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短路電流范文1
Abstract: with the power transformer and generator capacity increases day by day, so the corresponding fault current difficulty increases, the electric power system short circuit current restrictions do a comprehensive discussion.
Key words: electric power system; Short circuit current; limit
中圖分類號：TM715文獻標識碼：A 文章編號：
隨著我國電網規模的快速增加，使短路電流不斷升高，已嚴重影響到電網的安全運行，這也成為制約電網發展的重要因素。有預計指出，三峽電站可能的最大短路電流周期分量將達300kA。因此，限制短路電流是電氣工程設計者在發電廠和變電站設計中經常遇到和需要解決的技術問題。
1短路電流及其危害
1.1短路電流定義
短路電流是電力系統在運行中，相與相之間或相與地（或中性線）之間發生非正常連接 （即短路）時流過的電流。其值可遠遠大于額定電流，并取決于短路點距電源的電氣距離。例如，在發電機端發生短路時，流過發電機的短路電流最大瞬時值可達額定電流的10~15倍。大容量電力系統中，短路電流可達數萬安。這會對電力系統的正常運行造成嚴重影響和后果。
1.2短路電流的危害
1）短路電流增大，斷路器、隔離開關、電流互感器等串接設備以及母線等設備需要承擔大電流沖擊，故必須選擇大容量設備，且輸電線路也必須要大容量，這就造成設備投資大大增加。2）由于短路電流增大，系統單相接地短路電流也隨之增大，這也造成了對通信線路電磁感應危害的增加。同時也造成鐵塔附近接觸電壓和跨步電壓的增加，危害人畜生命安全。3）短路電流增加，架空導線的溫度也會上升，造成線夾部分過熱 ，同時也使架空線路故障點損傷加劇，如絕緣子破損、導線熔斷等問題。
所以，在電氣工程設計中，限制短路電流的目的主要是：①保證導體和電氣設備的安全運行，從而保證電網安全、可靠地搶送電能：②使用輕型廉價電器，降低工程投資。
2限制短路電流的方法
2.1從電網結構層面限制短電流水平
1）規劃電網結構要合理：控制電流的基本措施就是對電網的結構進行合理規劃。電網的發展歷史從某種意義上來說，也是低電壓等級合理分區、電壓等級不斷升高的過程。在超高壓電網形成了堅強的網架后，就為500kV電網的結構優化、分區運行創造了良好的條件 ，對限制電網短路電流起若十分重要的作用 。
2）發展直流輸電：換流變壓器、直流輸電線路、換流器等各種直流設備組成了直流輸電系統。調節直流輸電系統的基本方式就是定電流調節，通過控制換流器觸發相位，可以實現直流輸電系統的快速調節，自動將電流保持為定值，從而避免了直流電網安全運行受到直流電流劇烈變化的影響。用直流輸電或者崩直流聯網對交流系統分，把電嘲分成兒個相對獨立的交流系統，以避免系統間短路電流的互相注入，從而對交流電網的短路電流起到一定的控制作用。
3）電源接入系統方式進行合理規劃：存選擇電源接入點時，要考慮其會對系統短路電流水平產生影響，要留一定的空間給電網短路電流。一般發電廠比較適合用單元式方式進行系統接入，大電廠之間最好不要有直接聯絡線，也不適合串存環網中運行。500kV電網在發展的初期，比較適合將新建的較大容量機組直接接入，對于降低220kV電力系統的短路電流水平是非常有利的。而500kV主網架進一步發展，短路電流水平也隨之升高，這時可以考慮將電源均衡接入220kV以及500kV系統 。
4）提高配電網電壓等級：現在我國很多地：都是把10kV電來作為配電網電壓等級，其在過去電力負荷與建設發展的過程中起到了重要的作用，但是現存已經不適應現代電網的發展。部分地區已經開始推廣35kV或者20kV為配電網的電壓等級。城市用電負荷越來越大，電力系統中大量的220kV直變10kV的變壓器發展也越來越迅速。以240MVA變壓器為例，如果采用一定的限制措施，會導致這些變壓器10kV側的短路 電流超過25kA，存實際工作中限制短路電流就要在主變低壓側增加限流電抗器，或者采用 高阻抗變壓器等措施。如果把城市網的電壓等級提高到20kV，如果變壓器短路阻抗相同，那么低壓側短路電流會大量減少，進而有效的抑制電網的短路電流，限制電抗器的使用和限制電網中的高阻抗變壓器，最終節省變電站的建設投資，降低電網耗損。
