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摘要:很多学生在遇到与短路电流计算相关的知识点时,就开始退缩甚至放弃该课程的学习,从而影响对专业知识的掌握。本文从短路的概念入手,分析短路原因及危害,重点介绍短路电流计算的步骤、方法及应用,给读者学习上的帮助,具有一定的应用价值。
关键词:短路;短路电流;方法;计算步骤
作者简介:肖俊(1984-),女,湖北武汉人,长江工程职业技术学院,助教,主要研究方向:电力系统及其自动化;陈子文(1984-),男,湖南永州人, 长江工程职业技术学院,助教,主要研究方向:电气工程。(湖北 武汉 430212)
一般短路电流计算,在高职或本科院校的发电厂及电力系统专业或相关专业的学习中起到举足轻重的作用,是学好和应用好本专业的一个核心知识。其中涉及该知识点的课程有“电路基础”、“电机学”、“电力系统分析”、“电气设备”和“继电保护”等等。
一、有关概念
1.短路
短路是电力系统最常见的故障。它是指一切不正常的相与相之间或中性点接地系统中相与地之间的短接。在中性点非直接接地系统中,短路是指相与相之间的短接;在中性点直接接地系统中,除了相与相之间的短路外,还有相与地之间的短路。
2.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(即短路)时流过的电流。其值可远远大于额定电流,并取决于短路点距电源的电气距离。例如,在发电机端发生短路时,流过发电机的短路电流最大瞬时值可达额定电流的10～15倍。大容量电力系统中,短路电流可达数万安。这会对电力系统的正常运行造成严重影响和后果。
3.短路的类型
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,单相接地短路和两相接地短路。前两种属于相与相之间的短路;后两种属于相与地之间的短路。其中,三相短路时,因为短路回路各相的阻抗相等,三相的电流仅较正常时增大,电压较正常时降低,但三相仍然是对称的,故称为对称短路。除三相短路外,其他几种短路在短路时各相电流、电压数值不相等,其相角也不相同,这些短路称为不对称短路。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。
二、短路的原因和危害
1.短路的原因
主要原因:是电气设备载流部分的绝缘被损坏。
引起绝缘损坏的原因有:各种形式的过电压,未及时发现和消除设备的缺陷,以及设计、安装和运行不当所致;绝缘材料的自然老化和污秽,运行人员维护不周及直接的机械损伤等。
2.短路的危害
(1)短路时往往会有电弧产生,它不仅能烧坏故障元件本身,也可能烧坏周围设备和人员。
(2)巨大的短路电流通过导体时,一方面会使导体大量发热,造成导体过热甚至熔化,以及使绝缘损坏。另一方面,巨大的短路电流还将产生很大的点动力作用于导体,使导体变形或损坏。
(3)短路时系统电压将大幅度下降,特别是靠近短路点处电压降低的很多,结果对用户工作影响很大,可能破坏部分或全部用户的供电。
(4)电力系统中短路时,系统功率分布的突然变化和电压严重下降,可能破坏各发电厂并联工作的稳定性,使整个系统被解列为几个异步运行的部分。
三、短路電流计算
1.短路电流计算的目的
目的主要有两点:一是看回路能不能承受这么大的短路电流;二是看回路中的短路保护装置能不能分断这么大的短路电流。具体来讲就是电气接线方案的比较和选择;选择和校验电气设备、载流导体;继电保护和选择与整定;接地装置的设计及确定中性点接地方式;大、中型电动机起动。
短路电流时效验电缆热稳定性的重要条件,另外它也作为选择适当的接触器的参数,继电保护的灵敏度也是用它来校验的。
2.假设条件
短路从起始状态到短路稳态,其短路电流受各种因素的影响,变化过程是复杂的。短路电流实用计算方法,就是在满足工程准确等级要求的前提下,采用了一些必要的假设条件,将短路电流的数值较简单地计算出来。其假设条件如下。
