第三章电力系统短路

第3章电力系统短路主要内容：3.1电力系统短路3.2电力系统继电保护3.3电气设备的发热和电动力3.4电气设备选型3.1电力系统短路电力系统运行有三种状态：正常运行状态、非正常运行状态和短路故障。短路就是指不同电位导电部分之间的不正常短接。1短路原因（1）短路的主要原因是电气设备载流部分绝缘损坏。（2）误操作及误接。（3）飞禽跨接裸导体。（4）其它原因。3.1电力系统短路2短路后果电力系统发生短路，短路电流数值可达几万安到几十万安。（1）产生很大的热量，很高的温度，从而使故障元件和其它元件损坏。（2）产生很大的电动力，该力使导体弯曲变形。（3）短路时，电压骤降。（4）短路可造成停电。（5）严重短路要影响电力系统运行的稳定性，造成系统瘫痪。（6）单相短路时，对附近通信线路，电子设备产生干扰。3.1电力系统短路3短路形式两相接地短路1.1k短路对称短路3k不对称短路单相短路两相短路单相接地短路1k单相接中性点短路1k两相短路2k两相短路接地1.1k三相短路用表示，二相短路表示，单相短路用表示，两相接地短路用表示。只有三相短路，属对称短路。3k2k1k1.1k3.1电力系统短路图3-1短路的类型a)三相短路b)两相短路c)单相短路d)单相接中心点短路e)两相接地短路f)两相短路接地选择、检验电气设备，以三相短路计算为主。校验继电器保护装置用两相或单相短路电流。3.2电力系统继电保护3.2.1电力系统继电保护的作用一、电力系统的故障和不正常运行状态电力系统的故障：三相短路f(3)、两相短路f(2)、单相短路接地f(1)、两相短路接地f(1,1)、断线、变压器绕组匝间短路、复合故障等。不正常运行状态：小接地电流系统的单相接地、过负荷、变压器过热、系统振荡、电压升高、频率降低等。3.2.1电力系统继电保护的作用二、发生故障可能引起的后果1、故障点通过很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障设备烧坏；2、系统中设备，在通过短路电流时所产生的热和电动力使设备缩短使用寿命；3、因电压降低，破坏用户工作的稳定性或影响产品质量；破坏系统并列运行的稳定性，产生振荡，甚至使整个系统瓦解。事故：指系统的全部或部分的正常运行遭到破坏，以致造成对用户的停止送电、少送电、电能质量变坏到不能容许的程度，甚至毁坏设备等等。事故3.2.1电力系统继电保护的作用三、继电保护装置及其任务继电保护装置：就是指反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。基本任务：1、发生故障时，自动、迅速、有选择地将故障元件（设备）从电力系统中切除，使非故障部分继续运行。2、对不正常运行状态，为保证选择性，一般要求保护经过一定的延时，并根据运行维护条件（如有无经常值班人员），而动作于发出信号（减负荷或跳闸），且能与自动重合闸相配合。3.2.2继电保护的基本原理和保护装置的组成一、继电保护的基本原理继电保护的原理是利用被保护线路或设备故障前后某些突变的物理量为信息量，当突变量达到一定值时，起动逻辑控制环节，发出相应的跳闸脉冲或信号。1、利用基本电气参数的区别。2、利用内部故障和外部故障时被保护元件两侧电流相位（或功率方向）的差别。3、对称分量是否出现。4、反应非电气量的保护。3.2.2继电保护的基本原理和保护装置的组成1、利用基本电气参数的区别发生短路后，利用电流、电压、线路测量阻抗等的变化，可以构成如下保护。（1）电流保护：反映电流的增大而动作。（2）低电压保护：反应于电压的降低而动作。（3）距离保护：反应于短路点到保护安装地之间的距离（或测量阻抗的减小）而动作。ZdA12BIdCUd=0d(3)图1—1单侧电源线路3.2.2继电保护的基本原理和保护装置的组成2、利用内部故障和外部故障时被保护元件两侧电流相位（或功率方向）的差别。规定电流的正方向是从母线流向线路。