以某個220kV的變電站為例，220kV側母線三相短路電流是35kV，主變容量為 180MVA，低壓側電壓選用20kV或者10kV時，如果要把短路電流限制到20kV，則變壓器高低短路阻抗的選用值可以參看表1：
表1：變壓器高低短路阻抗選用值
正如上表所示，如果低壓側采用電壓等級是10kV，變電站就要用高阻抗變壓，如果采用20kV電壓，那么普通阻抗變壓器就可以，從而減少了變壓器的投資。
2.2從變電站層面限制短路電流水平
1）母線分列運行：打開母線的分段開關讓變壓器分列運行，可以有效的增大系統阻抗，從而降低短路電流水平。這種方法對于變電站中10KV、35kV、110kV側母線部已經普遍使用。但是如果在超高壓電網，比如500kV側采用該方案，則會削弱系統電氣聯系，從而降低電網運行的靈活性和安全程度。
2）高阻抗設備：在電網的主要矛盾不是暫態穩態的時候，控制短路電流以采取提高設備的阻抗值來實現，但這要從變電、發電等各個環節同時采取措施，才能獲得好的效果。短路電流產生的源頭是發電設備，接入電網可以通過采用升壓變、高阻抗發電機以及采用單元制線等方法，從而進行短路電流水平的有效控制。但這種方法對于送電的可靠性無法保證，對于電廠調壓也有不利的影響。電力系統中最重要的動態無功電就是就是電廠無功，它在電壓穩定事故中起到電壓支撐的作用，如果增加電廠接入系統阻抗值，就會削減這個功能。
3）普通限流電抗器：普通串聯電抗器是把一個固定阻值電抗器串聯入電網，相對來說是屬于比較傳統的限流技術，雖然運行方法安全可靠、簡單便捷，但對于電力系統的潮流分布、系統的穩定性會有一定的影響，增加了無功損耗。串聯電抗器通常都安裝在線路接入處或者母線聯絡處。不過目前在國內，中低壓電網中應用不可控串聯電抗器的情況較多，而在超高電壓電網中的應用還不多。
4）高遮斷容量的開關設備：用遮斷容量更大的設備更換現有配套電氣和斷路器設備，對于短路電流過大來說是相對直接的辦法。我國220kV或者500kV電網中已經較為普遍的使朋50kA設備，63kA設備的應加也比較多。不過該設備的價格比較高。
5）大容量高速開關：現在有些廠家已經研制出了高壓限流熔斷器、高吸能氧化鋅電阻與爆炸式快速開斷載流橋體結合的大容量新型高速開關裝置（FSR），這種新型裝置有諸多優點，比如開斷速度快、斷流能力強、額定電流大等，它也可以和斷路器串聯作短路開斷設備，如圖1所示。也可以和電抗器并聯，將電抗器在正常運行時進行短接，短路時高速開關裝置 （FSR）斷開，再投入電抗器以限制短路電流。新型的高速開關裝置在10k發以下相對較低電壓等級的用戶工程或者小型電廠中應用較多，不過這種裝置也有著不足，比如它是要靠炸藥的爆破斷開裝置中的載流橋體，而炸藥都是一次性的，不能檢測，如果長時間運行后，炸藥有可能會因受潮變質，無法及時爆破。并且國家在運行維護和檢測中還有沒針對該新型產品的標準出臺，不能依據相應的標準對產品進行維護及驗收。
圖1：FSR和斷路器串聯電路圖
5）新型短路電流限制器：固態故障電流限制器以及超導故障電流限制器都有特別的限流特性，可以提高電網運行以及輸電線路的整體控制能力，相對比較具有發展前景。不過目前的超導故障限流器在直流領域中應用較多，并沒有在交流領域大規模應用。固態故障電流 限制器采用的是電力電子元件，其優點是允許動作次數多、動作速度快，可以有效的限制短 路電流暫態峰值，但電子元件容量也相對較低，在應用于大電流或者高電壓場合時，就要將 多個元件串并聯，成本高、可靠性低、制造難度大。
3結束語
總體上看，提高電網的短路電流水平是一個長期而且復雜的過程，要把短路電流的控制問題落實到規劃階段，在規劃中綜合考慮電網和電源的建設和發展；同時結合目前的電力市場改革，研究實施短路電流市場化的方案，并積極推進與有關高校、科研院所合作共同研制新的限制短路電流的設備。
參考文獻：
