关于短路容量的认识(笔记心得)

关于短路容量的认识 短路容量问题是我们在求解与电力系统有关的问题时必须面对的，在这里将自己对短路容量的认识整理出来，希望有助于澄清读者及自己对这个问题的认识。 当电力系统发生短路故障时，需要迅速切断故障部分，使其余部分能继续运行。这一任务要由继电保护装置和断路器来完成。所谓“短路”，就是电力系统中一切不正常的相与相之间或相与地之间发生通路的情况。 为了校验断路器的断流能力，或者我们计算无功冲击与电压波动关系时，都需要用到短路容量的概念。 1、短路容量定义 短路容量是指电力系统在规定的运行方式下，关注点三相短路时的视在功率，它是征电力系统供电能力强弱的特征参数，其大小等于短路电流与短路处的额定电压的乘积，即 从短路容量定义可以看出，它与电力系统的运行方式有关，在不同的运行方式下，数值也不相同。因而应用上需要进一步弄清楚最大短路容量与最小短路容量的概念。所谓最大短路容量，是指系统在最大运行方式，即系统具有最小的阻抗值时关注点的短路容量；最小短路容量就是指系统在最小运行方式下，即系统具有最大的阻抗值时，发生短路后具有最小短路电流值时的短路容量。我们在开关设备选型和做起动计算时要关注不同的短路容量值，这一点在后面有详细的论述。 从以上定义可以看出：短路容量只是一个定义的计算量，而不是测量量，是反映电力系统某一供电点电气性能的一个特征量，跟短路电流与该点故障前正常运行时的相间电压有关 。 短路容量是对电力系统的某一供电点而言的，反映了该点的某些重要性能：①该点带负荷的能力和电压稳定性；②该点与电力系统电源之间联系的强弱；③该点发生短路时，短路电流的水平。随着电力系统容量的扩大，系统短路容量的水平也会增大。 该值是根据该地电力系统的所有相关参数计算出来的，既与本地用户的用电设备有关，又与电力系统的设备及运行方式有关。系统参数要向当地供电局“索取”，向用户供电的每一个供电点的短路容量都是计算好了的，关注点的短路容量值要根据上面的“索取”值，再进行计算。 2、计算短路容量时电压及阻抗值的选取 要求出关注点的短路容量值，先要求出短路电流值。为了求出短路电流，在计算时通常采用下面两个假设： （1）不管短路点发生在何处，在计算短路电流时均可假定作用于短路点的电压是该电压等级线路电压的平均值Uav。 即假设某电压等级线路末端维持电网的额定电压UN，线路始端电压升高到设备允许的最高工作电压，即1.1UN，于是这一电压等级的线路平均电压为 （2）由电源至短路点的短路阻抗Zk应包括电阻Rkt和电抗Xkt。计算短路电流时，在高压系统中若 ，可忽略Rkl，用Xkl代替Zkl，所引起的误差不大，又能简化计算。同理，在低压系统中，若 ，可忽略Xkl，用Rkl代替Zkl。 在上面两个假设的基础上，我们就可以画出系统的等效电路，在根据电路分析进行电路的求解，得到关注点的短路电流值。 3、计算时对短路容量的选取 3.1 计算起动时，用最小短路容量 由于我们要保证在任何可能的供电情况下都可以起动用户的电机，所以我们在做软起动的设计计算时要用最小短路容量Smin。我们把10kV母线下挂的所有设备（包括起动设备、固定负荷、电机及负载）可以看做一个二端口网络，由于是感性，我们可以等效成R+jXL，如下图1所示。 图1 起动装置网络的等效 计算时，我们选取Xline=1.052 /Smin为线路阻抗的标幺值。具体涉及到降补产品，那这里会产生另外一个问题，我们一般承诺用户母线电流在1.5倍电机额定电流以内并按此要求进行设计，但正常运行是系统容量往往比Smin大。也就是说图1中的Xline会比设计取值小，这就造成在用降压器中间一档进行起动时，母线电流可能会超过1.5倍，新余钢铁的情况就是这样。所以设计时，必须要对一次系统有一个准确的把握并留出相当的裕量。 这里还涉及到降补系统中无功切除整定值的问题，我们的设计整定值往往会偏小，需要注意，具体的处理方法另作讨论。 3.2 选择断路器时，用最大短路容量 设计院在设计一套装置时，电气上主要的把握就是考虑各级母线关合电流的等级，也就是考虑电网短路电流及发电机反馈电流的条件下，发生故障是断路器的分断能力。我们接触比较多的钢厂和石化，其供电方式一般是将110kV电压经三绕组变压器后送到各处。历史悠久一点的厂大都采用6kV电压等级，这是因为开始的设备大都采用6kV电压等级。