正常运行和线路AB外部故障时，A-B两侧电流的大小相等相位相差180°。当线路AB内部短路时，A-B两侧电流一般大小相等、相位相等。构成各种差动原理的保护，如纵联差动保护，相差高频保护、方向高频保护等。3.2.2继电保护的基本原理和保护装置的组成3、对称分量是否出现电气元件在正常运行（或发生对称短路）时，负序分量和零序分量为零；在发生不对称短路时，一般负序和零序都较大。因此，根据这些分量的是否存在可以构成零序保护和负序保护。此种保护装置都具有良好的选择性和灵敏性。3.2.2继电保护的基本原理和保护装置的组成4、反应非电气量的保护反应变压器油箱内部故障时所产生的气体而构成瓦斯保护；反应于电动机绕组的温度升高而构成过负荷保护等。3.2.2继电保护的基本原理和保护装置的组成二、继电保护装置的组成继电保护一般由三个部分组成:测量部分、逻辑部分和执行部分，其原理结构如下图所示。测量部分逻辑部分执行部分故障参数量输出信号整定值图1—3继电保护装置的原理结构图测量被保护元件工作状态的物理量，并和已给的整定值进行比较，从而判断保护是否应该起动。根据测量部分各输出量的大小，性质，出现的顺序等，使保护装置按一定的逻辑程序工作，最后传到执行部分。根据逻辑部分送的信号，最后完成保护装置所担负的任务。如发出信号，跳闸或不动作等。3.2.2继电保护的基本原理和保护装置的组成举例说明正常状态：一次设备通过的电流为负载电流断路器主、辅触点脱扣器跳闸线圈KA流过的二次电流小于动作值KA不动作其接点不闭合保护不动作。电流互感器电流继电器时间继电器中间继电器3.2.2继电保护的基本原理和保护装置的组成举例说明短路故障时：流过一次设备的电流激增KA流过的二次电流大于KA动作值KA接点闭合，KT得电KT触点闭合KM线圈得电，其触点闭合QF的YT线圈得电跳闸切除故障。3.2.3对继电保护装置的基本要求选择性速动性灵敏性可靠性3.2.3对继电保护装置的基本要求一、选择性(Selectivity)选择性是指保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小，以保证系统中的无故障部分仍能继续安全运行。3.2.3对继电保护装置的基本要求d3点短路：保护6动作，6QF跳闸；若保护6或6QF拒动，5QF跳闸；d2点短路：保护5动作，5QF跳闸；若保护5或5QF拒动，保护1和保护3动作于1QF、3QF跳闸；d1点短路：保护1和保护2动作，1QF、2QF跳闸；若保护2或2QF拒动，保护3动作于3QF跳闸；3.2.3对继电保护装置的基本要求主保护：能有选择性地快速切除全线故障的保护。后备保护：当故障线路的主保护或断路器拒动时用以切除故障的保护。近后备保护：作为本线路主保护的后备保护。远后备保护：作为下一条相邻线路主保护或开关拒跳的后备保护。3.2.3对继电保护装置的基本要求二、速动性（Speed)速动性是指尽可能快地切除故障。短路时快速切除故障，可以缩小故障范围，减轻短路引起的破坏程度，减小对用户工作的影响，提高电力系统的稳定性。3.2.3对继电保护装置的基本要求三、灵敏性(Sensitivity)灵敏性是指对保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。保护装置的灵敏性，通常用灵敏系数来衡量，灵敏系数越大，则保护的灵敏度就越高，反之就越低。对过量继电器：对欠量继电器：值同一物理量保护的最小值内部故障某突变保护Klm整定物理量范围量的最大值故障某突变保护定值同一物理量保护Klm物理范围内部整3.2.3对继电保护装置的基本要求四、可靠性(Reliability)可靠性是指在规定的保护范围内发生了属于它应该动作的故障时，它不应该拒绝动作，而在其它不属于它应该动作的情况下，则不应该误动作。以上四个基本要求之间，有的相辅相成，有的相互制约，需要针对不同的使用条件，分别地进行协调。此四个基本要求是分析研究继电保护的基础，也是贯穿全课程的一个基本线索。