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[2]黃煌，李群炬．京津唐電網限制短路電流問題探討[J]，華北電力技術，2007．
短路電流范文2
在道路照明配電中，由于配電線路較長，配電線路零序阻抗較大，單相接地（零）短路電流相對較小。為了計算低壓配電系統的單相接地（零）電流，需要利用不對稱短路電流的計算方法。不對稱短路電流可利用計算三相短路的原則進行計算。因為電壓的對稱分量與相應的電流對稱分量成正比，因此在正序、負序和零序分量中，都能獨立地滿足歐姆定律和克希荷夫定律。正序、負序和零序電流也只產生相應地正序、負序和零序電壓降，利用這一個重要的性質，可以用電工學中對稱分量法分析在對稱電路中所產生的各種不對稱短路。
單相接地（零）短路電流的計算
不對稱短路時，由于距發電機的電氣距離很遠 ，降壓變壓器容量與發電機電源容量相比甚小，因此，可假定正序阻抗約等于負序阻抗。單相接地（零）短路電流按下式計算：
式中Up平均線電壓（V）R0Σ，X0Σ，Z0Σ配電網絡的總零序電阻，總零序電抗，總零序阻抗。R1Σ，X1Σ，Z1Σ配電網絡的總正序電阻，總正序電抗，總正序阻抗。
電路中主要元件阻抗
1、電力系統正序電抗的計算 在計算低壓電力網絡短路時，有時需要計入系統電抗XX，如果系統電抗不知，只有原線圈方面的短路容量或高壓短路器的額定容量Sdn（MVA）時，則系統正序電抗可近似地按下式計算： 式中 Uj=Up平均線電壓（V）Sdn原線圈方面的短路容量或高壓短路器的額定容量（KVA）。
2、變壓器阻抗的計算
變壓器的正序電阻：
變壓器的正序電抗：式中ΔPd 變壓器短路損耗（kW）Ue 變壓器二次側額定電壓（V）Se 變壓器額定容量（KVA）Ud% 變壓器阻抗電壓百分比，變壓器的零序電抗是與其本身結構和繞組的接法有關。目前不少廠家生產的Dyn11結線變壓器比Yyn0結線變壓器零序阻抗小，二次側短路電流大，可提高一次側過電流保護兼作二次側單相接地保護的靈敏性。故建議使用Dyn11結線變壓器，變壓器的零序電阻，零序電抗的取值計算如下：R0＝RⅠ＋RⅡ＝R1
X0＝X1＋XⅡ=X1 式中 R0，X0 變壓器的零序電阻，零序電抗。RⅠ，X1變壓器的一次繞組電阻，漏電抗。RⅡ，XⅡ變壓器的二次繞組電阻，漏電抗。R1，X1變壓器的正序電阻，正序電抗。
3、推導參見機械工業版社出版的高等學校教材《工廠供電》。銅、鋁母線電阻電抗的計算（矩 形截面母線各相在同一平面內）
自動開關的選擇
1、自動開關額定電流的確定 一千米路燈數量為14盞，高壓鈉燈功率因數為0.45.道路照明計算電流：
Iez≥Ijs 取Iez=100A
2、自動開關長延時動作的過電流熱脫扣器額定電流的確定IZd1≥KzlIjs=1×23=23A 取脫扣器額定電流為It.e=25A
照明用自動開關長延時脫扣
器對高壓鈉燈的計算系數取1.參見《工廠配電設計手冊》第一版表11－21.
3、自動開關瞬時動作的過電流脫扣器的確定Izd3≥Kz3Ijs=6×23=138A 取 LZd3=150A，照明用自動開關瞬時脫扣器對高壓鈉燈的計算系數取6.參見《工廠配電設計手冊》第一版表11－21.
4、按短路電流校驗自動開關動作靈敏性自動開關動作系數取1.5時，靈敏性遠遠達不到要求。
用自動開關動作系數及短路電流確定自動開關瞬時脫扣器整定倍數值由于單相接地電流較小，現有的熱磁式自動開關瞬時過電流脫扣器的整定電流值最小為3倍脫扣器額定電流，一般較難滿足靈敏性的要求。如用過電流長延時脫扣器做后備保護，容易使電纜長時間過電流，輕則燒毀電纜，重則引起火災。由于道路配電屬于單相配電，即使配電中盡量使三相平衡，零序電流仍較大，也不能使用另加零序保護裝置的措施。按“JB1284－73”的規定，非選擇型配電用自動開關的瞬時過電流脫扣器的整定電流值為10倍脫扣器額定電流（可調式為3～10倍），只具有瞬時過電流脫扣器的自動開關，其脫扣器整定電流值為1～3倍或3～8倍脫扣器額定電流。遺憾的是，至今尚未查到如上面規定提到的只具有瞬時過電流脫扣器的熱磁式自動開關產品，包括像ABB，Schneider，Moeller等國外大公司也無此類產品。目前解決這個問題的辦法：
