【文章內(nèi)容簡介】 產(chǎn)生很大的短路電流，對電力系統(tǒng)的正常運行帶來很大的危害：（1）短路發(fā)生時往往會伴有電弧產(chǎn)生，它不僅能燒壞故障元件本身，也可能燒壞周圍設(shè)備和傷害周圍的人員；（2）產(chǎn)生從電源到短路故障點巨大的短路電流，可達正常負荷電流的幾倍到幾十倍；短路電流通過電氣設(shè)備，一方面會使導體大量發(fā)熱，導致設(shè)備因過熱而損壞；另一方面巨大的短路電流還將產(chǎn)生很大的電動力作用于導體，使導體變形、扭曲或損壞；（3）短路也同時引起系統(tǒng)電壓大幅度降低，特別是靠近短路點處的電壓降低得更多，從而可能導致部分用戶或全部用戶的供電遭到破壞。網(wǎng)絡(luò)電壓的降低，使供電設(shè)備的正常工作受到損壞，也可能導致工廠的產(chǎn)品報廢或設(shè)備損壞，如電動機過熱受損等；（4）電力系統(tǒng)中出現(xiàn)短路故障時，系統(tǒng)功率分布的突然變化，可能破壞各發(fā)電廠并聯(lián)運行的穩(wěn)定性，導致整個系統(tǒng)解列甚至瓦解和崩潰。（5）發(fā)生不對稱短路時，三相不平衡電流會在相鄰的通訊線路感應(yīng)出電動勢，產(chǎn)生的不平衡交變磁場對周圍的通信網(wǎng)絡(luò)、信號系統(tǒng)、晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)及自動控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。 短路故障分析的內(nèi)容和目的電力系統(tǒng)的安全運行，首先是電力設(shè)備的安全運行，當電力設(shè)備發(fā)生短路故障時，首先要求快速準確的切除故障，這就要求在電力系統(tǒng)的設(shè)計和運行中，需要合理的選擇電氣設(shè)備、電氣接線，正確的配置和設(shè)計繼電保護以及限制短路電流的措施。例如，選擇斷路器，必須保證斷路器的開斷容量大于系統(tǒng)發(fā)生短路時流過本支路的最大短路電流，同時還要進行短路后的熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定校驗。再比如，繼電保護的整定，也需要對系統(tǒng)進行短路計算和分析。短路故障的分析和計算，主要是短路電流的計算和分析。當系統(tǒng)突然發(fā)生短路時，短路電流將從故障前的正常運行電流過渡到故障后的穩(wěn)態(tài)電流，短路電流是從短路后隨著時間的變化而變化的，因此有必要對電力系統(tǒng)三相短路后的故障暫態(tài)過程進行分析。另外，同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子中的暫態(tài)電流將導致在定子中感應(yīng)出衰減的工頻分量、衰減的倍頻分量和衰減的直流分量。下面將分別對無窮大電源系統(tǒng)和同步發(fā)電機機端發(fā)生三相短路后，短路電流的過渡過程進行分析和計算。2 .2 簡單無窮大電源系統(tǒng)三相短路電流分析 簡單無窮大電源供電系統(tǒng)的三相短路暫態(tài)電流如圖21所示的簡單對稱三相系統(tǒng)，電源為無限大功率電源，即恒定電勢源，A相的電源，B相和C相的電源依次與A相相差120度。假設(shè)在t=0時刻，突然在F點發(fā)生三相短路時，分析其暫態(tài)過程。圖21 無窮大電源三相系統(tǒng) 短路后的暫態(tài)過程分析 對于圖21所示的三相電路，短路發(fā)生前，電路處于穩(wěn)態(tài)，其a相的電流表達式為： (21) 式中 (22) (23) 當突然發(fā)生三相短路時，這個電路即被分成兩個獨立的回路。左邊的回路仍與電源連接，而右邊的回路則變?yōu)闆]有電源的回路。在右邊回路中，電流將從短路發(fā)生瞬間的值不斷地衰減，一直衰減到磁場中儲存的能量全部變?yōu)殡娮柚兴牡臒崮?，電流即衰減為零。