第1章配电网故障分析

第一章配电网故障分析第一节配电网的三相短路电力系统发生短路故障时，将造成断路器跳闸。

监控会听到蜂鸣器响，会看到控制回路的监视灯绿灯闪光、保护动作光字牌亮，有关回路的电流表、有功表、无功表的指示为零。

如果有上述情况，说明系统有短路故障发生，应按照事故处理原则进行处理。

三相短路和其它短路相比，三相短路时电流比其它短路时的短路电流大，对系统的冲击大。

一、短路的基本知识（一）短路的定义及类型电网发生短路是最常见的一种型式。

所谓短路是指电力网正常运行情况以外的一切相与相之间的短接，在中性点直接接地系统中还包括一相或多相接地。

电力网中短路的基本类型有：三相短路、两相短路、单相接地短路和两相接地短路。

分别用符号k(3)、k(2)、k(1)、k(1，1)、见图1-1。

图1-1短路的类型a) 三相短路b) 两相短路c) 单相接地短路d) 两相接地短路（二）短路产生的原因发生短路的主要原因是由于各种因素使电气设备的载流部分的绝缘损坏。

这种损坏可能是由于设备长期运行使绝缘自然老化或由于设备本身不合格、绝缘强度不够而被正常电压击穿，或设备绝缘正常而被过电压(包括雷电过电压)击穿，或者是设备绝缘受到外力损伤而造成短路。

工作人员由于未遵守安全操作规程而发生误操作，或者误将低电压的设备接入较高电压的电路中，也可能造成短路。

另外，鸟兽跨越在裸露的相线之间或相线与接地物体之间，或者咬坏设备导线电缆的绝缘，也是导致短路的一个原因。

（三）短路的危害短路后，短路电流比正常电流大得多；在大电力系统中，短路电流可达几万安甚至几十万安。

如此大的短路电流可对供电系统产生极大的危害，即（1）短路时要产生很大的电动力和很高的温度，而使故障元件和短路电路中的其他元件损坏。

（2）短路时电压下降较大，特别是离短路点越近电压下降越厉害，严重影响电气设备的正常运行。

（3）短路可造成停电，而且短路点越靠近电源，停电范围越大，给国民经济造成的损失也越大。

（4）严重的短路要影响电力系统运行的稳定性，可使并列运行的发电机组失去同步，造成系统解列。

（5）不对称短路，将产生零序电流，由此产生的磁场，对附近的通信线路、电子设备等产生干扰，影响其正常运行，甚至使之发生误动作。

由此可见，短路的后果是十分严重的，因此必须尽力设法消除可能引起短路的一切因素；同时需要进行短路电流计算，以便正确地选择电气设备，使设备具有足够的动稳定性和热稳定性，以保证在发生可能有的最大短路电流时不致损坏。

为了选择切除短路故障的开关设备、整定继电保护装置的动作值等也必须计算短路电流。

二、三相短路的分析（一）无限大容量电力系统发生三相短路时的物理过程无限大容量电力系统，指其容量相对于用户供电系统容量大得多的电力系统，当用户供电系统的负荷变动甚至发生短路时，电力系统变电所母线上的电压能基本维持不变。

如果电力系统的电源总阻抗不超过短路电路总阻抗的5%~10%，或电力系统容量超过用户供电系统容量50倍时，可将电力系统视为无限大容量系统。

对一般工厂供电系统来说，由于工厂供电系统的容量远比电力系统总容量小，而阻抗又较电力系统大得多，因此工厂供电系统内发生短路时，电力系统变电所线上的电压几乎维持不变，也就是说可将电力系统视为无限大容量的电源。

图1-2（a）是一个电源为无限大容量的供电系统发生三相短路的电路图。

图中R wL、X wL 为线路(WL)的电阻和电抗，R L、X L为负荷(L)的电阻和电抗。

由于三相对称，因此这一三相短路的电路可用图1-2（b）的等效单相电路图来分析。

设电源相电压为u=U m/3sinωt，U m为短路处电网额定电压的最大值，则正常负荷电流为i=I m sin(ωt-ϕ)，现t=0时突然短路(等效为开关闭合)，根据电路理论，突然短路时的电路方程式为RΣi k+LΣdi k/dt= U m/3sinωt式中RΣ为短路电路的总电阻，LΣ为短路电路的总电感，i k为短路电流瞬时值。

图1-2 无限大容量电力系统中发生三相短路a)三相电路图 b)等值单相解式 1-1的方程得i k=i p+ i np= I km sin(ωt-ϕk)+(I km sinϕk- I m sinϕ)e- t /τ式中 i p——短路电流周期分量；i pn——短路电流周期分量。

由上式可以看出，当t→∞时，i np→0，这时i k= i k∞= I m∞sin(ωt-φ)式中I m∞——短路电流稳态分量的最大值。

上述分析也可用图1-3来表示。

由图1-3可以看出，短路电流在到达稳定值之前，要经过一个暂态过程。

这一暂态过程是短路电流非周期分量存在的那段时间。

从物理概念上讲，短路电流周期分量的增大是因短路后电路阻抗突然减小很多倍引起的；短路电流非周期分量的存在是由于短路电路中有电抗，电路电流不可以突变而引起的。

（二）三相短路电流的计算1、短路电流的计算程序和方法三相短路电流的计算首先要给出计算电路图，如图1-4所示。

在计算电路图上，将短路计算所需考虑的各元件的额定参数都表示出来，并将各元件依次编号，然后确定短路计算点。

短路计算点要选择得使需要进行短路校验的电气元件有最大可能的短路电流通过。

图1-3无限大容量电力系统发生三相短路时的电压、电流变化曲线图1-4 计算电路图接着，按所选择的短路计算点给出等效电路图，如图1-5所示，并计算电路中各主要元件的阻抗。