随着规模的扩大，包括设备规模和供电规模的扩大，采用6kV电压等级时，往往能导致最大短路电流超过40kA，也就是需要采用50kA等级的断路器。而50kA断路器的成本要比40kA的高的多，所以开关器件选型困难。现在新上的系统或改造的系统，都是10kV的电压等级，其主要原因就在于此。 4、附加问题。 一般我们都知道怎么做Xline=1.052 /Smin，但我们还需要考虑一个问题，那就是为什么要这么做？这么做准确么？ 答案是：上面的做法在工程计算上是可取的，但是不准确。这么做的根据在于电路分析法中的戴维南定理，我们可以将10kV母线上部看做一个二端口网络，将之用戴维南电路等效，就是图1中的形式。所以准确的做法应该是从110kV母线开始往下算，考虑全部的电力系统参数，得出10kV母线处的开路电压和短路电流，那就是准确的等效电路了。 【1】系统电抗的计算 0 h, p/ ^# O# T  G& @& p8 F! _- M# D 系统电抗，百兆为一。容量增减，电抗反比。100除系统容量 ' s+ @* z+ m/ _- _ 4 n) T1 a. c9 l; k* A例：基准容量 100MVA。当系统容量为100MVA时，系统的电抗为XS*=100/100＝1 ) N- \* z3 N8 s  z! H- J % `' K6 }0 b2 y 当系统容量为200MVA时，系统的电抗为XS*=100/200＝0.5 8 a1 s- w3 R- v: y5 K 8 L0 L2 \8 S" g8 ]9 \当系统容量为无穷大时，系统的电抗为XS*=100/∞＝0 , J5 U: t/ @! f4 `$ X5 R+ D8 E/ ]0 N5 n. j% u5 T5 Q 系统容量单位：MVA , @9 c- N* W: S/ y% e . n0 e& G1 _& t8 v$ f系统容量应由当地供电部门提供。当不能得到时，可将供电电源出线开关的开断容量 6 e: `4 c7 _$ d' D; L6 b# C 9 E0 d4 l) x& j' T7 H& W0 g 作为系统容量。如已知供电部门出线开关为W-VAC 12KV 2000A 额定分断电流为40KA。则可认为系统容量S=1.73*40*10000V=692MVA, 系统的电抗为XS*=100/692＝0.144。 & y1 |: b' n$ T6 @  f4 V3 _: d 2 O4 o4 [0 h4 |6 V; }% I【2】变压器电抗的计算 * }1 D8 P3 f5 M" s5 y+ r5 m" v' h  Y0 R( S% w! t- _0 `6 P 110KV, 10.5除变压器容量；35KV, 7除变压器容量；10KV{6KV}, 4.5除变压器容量。 * A4 W# Z6 [( f4 b7 U7 K; ?; |( X8 n5 c 例：一台35KV 3200KVA变压器的电抗X*=7/3.2=2.1875 * g" T: `( z! ~  Q$ R7 X# J2 I , U1 G9 P3 E- E5 t; t$ x, _& s# r一台10KV 1600KVA变压器的电抗X*=4.5/1.6=2.813 - e5 o( v2 Q; t, s; B* G, i+ D% g, u4 K# U 变压器容量单位：MVA   f- I$ _" K& @" Y + z, K0 V. A6 d4 {/ M这里的系数10.5，7，4.5 实际上就是变压器短路电抗的％数。不同电压等级有不同的值。 ' \  C$ v. ]/ L* P! L; [/ b' @2 k$ P* V6 P3 h2 H0 ~7 g 【3】电抗器电抗的计算 ' {5 M2 Z0 g4 M, Y# S# h . V( ^; F/ M! G/ t: {电抗器的额定电抗除额定容量再打九折。 ! @+ J4 R5 z) ^! x: s/ ?2 H0 D: G9 c* x5 s9 N( S7 G 例：有一电抗器 U=6KV I=0.3KA 额定电抗 X=4% 。 ) B4 }% E8 O0 e- e. {! x: B' O! W $ S0 a% \9 O5 W! s# L 额定容量 S=1.73*6*0.3=3.12 MVA. 