1、加大電纜截面，降低配電線路的零序電阻和電抗，一般道路照明設計中，線路電壓降都能滿足規范要求，在不影響投資和施工難度的情況下，這不失為一個好辦法。
2、使用電子式脫扣器，其保護短路時磁脫扣可最小做到1.5倍脫扣器額定電流。能滿足保護要求。 由于本人才疏學淺，所述問題不夠深入，愿與廣大電氣設計同仁一同探討，同時希望引起低壓廠商的注意，能生產出更多適用于各類特殊場合的產品來。于各類特殊場合的產品來。定電流值為1～3倍或3～8倍脫扣器額定電流。
遺憾的是，至今尚未查到如上面規定提到的只具有瞬時過電流脫扣器的熱磁式自動開關產品，包括像ABB，Schneider，Moeller等國外大公司也無此類產品。
目前解決這個問題的辦法：
1、加大電纜截面，降低配電線路的零序電阻和電抗，一般道路照明設計中，線路電壓降都能滿足規范要求，在不影響投資和施工難度的情況下，這不失為一個好辦法。
2、使用電子式脫扣器，其保護短路時磁脫扣可最小做到1.5倍脫扣器額定電流。
能滿足保護要求。 由于本人才疏學淺，所述問題不夠深入，愿與廣大電氣設計同仁一同探討，同時希望引起低壓廠商的注意，能生產出更多適用于各類特殊場合的產品來。于各類特殊場合的產品來。定電流值為1～3倍或3～8倍脫扣器額定電流。遺憾的是，至今尚未查到如上面規定提到的只具有瞬時過電流脫扣器的熱磁式自動開關產品，包括像ABB，Schneider，Moeller等國外大公司也無此類產品。目前解決這個問題的辦法：
短路電流范文3
關鍵詞：電流互感器；抗飽和；故障
中圖分類號：TM452
近期，南方電網連續發生了多起故障時電流互感器飽和事件中，有的暴露出一次短路電流大于或接近(達到80%)電流互感器額定準確限值一次電流，在暫態分量影響下迅速飽和的問題。為了防范電流互感器飽和帶來的運行風險，對電流互感器抗飽和電流互感器設計將是一項重要的課題。
1電流互感器的原理
電流互感器的一次、二次繞組采用減極性標注接法，如圖1所示。
一次電流； 二次電流； 一次繞組匝數； 二次繞組匝數； 負荷阻抗
圖1：電流互感器原理
當電流 流過互感器的一次繞組時，建立一次磁動勢， 與一次繞組匝數 的乘積就是一次磁動勢，也稱一次安匝。一次磁動勢分為2部分，其中一小部分用來勵磁，使鐵心中產生磁通，其余大部分用來平衡二次磁動勢。二次磁動勢也稱二次安匝，是二次電流 與二次繞組 的乘積。用以勵磁的叫勵磁磁動勢，也叫勵磁安匝，是 與一次繞組的乘積。電流互感器的磁動勢平衡方程式如下
，（1）
或者寫成。（2）
忽略很小的勵磁安匝
，（3）
，（4）
（5）
式中，為匝數比。
電流互感器的等值電路如圖2所示。
二次感應電動勢； 二次負荷電壓； 一次電流； 二次全電流； 二次電流； 勵磁電流； 一次匝數； 二次匝數； 匝數比； 二次繞組電抗（低漏磁互感器可以忽略）； 二次繞組電阻； 二次負荷阻抗（包括二次設備及連接導線）； 勵磁阻抗
圖2電流互感器的等值電路
2一次短路電流計算
如圖3所示，一次側短路等效電路，短路一次電流瞬時值如下
（6）
式中： ， 分別為系統等值電抗、電阻； ； 為短路初始時( )電壓的相角，為短路電流的偏移度。
令 ，（7）
（8）
式中： 為短路電流穩態值的有效值； 為系統的一次時間常數。
考慮 ，則式(6)可表示為
。（9）
式(9)中， 包括交流分量和按 衰減的非周期分量(或稱為直流分量)2部分，當 時， 2部分幅值相等，即短路電流100%偏移，如圖3、圖4所示。
圖3 短路等效電路
圖4 100%偏移電流波形
3.勵磁電流及二次電流
電流互感器的基本關系式為
（10）
（11）
式中： 為勵磁電流； 為二次電流； 為勵磁阻抗(假設為純電感)； ，對低漏磁電流互感器，漏電感 可忽略； 。
設 ， ， ，
由式(10)及式(11)消去Is，可得
（12）
用拉式變換將式(12)變為
（13）
將式(9)變為象函數代入式(13)，得
（14）
將其展開并求系數。設 ，可得 （15）
考慮到 ， ，δ≈π/2。設二次負荷為純電阻負荷并忽略電流互感器二次繞組漏抗，則 ，β=0，cosβ=1，上式可近似為 （16）
由式(10)求得二次電流為
(17)
根據式(17)，勵磁電流可分為以下幾個分量：
