电气设备,主讲人：,目 录,05,高压电气设备 的选择,知识目标,技能目标,了解短路的原因及计算目的。 掌握电气设备选择的一般原则。 掌握发热对电气设备的影响。,掌握短路电流的计算方法。 掌握电力系统标幺值的计算方法。 掌握无限大容量系统的三相短路电流实用计算方法 掌握不对称短路电流的计算方法。,任务浏览,任务5.1 了解计算短路电流的目的,任务5.2 掌握对称短路电流的计算方法,任务5.3 掌握不对称短路电流的计算方法,任务5.1 了解计算短路电流的目的,一、短路的原因及危害,1.短路的原因,2.三相系统中短路的类型,短路是指一切不正常的相与相之间或相与地（对于中性点接地系统）之间未经负载而直接形成闭合回路。短路的原因主要有： （1）元件损坏。 （2）自然灾害。 （3）违规操作。 （4）其他原因。如,三相系统中短路的类型主要有： （1）基本形式：k（3）三相短路；k（2）两相短路；k（1）单相接地短路；k（11）两相接地短路； （2）对称短路：短路后各相电流、电压仍对称（如三相短路）； （3）不对称短路：短路后各相电流、电压不对称（如两相短路、中性点直接地系统的单相短路和两相接地短路）。,3.短路的危害,短路的后果可归纳为以下几个方面。 （1）电动力和热效应。 （2）故障点往往有电弧产生，可能烧坏故障元件，也可能殃及周围设备。 （3）电压大幅下降，对用户影响很大。 （4）如果短路发生地点离电源不远而持续时间较长，则可能使并列运行的发电机（厂）失去同步，破坏系统的稳定，造成大面积停电。 （5）不对称短路会对附近的通信系统产生严重干扰。,任务5.1 了解计算短路电流的目的,二、计算短路电流的目的及计算条件,1.短路计算的目的,2.短路计算的简化假设,（1）选择电气设备的依据。 （2）继电保护的设计和整定。 （3）进行电力系统暂态稳定计算，研究短路对用户工作的影响等。 （4）电气主接线方案的确定；确定限制短路电流的设备和措施，或者限制某种运行方式出现的方案，得到既可靠又经济的主接线方案。,（1）不考虑发电机间的摇摆现象，认为所有发电机电势的相位都相同； （2）不考虑磁路饱和，认为短路回路各元件的电抗为常数； （3）不考虑发电机转子的不对称性，用Xd和Eq来代表；认为IKIfmax，即认为短路前发电机是空载的； （4）不考虑线路对地电容、变压器的励磁支路和高压电网中的电阻，认为等值电路中只有各元件的电抗。,3.计算短路电流的原始资料,清楚变电所主接线系统，主要运行方式，各种变压器的型号、容量、各种参数；供电线路的电压等级，架空线和电缆的型号，有关参数、距离；大型高压电机型号和有关参数，还必须到电力部门收集下列资料： （1）电力系统现有总额定容量及远期的发展总额定容量。 （2）与本主接线电源进线所连接的上一级变电所母线，在最大运行方式下的短路容量和最小运行方式下的短路容量。,（3）有发电厂的应收集各种发电机组的型号、容量、同步电抗、接线方式、变压器容量和短路电压百分数、输电线路的电压等级、输电线型号和距离等。 （4）通常变电所有两条电源进线，一条运行，另一条备用，应判断哪条进线的短路电流较大，哪条较小，然后分别计算最大运行方式下和最小运行方式下的短路电流。 （5）电力系统的中性点运行方式以及系统的最大和最小运行方式等。,4.短路计算时间,校验短路热稳定和开断电流时，还必须合理地确定短路计算时间。验算热稳定的短路计算时间td，其为继电保护动作时间tj和相应断路器的全开断时间tdL之和，即 td = tj + tdL 当验算裸导体及110kV以下电缆短路热稳定时，一般采用主保护动作时间。开断电气设备应能在最严重的情况下开断短路电流，故电气设备的开断计算时间tk应为主保护时间tj和断路器固有分闸时间tdL之和（固有分闸时间tdL为接到分闸信号到触头刚分离这一段时间），即 tk = tj + tdL,5.短路电流计算条件及短路点的选择,为使所选导体和电气设备具有足够的可靠性、经济性和合理性，并在一定时期内适应系统发展需要，作验算用的短路电流应按下列条件确定。 （1）容量和接线。 （2）短路种类。 （3）计算短路点。 现以图为例，将短路计算点的选择方法进行说明，如下： 发电机、变压器回路的断路器。 母联断路器。 带电抗器的出线回路。,任务5.1 了解计算短路电流的目的,三、标幺值计算,1.有名值与标幺值 在电力系统的分析计算中，元件参数可以用两种形式表示，一种是用有名值表示，另一种是用标幺值表示。 有名值就是所使用的有量纲单位表示的数值，亦称绝对值。标幺值是指一个有名值A与另一个作为计算标准的有名值B的比值，称为A的标幺值或相对值。 标幺值可以定义为：对用标幺值表示的物理量，一般是在其符号加下标“*”表示，以区别于有名值。标幺值分为两种： （1）额定标幺值：以电气设备的额定参数作为基准值，计算出来的标幺值用参数符号加下标“*N”表示。 如电压和电流的额定标幺值分别为：为了便于运算，电气设备的额定电阻、额定电抗、额定阻抗与额定电压、额定电流之间应该符合欧姆定律，即而电气设备的电阻r、电抗x、阻抗z的额定标幺值为,例如变压器的短路电压百分数uk%就是变压器短路阻抗Zk通过额定电流IN时产生的电压降与额定电压之比。即变压器的电阻的额定标幺值r*N可根据技术数据中的短路损耗Pk计算，因为两者之间有下述关系：已知变压器的阻抗额定标幺值Z*N和电阻的额定标幺值r*N，可按下式求出变压器的电抗的额定标幺值。,（2）基准标幺值：实际的电力系统是由许多不同额定电压，不同额定容量的电气设备组成的。 基准标幺值是以一个任意选定的参数作为基准值计算出来的。这个作为计算标准的容量称为基准容量，以SB表示，一般都以100MVA作为基准容量。 基准容量确定之后，根据各级电压的额定值，便可确定出与各级电压相对应的基准电流值。为了简化计算取其平均值作为本级电压的基准值，所以各级电压的基准值为：3.15kV、6.3kV、37kV、115kV、230kV等。 根据基准容量SB和各级基准电压UB，可计算出各级的基准电流。各级电网的基准电压和基准电流确定之后，便可导出各级电网的基准阻抗。各级电网中的电气设备阻抗与各级电压下基准阻抗的比值，就是各个电气设备的阻抗的基准标幺值。,任务5.1 了解计算短路电流的目的,三、标幺值计算,2.基准值的选择 电力系统参数计算中，对基准值的选择并不是随意的，一般应注意以下要求： （1）所选择的基准值单位应与有名值的单位相同，不同单位的量相比是无意义的。 （2）所选择的基准值电量之间应符合电路的基本关系式，例如：（3）电力系统的五个参数基准值SB、IB、UB、ZB和YB，一般不任意选取，为方便计算，通常是指定SB和UB，然后通过电路基本关系得到其余三个基准值为（4）在实际计算中，对基准容量值SB，一般可选定为100MVA或1 000MVA等容易计算的数值，或者选定为系统总容量或某台发电机容量。 （5）对基准电压值UB，选取为基本级的额定电压或平均额定电压，往往可以简化计算公式或计算步骤。,任务5.1 了解计算短路电流的目的,三、标幺值计算,3.标幺值的换算 下面以电抗为例说明标幺值的换算步骤。 设某电抗有名值为X，以额定值SN、UN为基准时该电抗的标幺值为X*N，试换算成以指定的SB、UB为基准时的电抗标幺值X*B。 （1）首先根据标幺值公式，得到已知额定标幺值的表达式为（2）再将额定标幺值换算为有名值，即（3）最后根据标幺值定义，得到指定的基准标幺值为,任务5.1 了解计算短路电流的目的,三、标幺值计算,4.采用标幺值进行计算的特点 采用标幺值进行电力系统分析计算时，有如下一些特点： （1）三相电路的计算公式与单相电路的计算公式完全相同。 （2）线电压的标幺值与相电压的标幺值相等。 （3）三相功率的标幺值和单相功率的标幺值相等。 （4）用标幺值表示后，电力系统的元件参数都在一定的范围内，利于分析比较各元件的特性及参数。 （5）能够简化计算公式和计算步骤。,任务5.2 掌握对称短路电流的计算方法,一、无限大容量系统的三相短路电流实用计算,1.