電力系統短路計算探討

劉其賓

摘 要：在電力系統中，短路是一種常見的故障，其帶來的危害性非常大，甚至會造成系統崩潰瓦解。在運行過程中，由于種種原因，短路成為不可避免的重大事故。本文就短路電流計算進行探討，通過短路電流計算，為繼電保護整定提供技術數據支撐。當系統發生短路故障時，保護裝置快速、準確、可靠地將故障線路及設備從系統中切除，從而確保系統的安全經濟、優質可靠運行。

關鍵詞：電力系統; ?短路電流計算

一、短路的概念及類型

所謂“短路”，是指三相系統中相與相導體之間通過電弧和其他小阻抗形成的非正常連接。對于中性點直接接地系統或三相四線制系統，是指單相或多相接地或接中線。對于中性點非直接接地系統中，主要是指各種相間短路，包括不同相的多點接地。短路過程中，短路回路各相的阻抗相等，三相電流僅較正常時增大，電壓較正常時降低，三相仍是對稱的，故稱為對稱短路。除三相短路外，其他幾種短路在短路時各相電流、電壓數值不相等，其相角也不相等，這些短路稱為不對稱短路。

二、短路的原因及后果

一）、短路的主要原因：

1、電氣設備載流部分的絕緣被損壞（引起絕緣損壞的原因有：各種形式的過電壓、絕緣材料的自然老化和污穢、維護不當及機械損傷等）;2、電力系統的其他故障（如輸電線路斷線和倒桿塔事故、誤操作、鳥和小動物等跨接裸導體）。

發生短路時所產生的基本現象就是短路回路的電流劇烈增加，此電流稱其為短路電流，可能達到正常工作電流的幾倍到幾十倍。短路電流基本上是“感性”電流，對發電機而言，它將產生“去磁性”的電樞反應，故端電壓下降;對輸電線路等設備而言，增大了電壓損失，因為在電流急劇增大的同時系統電壓降也大幅度增加。

二）、短路的嚴重后果：

1、短路往往會產生電弧，它不僅燒壞故障元件本身，還燒壞周圍設備及人員。2、巨大的短路電流通過導體，一方面造成導體過熱使絕緣損壞，甚至使導體熔化;另一方面，巨大的短路電流還將產生很大的電動力作用于導體，使導體變形和損壞。3、短路時系統電壓將大幅度下降，特別是靠近短路點處電壓降更大，造成用戶不能正常用電。如異步電動機可能制動，因其電磁轉矩與外加電壓平方成正比;發電廠母線電壓降低，對電機轉速變慢，可能過熱，甚至燒毀等等的惡性循環事故。4、不對稱短路的短路電流會對通信及電子設備產生電磁干擾，影響其正常工作。5、短路時，將使電力系統功率突然變化和電壓嚴重下降，破壞了系統的穩定性，若果持續時間較長，將使系統崩潰瓦解。

三、短路電流計算的目的和基本假設條件

一）、目的

1、電氣主接線方案的比較和選擇，并合理確定其運行方式及限流措施;2、電氣設備和載流導體的選擇，并校驗其熱穩定和動穩定;3、繼電保護裝置的選擇和整定計算，使之能快速、靈敏、可靠，且有選擇性的切除短路故障;4、接地裝置的設計，以減少因雷擊造成短路故障;5、系統運行和故障情況的分析。6、驗算開關電器動穩定、熱穩定以及電器開斷電流等。

二）、基本假設條件

①、系統在正常工作時是對稱的;②、系統中各元件磁路不飽和，即各元件的阻抗與電流大小無關;③、各元件的電阻忽略不計;④、輸電線路的電容忽略不計;⑤、變壓器的勵磁電流忽略不計。

四、短路電流計算相關法則及相關公式

一）、標么制：

為了使計算方便，采用標么制進行計算，

（標么值=;百分制與標么值×100都是相對值;遇到百分值，先除以100化為標么值）。

二）、 基準值的選擇：

在計算過程中，常用的電氣量有U線電壓、I相電流、X一相電抗、S三相容量四個電氣量應滿足歐姆定律及功率方程式：（1）、 ?U=IX、（2）、S=UI，這四個電氣量的基準值可以任意選取，一旦選定，所有的計算都只能依照此基準值，而且要滿足歐姆定律及功率方程式： （3）、 ?Uj=IjXj、（4）、Sj=UjIj 、（5）、（1）÷（3）= U*j=I*jX*j 、（6）、（2）÷（4）= S*j=U*jI*j 。通常情況，一個系統的電壓和容量是已知的，故一般是任意選取基準容量Sj=100MVA，基準電壓Uj=Up（或實際值）?；鶞孰娏?、基準電抗由式（3）和（4）求得：（7）Ij=Sj÷Uj（8）Xj=Uj÷Ij=U2j÷Sj根據標么值的定義及式（8）可求得電抗的標么值：（9）或。將計算結果換算成有名值的公式如下：。在計算過程中，當系統容量為無窮大時，系統的電抗為：，并將電網看作無窮大容量來進行計算。

三）、系統中各元件的電抗（標么值）

1、電力變壓器：變壓器的勵磁電流較小，一般為額定電流的5%，忽略不計。雙繞組變壓器（我們使用的多數為雙繞組）在名牌上給出了短路電壓百分比Ud%，是變壓器通過額定電流時的電壓降對額定電壓的比值的百分數，所以變壓器以額定參數為基準值的電抗標么值（依式（9）為：將其換算為所選基準值的標么值為（應為同一基準）：故電力變壓器：

2、電抗器：由于電抗器不能忽略額定電壓與平均額定電壓的差別，故電抗器：—電抗器所在電壓級的平均額定電壓。

3、架空線和電纜：一般架空線和電纜給出數據為電抗的歐姆值，根據式（9），故架空線和電纜：—架空線和電纜所在電壓級的平均額定電壓。

4、發電機：

5、各級平均額定電壓

6、各線路每km電抗的平均值

7、短路電流標么值：短路穩定狀態時，非周期分量已經衰減完畢，短路電流僅為周期分量穩態短路電流的標么值為：（即回路電抗標么值的倒數或而穩態短路電流為：

8、母線剩余電壓標么值：。

9、在短路的后半期（0.1后）是短路電流最大的時候，會產生很大電動力使導體和設備受損。在三相電路中各相電壓的相位差為120°，各相的短路電流周期分量和非周期分量的初始值不同，僅有一相會出現沖擊電流。

五、綜述

綜上所述，為了保證系統的安全可靠運行，減輕短路的影響，除了在運行維護中應努力設法消除可能引起短路的一切原因外，還應盡可能地切除短路故障部分，使系統的電壓在較短的時間內恢復至正常值。為此，系統的掌握短路電流計算意義非常重大，為選擇采用合理快速動作的繼電保護裝置及根據實際情況加裝限制短路電流的電抗器提供有力的計算數據。當故障發生時，繼電保護裝置才能充分展示其使命，有選擇的、精準、快速、靈敏、可靠的將故障線路或設備與系統隔離，避免事故擴大，真正成為電力系統安全、優質、可靠運行的守護神。