电抗器电抗X*={4/3.12}*0.9=1.15 ! ]0 D, w3 }$ \! _, \ & d, _' w$ l8 T" K+ f2 n电抗器容量单位：MVA ( a; ]+ c0 u3 G1 _( E8 n ; q. S6 A- Z1 i" b- p 【4】架空线路及电缆电抗的计算 ! V+ A9 B9 G5 c# q4 Q& _ 8 c1 G( }0 a- t1 R: s7 d架空线：6KV，等于公里数；10KV，取1/3；35KV，取 3％0 8 T( E9 d+ o' C - H7 ^* ~2 M% N4 I, r* a电缆：按架空线再乘0.2。 9 h4 A! _- a3 `; F : E, k" }5 W) R" s. T& a例：10KV 6KM架空线。架空线路电抗X*=6/3=2 0 ?  X) w* u# F0 r: J  o, L0 k! L- G$ B0 m  G4 t8 n1 r 10KV 0.2KM电缆。电缆电抗X*={0.2/3}*0.2=0.013。 : C5 Z( P3 |5 w: _: _0 v) |* ?1 `( \7 F3 W& Z 这里作了简化，实际上架空线路及电缆的电抗和其截面有关，截面越大电抗越小。 * l- w. L2 B' ^2 t0 N  j0 c 1 Q' ~% |. ]' b0 Y  `- i6 C/ s 【5】短路容量的计算 7 Q- I5 W$ e: g4 b0 }/ I+ c, [9 v 5 F, i2 t% e; j2 t电抗加定，去除100。 / _5 z7 U  @: F1 t6 U # A  ~2 z+ X  z5 l例：已知短路点前各元件电抗标么值之和为 X*∑=2, 则短路点的短路容量 2 W. J4 g4 H0 |1 C 6 Y- a( ?9 t$ O: ~ Sd=100/2=50 MVA。 1 F( d+ r! [! Q8 a* [' M 4 T3 X& C% c  G# W6 L3 a/ g 短路容量单位：MVA 5 e: }. Q. Y5 [+ E5 W2 ^+ w ' v6 u9 ]6 C+ @, p$ m8 l【6】短路电流的计算 ) c& i" q  W" a: E, H9 |2 N ! C8 f5 G2 i& N( x# n% Q  w 6KV，9.2除电抗；10KV，5.5除电抗; 35KV，1.6除电抗; 110KV，0.5除电抗。 5 k( {  Z5 F0 H0 r 9 Q" b6 o0 ]& a; A9 e3 f0.4KV，150除电抗 % v- _0 X. g0 _0 d9 h- @1 G0 y+ x6 Z, c% r 例：已知一短路点前各元件电抗标么值之和为 X*∑=2, 短路点电压等级为6KV, ; {5 R. A# X' C7 j1 a+ S 0 j; r9 Z2 Y. w! Z, ~! L  @则短路点的短路电流 Id=9.2/2=4.6KA。 + v5 f$ G' g8 k$ D . H6 l+ x) T( @; Y( P) _, B! _ 短路电流单位：KA : e3 s" n8 K! p' h9 t4 H  T: p& ~  _; w; B& W. n$ k, ~# e 【7】短路冲击电流的计算 8 Z8 w  d0 D/ G8 X! P   p5 s  k$ y. }/ m8 ]- u1000KVA及以下变压器二次侧短路时：冲击电流有效值Ic=Id, 冲击电流峰值ic=1.8Id / l8 |( ~) o. N+ z$ O " y, m5 v6 h: e 1000KVA以上变压器二次侧短路时：冲击电流有效值Ic=1.5Id, 冲击电流峰值ic=2.5Id 0 {3 \- X% L6 P) y9 n5 Y1 m ' f8 {" ~" E7 c  y& m例：已知短路点{1600KVA变压器二次侧}的短路电流 Id=4.6KA，   z5 C. W) C' r5 h, z+ O& C4 P: ]8 @1 t/ \6 y  r3 o 则该点冲击电流有效值Ic=1.5Id,＝1.5*4.6＝7.36KA,冲击电流峰值ic=2.5Id=2.5*406=11.5KA。 " V5 i- G8 A- x2 ~ 1 Z9 F8 X, b# n0 ^& d) M可见短路电流计算的关键是算出短路点前的总电抗{标么值}.但一定要包括系统电抗 _1249909739.unknown _1258787430.unknown _1249910187.unknown _1249908415.unknown