在與電源相連的左邊回路中，每相阻抗由原來的減小為，其穩(wěn)態(tài)電流值必將增大。短路暫態(tài)過程的分析與計算就是針對這一回路的。短路的全電流為： (24) 由于三相電路對稱，只要用和代替式（24）中的就可分別得到b相和c相電流表達式?，F(xiàn)將三相短路電流表達式綜合如下： (25)圖 22三相電流短路波形圖圖22示出三相電流變化的情況（在某一初始相角為時）。由圖可見，短路前三相電流和短路后三相的交流分量均為幅值相等、相角相差的三個正弦電流，直流分量電流使t=0時短路電流值與短路前瞬間的電流值相等。由于有了直流分量，短路電流曲線的對稱軸不再是時間軸，而直流分量曲線本身就是短路電流曲線的對稱軸。因此，當已知一短路電流曲線時，可以應(yīng)用這個性質(zhì)把直流分量從短路電流曲線中分離出來，即將短路電流曲線的兩根包絡(luò)線間的垂直線等分，如圖22中所示，得到的等分線就是直流分量曲線。由圖22還可以看出，直流分量起始值越大，短路電流瞬時值越大。在電源電壓幅值和短路回路阻抗恒定的情況下，由式（24）和（25）可知，直流分量的起始值與電源電壓的初始相角（相應(yīng)于時刻發(fā)生短路）、短路前回路中的電流值有關(guān)。由式（24）可見，由于短路后的電流幅值比短路前的電流幅值大很多，直流分量起始值的最大值（絕對值）出現(xiàn)在|| 的值最小、||的值最大時，即，時。在高壓電網(wǎng)中，感抗值要比電阻值大得多，即，故，此時，或。 三相中直流電流起始值不可能同時最大或同時為零。在任意一個初相角下，總有一相的直流電流起始值較大，而有一相較小。由于短路瞬時是任意的，因此必須考慮有一相的直流分量起始值為最大值。 根據(jù)前面的分析可以得出這樣的結(jié)論：當短路發(fā)生在電感電路中、短路前為空載的情況下直流分量電流最大，若初始相角滿足，則一相（a相）短路電流的直流分量起始值的絕對值達到最大值，即等于穩(wěn)態(tài)短路電流的幅值。 短路沖擊電流短路電流在前述最惡劣短路情況下的最大瞬時值，稱為短路沖擊電流。根據(jù)以上分析，當短路發(fā)生在電感電路中，且短路前空載、其中一相電源電壓過零點時，該相處于最嚴重的情況。以a相為例，將、代入式（25）得a相全電流的算式如下： （26）圖23 直流分量最大時短路電流波形電流波形示于圖23。從圖中可見，短路電流的最大瞬時值，即短路沖擊電流，將在短路發(fā)生經(jīng)過約半個周期后出現(xiàn)。當f為50Hz時。由此可得沖擊電流值為： （27） 式中稱為沖擊系數(shù)，即沖擊電流值對于交流電流幅值的倍數(shù)。很明顯，值為1～2。在使用計算中，～。沖擊電流主要用于檢驗電氣設(shè)備和載流導體的動穩(wěn)定度。 在短路暫態(tài)過程中，任一時刻t的短路電流有效值，是以時刻t為中心的一個周期內(nèi)瞬時電流的均方根值，即 （28） 式中假設(shè)在t前后一周內(nèi)不變。由圖24可知，最大有效值電流也是發(fā)生在短路后半個周期時 （29） 時，；時。第3章 電力系統(tǒng)短路電流的實用計算上一章討論了無限電源供大電的系統(tǒng)三相短路電流的變化情形，認為短路后電源電壓和頻率均保持不變，忽略了電源內(nèi)部的暫態(tài)變化過程，但是當短路點距電源較近時，必須計及電源內(nèi)部的暫態(tài)變化過程，這個衰減變化過程主要分為三個階段即：次暫態(tài)階段、暫態(tài)階段和穩(wěn)態(tài)階段，每一階段發(fā)電機都呈現(xiàn)不同的電抗和不同的衰減時間常數(shù)，此過程的分析較復雜。對于包含有許多臺發(fā)電機的實際電力系統(tǒng)，在進行短路電流的工程實用計算時，沒有必要作復雜的分析。實際上，電力系統(tǒng)短路電流的工程計算在大多數(shù)情況下，只要求計算短路電流基頻交流分量的初始值，也稱為次暫態(tài)電流。這是由于使用快速保護和高速斷路器后，此外，若已知交流分量的初始值，即可以近似決定直流分量以至沖擊電流。交流分量初始值