(1)假设系统有无限大的容量,短路后系统母线电压能维持不变,计算阻抗远大于系统阻抗(即无限大电源)。
(2)电力系统正常运行时,三相是对称的。
(3)所有发电机的电势相位在短路过程中都相同,频率与正常工作时相同。
(4)发电机的转子是对称的。
(5)变压器的励磁电流略去不计。
(6)在大的电力网中,对于末端负荷线路在短路电流计算中,不计负荷电流的影响;在小的电网中,则应计负荷的影响。在短路电流计算中,可按综合负荷考虑。
(7)假设发电机、变压器的铁芯在短路过程中均未饱和,且电抗值与电流大小无关。
(8)输电线路的电容电路略去不计。
(9)在被计算的电力系统中,其综合电阻RΣ若小于综合电抗XΣ的,则RΣ略去不计。(即RΣ≤XΣ)这样就把复杂的复数运算变成了简单的代数运算。
(10)多台发电机供电的网路中发生短路时,各发电机短路电流周期分量变化规律相同。
3.短路电流实用计算步骤
在短路发生后的第一个周期内的短路电流周期分量的有效值称之为起始次暂态短路电流,用I″表示(t=0时的短路电流值)。在无限大电力系统中的次暂态短路电流I″与稳态短路电流I∞(t=∞时的短路电流值)相等。在三相短路电流计算中,是指次暂态短路电流I″的计算,其计算步骤如下。
(1)做出电力系统计算系统图。根据电力系统接线图,做出用单相表示计算系统图。
在计算系统图中应包括与短路电流计算有的全部电力元件以及它们之间的相互连接的关系。在元件的旁边应注明它们的技术数据。最后,在计算图上一定要标明短路点的位置。
(2)计算各元件参数。根据给定的电力系统,首先确定是用标么值的方法计算短路电流,还是用实际有名值的方法,一般在有两个级以上的电压等级用标么值的方法这样可以省去电压等级之间的换算,从而简化计算。
用标么值时,首先选定一个基准值(标么值=实际有名值/基准值,且同量纲)。此基准值的选择原则,应是“便于计算”。一般选取整数,如SB=100MVA(KVA)或SB=1000MVA(KVA),可根据系统的具体容量来定一个较接近的。基准电压一般选取平均电压值UB=Uav(10.5KV、37KV、 115KV、230KV等)。然后利用电路原理中计算U,S,I,X之间关系的公式算出基准电流值和基准电抗。
(3)绘制等值网络图。绘制电力系统等值网络图的目的是便于分析和短路电流计算,图中应标明元件数的计算结果,并标明序号1、2…;并将其用分是式表示。元件序号放在分子的位置,分母表示电力系统各元件阻抗的标么值。例如可表示1/X*,2/X*等。
(4)网络化简。网络的化简是将等值网络图化简到最简单的形式,即只有一个综合电势和一个综合阻抗的形式。利用电路中电源的串并联和电阻的串并联的等效化简关系进行。
(5)短路电流计算。通过以上程序,把一个复杂的系统化简成只有一个等效元件的系统,一般为了简化计算我们将系统的综合电势记为1,这样就得到短路电流的标么值:
式中——系统对短路点的综合阻抗的标么值。
(6)将标么值换算成有名值。标么值×基准值=有名值。
四、短路电流计算的应用
在电力系统的设计和运行中,不仅要考虑正常工作状态,而且还必须考虑到发生故障时所造成的不正常工作状态。实际运行表明,破坏供电系统正常运行的故障,多数为各种短路故障。因此短路电流计算不论是在专业知识的学习中还是在电力行业的规划、设计和运行中都起着很重要的作用。
