外，发电机一般设为空载，所以，发电机的空载电势与其端电压相同。
若发电机处于负载状态，其空载电势将大于发电机端电压，且在有功功率相同的情况下，功率因素越低，负载率越高，电流越大，空载电势越大，故障前短路点的母线电压也越高，所以，短路电流越大。
表4给出了发电机功率因素变化对短路电流计算结果的影响，表4的结论与理论分析相吻合。
2.5不同计算方法的比较
为比较采用不同计算方法对短路电流计算结果的影响，选取了以下三种有代表性的计算初值设置条件。
（1）基于潮流的短路电流计算；
（2）经典短路电流计算方法；
（3）IEC推荐的方法（变比不变，节点电
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