根据被保护元件在电力系统中的地位和作用来确定具体的保护方式，以满足其相应的要求。3.3电气设备的发热和电动力一、运行中的电气设备发热的致因1.载流导体的电阻损耗；2.载流导体周围金属构件处于交变磁场中所产生的磁滞和涡流损耗；3.绝缘材料内部的介质损耗等。上述损耗都会转变成热量使电气设备的温度升高。(即电器元件、设备在工作中都有热损耗。热源—P（W）能耗—（零部件的）温度升高)3.3电气设备的发热和电动力二、电气设备的允许温度1、电气设备的运行特点发热绝缘老化介质损耗涡流和磁滞损耗电能损耗影响设备正常寿命和工作状态强电场绝缘材料交变磁场铁磁物质电流导体3.3电气设备的发热和电动力2、电气设备的发热类型长期发热－－由正常工作电流引起，可用来确定导体正常工作时的最大允许载流量。特点：电流小，持续时间长，热量的产生与散失将维持一动态平衡，达到一稳定温升，温度不再改变。短（路）时发热－－由短路电流引起，可用来确定短路切除以前可能出现的最大温度。特点：电流大且时间短暂，热量几乎全部用于导体温升。3.3电气设备的发热和电动力3、发热的其它概念：热稳定性－－长期工作电流或短路电流通过导体、电器时，实际发热温度不超过各自发热的允许温度，即具有足够热稳定性。允许温度：可承受的最高温度值。允许温升：长期发热的允许温升－－较周围（计算）环境温度的温度升高值。短时发热的允许温升－－较短路前的温度升高值，通常与导体长期工作时的最高允许温度相比较。3.3电气设备的发热和电动力三、导体长期发热的计算两种计算思路：根据θy（导体长期发热允许温度）Iy（允许电流）；进而校验，使满足Ig.zd≤Iy根据Ig.zd（导体最大长期工作电流）θc（导体长期发热稳定温度）；进而校验，使满足θc≤θy3.3电气设备的发热和电动力1、允许电流Iy的确定对于母线、电缆等均匀导体，其允许电流Iy可查标准截面允许电流表。注意：对应查得的电流的条件为：计算环境温度θ0＝25℃，最高发热允许温度θy＝70℃；故当实际环境温度θ与θ0不一致或敷设条件不同时，需要进行温度校正：)(0AIIyyyy3.3电气设备的发热和电动力2、导体长期发热温度θcθc＝θ＋（θy－θ）(Ig.zd/Iyθ)θ－－实际环境温度Ig.zd－－最大长期工作电流（一般考虑持续30min以上的最大工作电流）Iyθ－－校正后的允许电流3.3电气设备的发热和电动力四、导体短路时的发热计算导体必须能承受短路电流的热效应而不致使绝缘材料软化烧坏，也不致使芯线材料的机械强度降低，这种能力即－－导体的短路热稳定性。短路热稳定性的校验思路：当导体通过短路电流时的最高发热温度θd≤θdy规定的导体短时发热允许温度，则认为导体在短路条件下是热稳定的；否则是热不稳定的。3.3电气设备的发热和电动力1、短路时发热的计算条件由其短时发热的主要特点而决定:a、视为绝热过程－－短路时间内产生的热量全部用来提高导体本身的温度，即不考虑散热；b、短路时导体的物理特性，如比热、电阻率等不能视为常数，而是温度的函数；c、短路电流瞬时值的实际变化规律复杂，故选取短路电流全电流的有效值来进行发热计算。3.3电气设备的发热和电动力2、短路时最高发热温度θd的计算3.3电气设备的发热和电动力3.3电气设备的发热和电动力3.3电气设备的发热和电动力3.3电气设备的发热和电动力3.3电气设备的发热和电动力3.3电气设备的发热和电动力3.3电气设备的发热和电动力3.3电气设备的发热和电动力五、导体短路时的电动力基本概念载流导体的电动力：载流导体处在磁场中会受到力的作用，载流导体间也会有力的作用，这种力称为电磁互作用力，即电动力。在电器中，载流导体间、线圈匝间、动静触头间、电弧与铁磁体间等都有电动力的作用。在正常电流下，电动力不致于使电器损坏，但动、静触头间的电动斥力过大会使接触压力减小、接触电阻增大，从而造成触头的熔化或熔焊，影响其正常工作。3.3电气设备的发热和电动力在强大短路