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中国矿业大学电气工程系 §2-6 矿井电网短路电流计算 在供电系统中，短路时最严重的故障之一，煤矿井下电网若发生短路故障，更是危害极大。掌握电网发生短路时段路电流的变化规律、稳态短路参数的计算及短路电流的破坏效应等知识，有助于电气设备的正确选择和过流保护装置的设置与整定，在矿井电网的故障分析中有重要作用。 一、短路的原因、种类及危害 （1） 短路是指供电系统中不等电位的导体在电气上被短接，如相于相之间的短接、相于地之间的短接等。 产生短路的主要原因是由于电气设备载流部分绝缘损坏。绝缘损坏是由于绝缘老化、过电压、机械损伤等造成。 三相电网中，可能发生的主要短路类型有三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路。第一种短路称为对称短路，后三种通称为不对称短路。 一、短路的原因、种类及危害（2） 在供电系统中，发生单相短路的可能性最大，但一般三相短路的短路电流值最大。 为了使电气设备在最严重的短路情况下不致损坏，常用三相短路电流来校验电气设备承受短路的能力。两相短路电流数值最小，常用来校验短路保护装置的灵敏度，是保护装置对最轻的短路故障也有较强的反应能力。 一、短路的原因、种类及危害（3） 短路产生的危害： （1）短路电流比正常电流一般要大几十倍甚至几百倍，这样大的短路电流对供电系统及电气设备要造成很大的危害。例如，强大的短路电流所产生的热和电动力效应会使电气设备受到破坏；短路点的电弧可能烧毁电气设备；短路点附近的电压显著降低，使供电受到严重影响或被迫中断；若在发电厂附近发生短路，还可能影响电力系统运行的稳定性，使并列运行的发电机组失去同步，造成系统解列。 一、短路的原因、种类及危害（4） （2）不对称接地短路所造成的零序电流，会在附近的通讯线路内产生感应电动势，干扰通讯； （3）在井下，短路也是引起沼气煤尘爆炸和电气火灾的主要原因之一。 因此，在供电系统中必须设置短路保护，一旦发生短路，应尽快切断故障部分的电源。 二、无限大电源容量系统短路电流暂态过程及参数 无限大电源容量是一个相对的概念，它是指电源距短路点的“电气距离”较远、电源额定容量远大于系统供给短路点的短路容量的电源，常用S=∞表示。 “电气距离”较远，实际上是指电源阻抗小于短路回路总阻抗10%的情况。 对于无限大电源容量系统，在分析短路暂态过程中，可以不考虑电源内部的参数，可以认为电源电压维持不变。 1.三相短路电流暂态过程分析 供电系统发生三相短路的电路如图所示，R、L为线路的电阻和电感，Rlo和Llo为负载的电阻和电感。由于电路对称，可取一相来分析。 1.三相短路电流暂态过程分析 短路前电路中的电压和电流为 其中 1.三相短路电流暂态过程分析 在S处发生三相短路时，负载回路被短接，失去电源。S点处的电位为零，电源电压全部加在短路回路上。 在电源至短路点的回路内，电流将由原来的负载电流增大为短路电流，其瞬时值可由短路回路的微分方程来确定。 1.三相短路电流暂态过程分析 图2-34中一相的回路方程式为 一阶常系数非齐次微分方程，由此可以解得短路全电流表达式为 1.三相短路电流暂态过程分析 式中: Ipe ——短路后的稳态电流值，称周期分量； Iap ——短路电流非周期分量； Ipe.m ——短路电流周期分量幅值； ——短路回路的阻抗角， Ts ——短路回路的时间常数，Ts=L/R 1.三相短路电流暂态过程分析 对应的短路电流波形如图2-35所示。图中为非周期分量初始值，为周期分量初始值。 1.三相短路电流暂态过程分析 短路电流暂态过程的特点是产生非周期分量电流，产生的原因是由于回路中存在电感。在发生突然短路的瞬间（即t=0时），短路前的电流与短路后的周期分量电流一般不相等。由楞次定律，为维持电流的连续性（即电感回路中电流不能突变），将在电感回路中产生一自感电流来阻止电流的突变，该电流就是非周期分量电流。它的初始值iap.0的大小与短路故障发生的时刻有关，即与电压V的初相角θ有关。 1.三相短路电流暂态过程分析 短路电流非周期分量是按指数规律衰减的。由于它是由电流突变感生而来，没有外加电压的维持，也就没有能量的补充；而短路回路为R-L电路，不断的消耗能量，所以iap按指数规律单调衰减。衰减的速度决定于回路时间常数Ts，一般非周期分量衰减很快，在0.2s后即衰减到初始值的2%，在工程上即可以认为已衰减结束。这也说明电力系统的暂态过程非常短暂。 2.有关短路计算的物理量 1）稳态短路电流Iss 当非周期分量衰减到零后，断路故障的暂态过程即告结束，此时进入短路的稳定状态，这是的电流成为稳态短路电流，其有效值用Iss表示。当系统容量为无限大时，稳态短路电流就等于短路电流周期