(1)：式(17)中最右邊一項為正弦形周期性強制分量，相當于穩態短路電流的勵磁電流。
(2)：右邊第3項為非周期自由分量1，它補償短路初始時周期分量與初始勵磁電流的差值。該量按二次回路時間常數 衰減。
(3)：右邊第1項為勵磁電流非周期強制分量，按一次電流時間常數 衰減。
(4)：右邊第2項為非周期自由分量2，它補償短路初始時非周期分量初始值。該量按第二次回路時間常數 衰減。
(5)：非周期分量(2)、(3)、(4)之和。
在短路起始角度θ很小時，第(3)、第(4)項非周期分量絕對值很大，盡管短路開始時符號相反，互相抵消，但因衰減時間常數不同，可能出現很大非周期分量勵磁電流。
4.解決電流互感器飽和問題的方法
4.1選型要求
4.1.1材料的選型
適合工頻使用的磁性材料有玻膜合金、納米微晶、非晶、硅鋼，它們的飽和磁感應強度分別是0. 7， 1. 2，1. 5， 1. 9T。因此，從縮小體積來看，以選用硅鋼為好;同時，在選擇牌號上，應選用低剩磁牌號的。玻膜合金、納米微晶由于有較高的磁導率、較小的勵磁電流，在不抗飽和的CT中普遍采用。
4.1.2結構的選型
非周期性分量消失后，會在磁芯上產生一定的剩磁。由于正常工作時磁通密度很小，剩磁量是無法退掉的，所以，最好選擇Ei結構的磁芯，它總是會有一點氣隙，剩磁可以降低很多。在二次CT中，通常不考慮開氣隙，主要是制作困難，一致性差。在不抗飽和的CT中，通常選擇環形結構，主要是它的漏磁小、磁路短，制作出的互感器精度高。
4.2減小二次阻抗值
4.2.1.縮短二次電纜接線長度
CT的主要負載是二次電纜的阻抗，所以在安裝繼電保護裝置時應選擇就地安裝，縮短二次電纜的接線長度，達到減小CT負擔的目的，有效地避免飽和。但是就地安裝繼電保護裝置對自身裝置的性能具有較高要求，要具備在惡劣氣候環境下運行的能力和抗強電磁干擾的性能。就地安裝還能簡化二次回路，提高供電的穩定性。
4.2.2.減少CT的二次額定電流
由于功率與電流的平方成正比，當CT的二次額定電流降低時，在負載阻抗不變的情況下，二次回路功率就會成倍降低，這樣CT就不容易產生飽和。同時，還可以選用一次電流倍數高和額定容量大的互感器，也能達到減小二次阻抗值的目的。
4.3采取措施限制短路電流
引起CT飽和的一個重要因素就是短路電流的幅值，換句話說，限制短路電流就可以在一定程度上避免CT出現飽和。比如，可以在電力系統中較高一級的電壓等級中采取分列運行的方式來限制短路電流的幅值。但是分列運行會造成供電穩定性降低，這一弊端可以通過備用電源自動投入的方式來改善。在新建的電力系統中可以采取串聯電抗器的方式來控制短路電流過大。
4.4選用具有抗CT飽和能力的繼電保護裝置
影響CT暫態特性的原因是一次電流疊加了一個非周期分量，而該非周期性分量的大小及衰減速度決定了CT需增加一定數量的磁通量來抵消這分量。由于現場的故障電流是隨機、變化的，因此，在設計二次CT時須考慮最嚴酷的情況，在暫態20倍或30， 40倍時，非周期性分量100%全偏，時間常數120ms或更長的條件下，CT也能滿足要求。
以前針對裝置電流互感器的抗非周期分量的能力不強采取了很多措施，如增加了很多輔助判據和輔助算法，增加了CPU的工作量也降低了保護的可靠性。采用了新設計的二次CT后，保護裝置抗飽和能力增強了，簡化了軟件的設計，提高了裝置的效率和可靠性，經過動模測試和工程應用效果都是很好的。
5.結論
經過了以上的措施改進以后，保護裝置電流互感器的抗飽和能力得到了大大的增強，因此，一定要根據具體情況采用相應的措施來防止CT產生飽和現象，確保繼電保護裝置動作的正確性，有利于提高供電質量，為分析電力系統事故提供可靠的依據。
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短路電流范文4
關鍵詞：變流器；短路電流；計算方法；繼電保護
中圖分類號：TM744 文獻標志碼：A 文章編號：0253-987X（2015）04-0024-08
通過對電力元件的控制，實現電能生產環節的自動化、智能化是電網運行者不變的追求。要想實現這一目標，必須對電力元件進行調節和控制。隨著現代科學技術的不斷發展和提高，為實現電力元件的可控性，電力電子器件在發電、輸電、配電以及用電環節廣泛使用。電力電子器件在電力系統中的應用主要有以下幾個方面。