在发电专业中,学生一旦进入专业基础课程的学习后,实际上就已经开始为短路电流计算的学习打基础,例如在“电路基础”的学习中,学生要学习电源的等效变换,网络图的化简,各电路参数之间的变换等;在“电机”的学习中是为了从原理上来分析短路电流的产生,影响短路电流的原因等。学生除了要能掌握电力系统的一些基本理论常识外,还应具备一定的动手和设计的能力,因此学生在大二的专业课“发电厂及变电站电气设备”和“继电保护”课程结束后,为了提高学生对知识的应用和驾驭能力,最后安排一周的课程设计。在“电气设备”课程设计中,要求学生设计某发电厂或变电站的电气主接线和要应用在其中的各种重要电气设备的选择。这样就要求学生能够根据所算母线和线路短路电流的大小来设计电气主接线,尽量经济简便而且可靠性和稳定性都比较高。那么对于设备的选择同样要根据设备可能产生的最大短路电流来校验所选设备的动稳定性和热稳定性,综合考虑后再来妥善选择。在“继电保护”课程设计中,同样需要学生计算短路电流,来整定继电器的保护动作值,同样提高电力系统运行的稳定性。
在电气设备选择中,必须按正常工作条件进行选择,并按短路状态来校验。例如:在高压断路器选择中,断路器的额定开断电流Iekd≥高压断路器触头实际开断瞬间的短路电流周期分量Iz;在敞露母线及电缆截面的选择中,除配电装置的汇流母线及较短导体按导体长期发热允许电流选择外,其余导体的截面一般按经济电流密度选择,其热稳定校验就要根据短路电流的热效应来校验Qd=I∞2t。
在继电保护整定值的计算中,单侧电源网络相间短路的电流保护中,电流速断保护的电流的整定值需要三相短路时流经被保护元件的短路电流来整定;保护范围校验时,最大运行方式下三相短路时,保护范围最大,三相短路电流与动作电流相等;最小运行方式下两相短路时,保护范围最小,两相短路电流与动作电流相等;在进行灵敏系数校验时,取最小运行方式下本线路末端两相金属性短路电流来校验等等。
综上所述,短路电流不仅在发电专业学习中占据核心地位,而且在电力系统运行和设计中叶起到了举足轻重的作用。
五、结束语
短路电流是发电厂及电力系统的核心因素,也是学此专业学生的核心知识,希望每位学生不要怕难,不要退缩,应該共同努力去克服困难,更上一层楼。
参考文献:
[1]熊信银.发电厂电气部分[M].北京:中国电力出版社,2009.
[2]于长顺.发电厂电气设备[M].北京:中国电力出版社,1991.
[3]陈光会,王敏.电力系统基础[M].北京:中国水利水电出版社,
2004.
[4]马永翔,王世荣.电力系统继电保护[M].北京:中国林业出版社,
2006.
(责任编辑:赵赟)
关键词:短路;短路电流;方法;计算步骤
作者简介:肖俊(1984-),女,湖北武汉人,长江工程职业技术学院,助教,主要研究方向:电力系统及其自动化;陈子文(1984-),男,湖南永州人, 长江工程职业技术学院,助教,主要研究方向:电气工程。(湖北 武汉 430212)
一般短路电流计算,在高职或本科院校的发电厂及电力系统专业或相关专业的学习中起到举足轻重的作用,是学好和应用好本专业的一个核心知识。其中涉及该知识点的课程有“电路基础”、“电机学”、“电力系统分析”、“电气设备”和“继电保护”等等。
一、有关概念
1.短路
短路是电力系统最常见的故障。它是指一切不正常的相与相之间或中性点接地系统中相与地之间的短接。在中性点非直接接地系统中,短路是指相与相之间的短接;在中性点直接接地系统中,除了相与相之间的短路外,还有相与地之间的短路。
2.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(即短路)时流过的电流。其值可远远大于额定电流,并取决于短路点距电源的电气距离。例如,在发电机端发生短路时,流过发电机的短路电流最大瞬时值可达额定电流的10～15倍。大容量电力系统中,短路电流可达数万安。这会对电力系统的正常运行造成严重影响和后果。
3.短路的类型
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,单相接地短路和两相接地短路。前两种属于相与相之间的短路;后两种属于相与地之间的短路。其中,三相短路时,因为短路回路各相的阻抗相等,三相的电流仅较正常时增大,电压较正常时降低,但三相仍然是对称的,故称为对称短路。除三相短路外,其他几种短路在短路时各相电流、电压数值不相等,其相角也不相同,这些短路称为不对称短路。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。