在等效电路图上，只需将被计算的短路电流所流经的一些主要元件表示出来，并标明其序号和阻抗值，一般是分子标序号，分母标电抗值。

然后将等效电路化简。

对于工厂供电系统来说，由于将电力系统当作无限大容量电源，而且短路电路也比较简单，因此一般只需采用阻抗串、并联的方法即可将电路化简，求出其等效总阻抗。

最后计算短路电流和短路容量。

图1-5 等效电路图短路电流计算的方法，常用的有名单位制法和标么制法。

一般采用标么制计算。

这时仅介绍标么制法。

采用标么制法进行短路电流计算因无需进行电压的换算，所以被广泛地采用。

2、采用标么制法进行短路计算（1）标么制的定义标么制法即相对单位制法。

所谓标么值就是任一物理量的实际值与所选定的基准值的比。

*d A = A/A d（2）系统各元件的电抗标么值采用标么制法进行短路计算时，一般先选定基准容量S d 和基准电压U d 。

基准容量S d 通常取100MV A ，基准电压通常取元件所在处的平均电压，U d =U av ，平均电压为额定电压的1.05倍，即10kV 取10.5 kV ，35kV 取37 kV ，110kV 取115kV 。

选定基准容量S d 和基准电压U d 后可求出基准电流I d 和基准电抗X d 。

I d =d dU S 3 = av d U S 3d X =d d I U 3=d av S U 2系统各元件的电抗标么值为（选定基准容量为S d 和基准电压为U d ）：1）电源的电抗标么值为*S X = X s /X d =X ”d S d /S sX ”d ——电源电抗的标么值（电源自己的基准下）；S s ——电源的容量。

2) 变压器的电抗标么值为*T X = X T /X d =(U k %/100) S d /S NS N ——变压器的额定容量。

3）电力线路的电抗标么值*WL X = X WL /X d = X 0l S d /U 2dl ——导线的长度（km ）。

短路电路中各主要元件的电抗标么值求出以后，即可利用其等效电路图（图1-5）进行电路简化，计算出其总电抗的标么值*∑X 。

（3）无限大容量系统三相短路电流的计算1）三相短路电流周期分量有效值的计算三相短路电流周期分量的标么值为：*)3(k I = I (3)k /I d = (U d /3X Σ)/ (S d /3U d )=(U 2d / S d )X Σ = 1/*∑X 三相短路电流周期分量的有效值为：I (3)k = *)3(k I I d = I d /*∑X冲击电流：)3(sh i =2.55 I (3)k2）三相短路容量的计算S (3)k =3 U d I (3)k =3 U d I d /*∑X = S d /*∑X 短路计算时，为了便于计算，电压的单位用kV ，容量的单位用MVA ，则电流的单位为kA 。

例1-1某供电系统如图1-6所示。

试求工厂变电所高压侧10kV 母线上k-1点和低压侧0.38kV 母线上发生三相短路时的短路电流和短路容量。

图1-6 例1-1的计算电路图已知电源为无限大容量供电系统，架空线长为5km ，电抗为0.4Ω/km ；变压器的容量为2×1000kVA ，短路电压为U d %=4.5。

解 1.确定基准值取 S d =100MV A ，U d = U av ，则 k-1点短路时的基准电流为I d1= S d /3 U d1=100/（3×10.5）=5.50(kA)k-2点短路时的基准电流为I d2= S d /3 U d2=100/（3×0.4）=144 (kA)2.计算短路电路中各元件的电抗标么值1）电力系统系统容量为无限大容量，*1X =02）架空线路(架空线路每公里的电抗约为0.4Ω)*2X =0.4×5×(100/10.52）=1.81 3）变压器*3X =*4X =(U k %/100) S d /S N =(4.5/100) ×100/1=4.5等效电路图如图1-7所示，图上标出各元件的序号和电抗标么值，并应标出短路点。

图1-7 例1-1的短路等效电路图 3、求k-1点短路时的短路电流和短路容量*1∑X = *2X =1.81三相短路电流周期分量的有效值为I k1= I d1/*1∑X =5.50/1.81=3.04（kA ）冲击电流为)3(sh i =2.55×3.04=7.75（kA ） 三相短路容量为31k S = S d / *1∑X =100/1.81=55.25 （kA ）4．求k-2点短路时的短路电流和短路容量*2∑X = *2X + *3X // *4X = 1.72+4.5/2=3.97三相短路电流周期分量的有效值为I k2= I d2/*2∑X = 144/3.97=36.27（kA ）冲击电流为)3(sh i )=2.55×36.27=92.51（kA ） 三相短路容量为32k S = S d / *2∑X =100/3.97=25.19（kA ）电力系统中，最容易发生的不是三相短路而是单相短路，但三相短路所产生的冲击最大。

分析三相短路主要是为了保护整定，设备选择及其核验。

第二节 单相短路的分析电力系统按中性点接地方式的不同，分为中性点直接接地系统、中性点不接地系统，中性点消弧线圈或经电阻接地系统等。