（1）新能源與分布式發電。隨著化石能源的枯竭，新能源發電的重要性越來越突出，當前大規模并網運行的主要是風力發電和光伏發電，這兩者均無法直接并網，需要經過變流器變換后方可饋入交流電網。
（2）直流以及交直流混合輸電。無論高壓直流輸電、柔性直流輸電還是交直流混合輸電，都是通過變流器實現電能的交直與直交變換。研究變流器的動態特性，有助于提高輸電線路保護的可靠性。
（3）柔流輸電。輸電網的柔流輸電與配電網的柔流輸電都大量采用電力電子器件，研究電力電子器件的調節特性，可以更好地實現對電力系統的調節與控制。
新能源發電以及直流輸電、交直流混合輸電是目前電力系統發展的重要方向，風機、光伏電源、換流器等作為一類含變流器的電力元件是其重要的組成部分，而變流器是該類電力元件中應用最廣泛的電力電子設備。變流器是一類由電力電子器件及其控制驅動電路組成的電力設備，可以實現對電能的變換、調節和控制，在智能電網中具有重要應用。智能電網要更好地發展，必須對含變流器電力元件的特性進行研究分析。
繼電保護是電網安全運行的第一道防線，對快速切除故障、迅速恢復供電、提高供電連續性、減少設備損壞等具有重要作用。故障特征分析是繼電保護研究的前提和基礎，其關鍵問題在于研究電源輸出短路電流的暫態變化特性。傳統電力系統是由同步機和輸電線路構成的線性網絡，電源的響應特性較明確，短路電流易于計算分析。隨著新能源發電以及直流輸電技術的發展，電力電子器件大量應用于電力系統，電網不再只含單一類型的電源。含變流器電力元件作為一種新的電源形式被引人系統，受變流器特性影響，其輸出特性明顯不同于同步機，使得系統表現出許多異于傳統電網的故障特征。為了更好地分析含變流器系統的故障特征，給今后新型電力系統繼電保護整定計算提供依據，有必要研究含變流器電力元件故障過程中輸出短路電流的理論分析與計算方法。
由于頻帶寬度的限制，互感器對一次系統中的高次諧波具有一定的濾波作用，電網的二次側一般只能獲取系統電流的低頻分量。雖然目前已經提出許多基于暫態量的保護新原理，但當前現場廣泛應用的繼電保護原理仍舊主要關注系統故障過程中工頻電氣量的變化規律。因此，從理論上分析含變流器電力元件輸出的工頻響應特性，得到其短路電流中工頻分量在故障暫態的變化規律，對電力系統繼電保護分析及整定計算意義重大。
短路電流范文5
（1.渤海大學工學院，遼寧錦州121000；2.中國民航大學航空自動化學院，天津300300）
摘要：針對凸極同步發電機發生匝間短路故障時諧波電流檢測問題，提出一種新的基于Duffing混沌系統的檢測方法。該方法首先通過多回路分析理論建立凸極同步發電機數學仿真模型，給出故障諧波電流仿真信號，然后利用Duffing系統靈敏的弱信號檢測特性，通過識別Duffing系統由混沌狀態到大尺度周期狀態的轉換過程來確定故障諧波電流的存在。仿真計算結果表明Duffing混沌系統可以檢測出諧波電流，檢測方法是有效的。
關鍵詞 ：Duffing系統；凸極同步發電機；匝間短路；諧波電流；故障檢測
中圖分類號：TN707?34；TM622 文獻標識碼：A 文章編號：1004?373X（2015）18?0158?05
收稿日期：2015?02?29
基金項目：國家自然科學基金資助項目（51277011）
0 引言
定子繞組內部故障是同步發電機常見的破壞性故障之一。內部故障的短路電流既會產生附加電磁力，對電機繞組具有機械破壞性，也會燒毀繞組和鐵心。定子繞組短路電流可以產生極大的非同步磁場，對轉子造成損傷。當同步發電機定子繞組內部故障時，電機會產生大量諧波電流和諧波磁場，諧波的存在使得研究電機電氣參數時常用的對稱分量法不能使用，理想電機模型也不再適用。而將相繞組作為一個整體來計算參數的相坐標法也因為內部故障時的相繞組不再是一個整體而不能使用。目前關于同步發電機內部故障時電氣參數的研究，普遍采用多回路分析法[1?3]。
通過檢測故障電機相電流中的正弦諧波信號可以估計電機中故障的存在，在眾多的正弦信號檢測方法中，新的Duffing 混沌系統檢測方法具有探索意義，文獻[4?7]表明，Duffing系統對正弦信號檢測具有較高的檢測靈敏度和較低的檢測信噪比。本文運用Duffing系統對同步發電機匝間短路故障時的故障電流參數進行了有效檢測。