二、短路的原因和危害
1.短路的原因
主要原因:是电气设备载流部分的绝缘被损坏。
引起绝缘损坏的原因有:各种形式的过电压,未及时发现和消除设备的缺陷,以及设计、安装和运行不当所致;绝缘材料的自然老化和污秽,运行人员维护不周及直接的机械损伤等。
2.短路的危害
(1)短路时往往会有电弧产生,它不仅能烧坏故障元件本身,也可能烧坏周围设备和人员。
(2)巨大的短路电流通过导体时,一方面会使导体大量发热,造成导体过热甚至熔化,以及使绝缘损坏。另一方面,巨大的短路电流还将产生很大的点动力作用于导体,使导体变形或损坏。
(3)短路时系统电压将大幅度下降,特别是靠近短路点处电压降低的很多,结果对用户工作影响很大,可能破坏部分或全部用户的供电。
(4)电力系统中短路时,系统功率分布的突然变化和电压严重下降,可能破坏各发电厂并联工作的稳定性,使整个系统被解列为几个异步运行的部分。
三、短路電流计算
1.短路电流计算的目的
目的主要有两点:一是看回路能不能承受这么大的短路电流;二是看回路中的短路保护装置能不能分断这么大的短路电流。具体来讲就是电气接线方案的比较和选择;选择和校验电气设备、载流导体;继电保护和选择与整定;接地装置的设计及确定中性点接地方式;大、中型电动机起动。
短路电流时效验电缆热稳定性的重要条件,另外它也作为选择适当的接触器的参数,继电保护的灵敏度也是用它来校验的。
2.假设条件
短路从起始状态到短路稳态,其短路电流受各种因素的影响,变化过程是复杂的。短路电流实用计算方法,就是在满足工程准确等级要求的前提下,采用了一些必要的假设条件,将短路电流的数值较简单地计算出来。其假设条件如下。
(1)假设系统有无限大的容量,短路后系统母线电压能维持不变,计算阻抗远大于系统阻抗(即无限大电源)。
(2)电力系统正常运行时,三相是对称的。
(3)所有发电机的电势相位在短路过程中都相同,频率与正常工作时相同。
(4)发电机的转子是对称的。
(5)变压器的励磁电流略去不计。
(6)在大的电力网中,对于末端负荷线路在短路电流计算中,不计负荷电流的影响;在小的电网中,则应计负荷的影响。在短路电流计算中,可按综合负荷考虑。
(7)假设发电机、变压器的铁芯在短路过程中均未饱和,且电抗值与电流大小无关。
(8)输电线路的电容电路略去不计。
(9)在被计算的电力系统中,其综合电阻RΣ若小于综合电抗XΣ的,则RΣ略去不计。(即RΣ≤XΣ)这样就把复杂的复数运算变成了简单的代数运算。
(10)多台发电机供电的网路中发生短路时,各发电机短路电流周期分量变化规律相同。
3.短路电流实用计算步骤
在短路发生后的第一个周期内的短路电流周期分量的有效值称之为起始次暂态短路电流,用I″表示(t=0时的短路电流值)。在无限大电力系统中的次暂态短路电流I″与稳态短路电流I∞(t=∞时的短路电流值)相等。在三相短路电流计算中,是指次暂态短路电流I″的计算,其计算步骤如下。
(1)做出电力系统计算系统图。根据电力系统接线图,做出用单相表示计算系统图。
在计算系统图中应包括与短路电流计算有的全部电力元件以及它们之间的相互连接的关系。在元件的旁边应注明它们的技术数据。最后,在计算图上一定要标明短路点的位置。
(2)计算各元件参数。根据给定的电力系统,首先确定是用标么值的方法计算短路电流,还是用实际有名值的方法,一般在有两个级以上的电压等级用标么值的方法这样可以省去电压等级之间的换算,从而简化计算。
用标么值时,首先选定一个基准值(标么值=实际有名值/基准值,且同量纲)。此基准值的选择原则,应是“便于计算”。一般选取整数,如SB=100MVA(KVA)或SB=1000MVA(KVA),可根据系统的具体容量来定一个较接近的。基准电压一般选取平均电压值UB=Uav(10.5KV、37KV、 115KV、230KV等)。然后利用电路原理中计算U,S,I,X之间关系的公式算出基准电流值和基准电抗。