无限大容量电源系统的定义 如果系统阻抗（即等值电源内阻抗）不超过短路回路总阻抗的5%10%，或电力系统容量超过用户供电系统容量的50倍时，可将电力系统视为无限大容量系统。 可从以下几个方面来表述无限大容量的电源系统： （1）电源容量为无限大时，外电路发生短路所引起的功率改变对于电源来说是微不足道的，因而认为电源的电压和频率保持恒定； （2）无限大容量电源系统可以看作是由无限多个有限容量电源并联而成，因而其内阻抗可认为为零，电源电压保持恒定； （3）系统容量大于短路容量3倍以上，则该系统可被认为是大容量系统； （4）短路电抗标幺值大于3或大于3.5时，则该系统可认为是无限大容量系统。,任务5.2 掌握对称短路电流的计算方法,一、无限大容量系统的三相短路电流实用计算,2.无限大容量电源系统三相短路的物理过程 图5-3(a)是一个无限大容量电源系统发生三相短路时的电路图，图中的RWL、XWL为线路（WL）的电阻和电抗，RL、XL为负荷（L）的电阻和电抗，Z = R + jX为从电源到短路点的等值阻抗，U为无限大电源的端电压，其内阻抗为零。由于三相对称，因此这一三相短路的电路可由图5-3(b)的等效单相电路图来分析当开关S闭合时，相当于突然三相短路，因而短路的过渡过程将与R、L电路接通正弦电压时的过渡过程类似。,图5-4表示无限大容量系统中发生三相短路前后的电压、电流变动曲线。其中短路电流周期分量ip是由于短路后电路阻抗突然减小很多倍，因而按欧姆定律会突然增大很多倍的电流。短路电流非周期分量inp是因短路电路存在电感，而按楞次定律，电路中感生的用以维持短路初瞬间（t=0时）电路电流不致突变的一个反向抵消ip（0），且按指数函数规律衰减的电流。短路电流周期分量ip与短路电流非周期分量inp的叠加，就是短路全电流。短路电流非周期分量inp衰减完毕后的短路电流，称为短路稳态电流，其有效值用I表示。,任务5.2 掌握对称短路电流的计算方法,一、无限大容量系统的三相短路电流实用计算,3.短路计算的有关参数 （1）短路电流周期分量 假设在电压u=0时发生三相短路，如图5-4所示。短路电流周期分量为由于短路电路的XR，因此k90。故短路初瞬间（t=0时）的短路电流周期分量为（2）短路电流非周期分量 短路电流非周期分量的初始绝对值为由于短路电路还存在电阻，因此短路电流非周期分量要逐渐衰减。电路内的电阻越大、电感越小，则衰减越快。 短路电流非周期分量是按指数函数衰减的，其表达式为,（3）短路全电流 短路电流周期分量ip与非周期分量inp之和，即为短路全电流ik。某一瞬间t的短路全电流有效值Ik(t)，是以时间t为中点的一个周期内的ip有效值Ip(t)与inp在t的瞬时值inp(t)的方均根值，即（4）短路冲击电流 短路冲击电流为短路全电流中的最大瞬时值。由图5-4所示短路全电流ik的曲线可以看出，短路后经半个周期(即0.01s) ik达到最大值，此时的短路全电流即短路冲击电流ish。 短路冲击电流按下式计算由上述两个公式可知，短路电流冲击系数为由上式可知，当R0时，Ksh2;当L0时，Ksh1。因此Ksh=1-2。,短路全电流ik的最大有效值是短路后第一个周期的短路电流有效值，用Ish表示，也可称为短路冲击电流有效值，用下式计算在高压电路发生三相短路时，一般可取Ksh= 1.8，因此在1000kVA及以下的电力变压器二次侧和低压电路中发生三相短路时，一般可取Ksh= 1.3，因此,（5）短路稳态电流 短路稳态电流是短路电流非周期分量衰减完毕以后的短路全电流，其有效值用I表示。 在无限大容量系统中，由于系统馈电母线电压维持不变，所以其短路电流周期分量有效值（习惯上用Ik表示）在短路的全过程中维持不变，即I=I=Ik。 为了表明短路的类别，凡是三相短路电流，可在相应的电流符号右上角加标“(3)” 。同样地，两相或单相短路电流，则在相应的电流符号右上角分别标“(2)”或“(1)”，而两相接地短路，则加标(1.1)。在不致引起混淆时，三相短路电流各量可不标注“(3)”。,