1 多回路分析法建立同步電機數學模型
在文獻[8?9]研究的基礎上，本文采用多回路分析法對凸極同步發電機定子繞組內部故障建立數學模型。多回路分析法實際上就是采用回路電流法建立回路電壓方程，在電機回路方程列寫中參數主要包括相支路自感和互感、相支路電阻；勵磁支路自感和互感，勵磁支路電阻；負載支路自感和電阻等。
（1）定子支路方程。支路電壓列寫原則是對每個未發生內部短路的繞組分支列寫一個支路電壓方程。對發生繞組內部短路分支，從短路點開始把該分支分成2 個支路。設凸極同步發電機定子每相并聯支路數為a ，相數為m ，無故障時，定子內部支路總數為N = ma ；當發生同分支匝間短路時N = ma + 1 ；當發生不同分支間短路時N = ma + 2 。以支路電流為未知量，電機任一支路Q 的微分方程為：
式中：iS ,iQ ,ifd 分別為定子S 支路，Q 支路電流，勵磁回路電流；MQ,S 為定子S 支路和Q 支路的互感系數；rQ 為Q 支路電阻。
定子負載側電壓方程為：
式中：rT ，LT 分別為折算電阻和電感，uA′ ，uB′ ，uC′ 為電網相電壓。
（2）轉子回路方程。勵磁回路電壓方程為:
式中：MS,fd 為定子S 回路與勵磁回路的互感系數；Lfd為勵磁回路的自感系數；rfd 為勵磁回路電阻。
定、轉子電壓方程寫成矩陣形式為:
將式（4）簡記為：
式中：U 、I 為支路電壓和電流；R 為支路電阻；矩陣L 是時變的，定子與轉子各電壓方程都是時變系數的微分方程。
（3）回路狀態方程的建立。以上定子電壓方程是支路電壓，可以采用回路電壓方程求解支路電流，無故障時定子回路如圖1所示。按無故障定子回路圖可得回路變換陣：
將式（6）左乘式（5）得：
式中：
式中：I′ 是定、轉子回路電流。
將式（8）代入式（7）得：
對式（9）進行變換，得同步發電機多回路數學模型為：
當發電機發生同一支路內的匝間短路時，回路的選取如圖2所示，這時回路的轉換矩陣為：
2 定子繞組回路參數
回路電感系數的計算是分析同步電機定子繞組內部故障的關鍵，其確定公式如下：
（1）定子回路電感
凸極同步電機定子繞組自感為：
（2）轉子回路電感
轉子回路的電感系數是與轉子位置無關的常數。勵磁繞組的電感系數由2部分組成，即：
式中：Lfdδ 為勵磁繞組的自感系數；Lfdl 為勵磁繞組端部漏磁系數；wfd 為每極上勵磁繞組的匝數。
（3）定子不同相并聯支路間的互感系數
如果參考軸取為定子第0號線圈軸線，設該軸線與轉子軸線的電角度為θ ，那么A相第m 極下第i 號線圈軸線的電角度可以取為(m - 1)π + iθ ，B相第n 極下第j號線圈軸線的電角度可以取為(n - 1)π + jθ ，則Q1 ，Q2兩條支路間的互感系數為：
3 凸極同步電機內部故障仿真及檢測研究
（1）凸極同步電機內部故障仿真
由本文第三部分確定了多回路參數后，可以采用龍格庫塔法對式（10）進行求解，并確定定、轉子各電流的暫態和穩態值。本文對12 kW 凸極同步發電機定子繞組內部故障通過Matlab數學仿真軟件進行了仿真計算與檢測，主要研究了同一支路內的匝間短路，采用圖2中C 相某一支路匝間進行短路實驗。按照多回路模型編制的分析計算程序對凸極同步發電機正常運行和同一支路內的匝間短路故障情況分別進行了仿真計算。無故障時，A相電路如圖3所示，A相電流信號頻譜如圖4所示，可見A相電流信號中只包含基波頻率信號；短路時A相電流iA 的暫態仿真波形如圖5所示，其信號頻譜如圖6所示，其頻譜包含基波、3次諧波和5次諧波。
（2）Duffing系統檢測電機故障電流
由于凸極同步發電機定子繞組內部故障時，定子電流除基波外，還有3，5奇次諧波，可以作為凸極同步發電機產生內部故障的特征，這樣如果能檢測到相應的諧波出現就能判斷電機故障的存在。由于可以靈敏地檢測單頻正弦信號，所以本文采用Duffing 系統作為檢測器檢測故障諧波信號。
Duffing系統[10?11]是在外部周期驅動力作用下產生混沌，當檢測較高頻率諧波信號時，其動力方程式如下：
狀區域就是系統的混沌帶，通常通過Duffing系統由混沌狀態到大周期狀態的轉換來判斷諧波信號的存在與否。