(3)绘制等值网络图。绘制电力系统等值网络图的目的是便于分析和短路电流计算,图中应标明元件数的计算结果,并标明序号1、2…;并将其用分是式表示。元件序号放在分子的位置,分母表示电力系统各元件阻抗的标么值。例如可表示1/X*,2/X*等。
(4)网络化简。网络的化简是将等值网络图化简到最简单的形式,即只有一个综合电势和一个综合阻抗的形式。利用电路中电源的串并联和电阻的串并联的等效化简关系进行。
(5)短路电流计算。通过以上程序,把一个复杂的系统化简成只有一个等效元件的系统,一般为了简化计算我们将系统的综合电势记为1,这样就得到短路电流的标么值:
式中——系统对短路点的综合阻抗的标么值。
(6)将标么值换算成有名值。标么值×基准值=有名值。
四、短路电流计算的应用
在电力系统的设计和运行中,不仅要考虑正常工作状态,而且还必须考虑到发生故障时所造成的不正常工作状态。实际运行表明,破坏供电系统正常运行的故障,多数为各种短路故障。因此短路电流计算不论是在专业知识的学习中还是在电力行业的规划、设计和运行中都起着很重要的作用。
在发电专业中,学生一旦进入专业基础课程的学习后,实际上就已经开始为短路电流计算的学习打基础,例如在“电路基础”的学习中,学生要学习电源的等效变换,网络图的化简,各电路参数之间的变换等;在“电机”的学习中是为了从原理上来分析短路电流的产生,影响短路电流的原因等。学生除了要能掌握电力系统的一些基本理论常识外,还应具备一定的动手和设计的能力,因此学生在大二的专业课“发电厂及变电站电气设备”和“继电保护”课程结束后,为了提高学生对知识的应用和驾驭能力,最后安排一周的课程设计。在“电气设备”课程设计中,要求学生设计某发电厂或变电站的电气主接线和要应用在其中的各种重要电气设备的选择。这样就要求学生能够根据所算母线和线路短路电流的大小来设计电气主接线,尽量经济简便而且可靠性和稳定性都比较高。那么对于设备的选择同样要根据设备可能产生的最大短路电流来校验所选设备的动稳定性和热稳定性,综合考虑后再来妥善选择。在“继电保护”课程设计中,同样需要学生计算短路电流,来整定继电器的保护动作值,同样提高电力系统运行的稳定性。
在电气设备选择中,必须按正常工作条件进行选择,并按短路状态来校验。例如:在高压断路器选择中,断路器的额定开断电流Iekd≥高压断路器触头实际开断瞬间的短路电流周期分量Iz;在敞露母线及电缆截面的选择中,除配电装置的汇流母线及较短导体按导体长期发热允许电流选择外,其余导体的截面一般按经济电流密度选择,其热稳定校验就要根据短路电流的热效应来校验Qd=I∞2t。
在继电保护整定值的计算中,单侧电源网络相间短路的电流保护中,电流速断保护的电流的整定值需要三相短路时流经被保护元件的短路电流来整定;保护范围校验时,最大运行方式下三相短路时,保护范围最大,三相短路电流与动作电流相等;最小运行方式下两相短路时,保护范围最小,两相短路电流与动作电流相等;在进行灵敏系数校验时,取最小运行方式下本线路末端两相金属性短路电流来校验等等。
综上所述,短路电流不仅在发电专业学习中占据核心地位,而且在电力系统运行和设计中叶起到了举足轻重的作用。
五、结束语
短路电流是发电厂及电力系统的核心因素,也是学此专业学生的核心知识,希望每位学生不要怕难,不要退缩,应該共同努力去克服困难,更上一层楼。
参考文献:
[1]熊信银.发电厂电气部分[M].北京:中国电力出版社,2009.
[2]于长顺.发电厂电气设备[M].北京:中国电力出版社,1991.
[3]陈光会,王敏.电力系统基础[M].北京:中国水利水电出版社,
2004.
[4]马永翔,王世荣.电力系统继电保护[M].北京:中国林业出版社,
2006.
(责任编辑:赵赟)