本文仿真對凸極同步發電機的基波頻率取為10 Hz，則當出現匝間故障時，相電流出現3，5 次諧波頻率為300 Hz和500 Hz。采用動力方程式（17）構造Duffing檢測系統檢測3，5 次諧波故障信號。圖7，圖8 是無故障時，Duffing 系統對3，5 次電流諧波檢測結果。圖9，圖10 是有故障時，Duffing 系統對3，5 次電流諧波檢測結果。從檢測結果看，當無故障時，相電流中不包含3，5 次諧波，Duffing 系統狀態保持混沌不變；當有匝間故障時，想電流中包含3，5次諧波，Duffing系統狀態是大尺度周期的，說明故障電流中含有3，5次電流。
4 結語
本文首先闡述了運用“多回路分析法”列寫凸極同步發電機電壓方程和確定電路參數的過程，并通過數值求解的方法得到了電機的暫態和穩態運行行為，然后采用Duffing系統檢測方法檢測出了凸極同步發電機出現故障時的諧波相電流，該方法是Duffing 系統弱信號檢測方法的在電機故障檢測方面的新運用。
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短路電流范文6
[關鍵詞]短路電流；限制措施
中圖分類號：TM713 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）03-0307-01
1 短路電流原因及危害
1.1 短路電流產生原因
產生短路的主要原因，是供電系統中的絕緣被破壞。在絕大多數情況下，絕緣的破壞是由于未及時發現和消除設備中的缺陷，以及設計、安裝和維護不當所造成的。此外，由于電力需求的高速增長，電源建設向著電廠布局集中化、單機大容量化的方向發展，使得短路電流水平不斷的增長。而用電需求的快速增長，能源分布不均衡，電源大規模集中建設開發，帶來變電所及輸電線路數量急劇膨脹，電網聯系緊密，環網增多，系統阻抗逐年減小，也使系統短路電流逐年增加。
1.2 短路電流的危害
發生短路時，電力系統從正常的穩定狀態過渡到短路后的穩定狀態，一般需3～5秒。在短路后約半個周波（0.01秒）時將出現短路電流的最大瞬時值，稱為沖擊電流。它會產生很大的電動力，致使導體變形，甚至損壞。
短路電流將引起下列嚴重后果：短路電流往往會有電弧產生，它不僅能燒壞故障元件本身，也可能燒壞四周設備和傷害四周人員。巨大的短路電流通過導體時，一方面會使導體大量發熱，造成導體過熱甚至熔化，以及絕緣損壞；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，使導體變形或損壞。由于短路電流增大，發生不對稱故障時，不對稱電流產生足夠大的磁通，在鄰近的線路內感應出很大的電動勢，嚴重干擾了通信線路的正常運行（特別是平行于電力線路的通信線路。短路也同時引起系統電壓大幅度降低，非凡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。電力系統中出現短路故障時，系統功率分布的忽然變化和電壓的嚴重下降，可能破壞各發電廠并聯運行的穩定性，使整個系統解列，這時某些發電機可能過負荷，因此，必須切除部分用戶。短路時電壓下降的愈大，持續時間愈長，破壞整個電力系統穩定運行的可能性愈大。
2 短路電流限制措施
短路電流水平同電源接入的層次、電網結構等有直接關系。因此控制短路電流需要在電網建設之初進行統一規劃，電網建成后，需要基于電網的實際情況，綜合考慮各種因素來達到最優。對于限制短路電流的技術措施，可從電網結構、系統運行方式，選擇系統設備等方面考慮。
2.1 改變電網結構
（1）提高系統的電壓等級
提高系統電壓等級，引進更高電壓等級的連接點，均包括直流和交流。在此基礎上，使低壓電網分層分區運行，可以有效地降低短路電流水平。但需要根據電網規劃實行，如果單將其作為解決短路電流問題的手段需在經濟上付出巨大的代價。
（2）高壓直流輸電（HVDC）的互連
在電力系統中，HVDC技術可以應用于減少短路電流水平。首先，它可以替代連接發電機而不會增加故障電流。第二，分開電網并限制故障電流，在互連同時保持系統靈活性。此外，使用電壓源轉換器考慮到了動態電壓支持。
（3）斷開或跳通線路
在原有電網的基礎上通過改變斷路器開關狀態，斷開或跳通某些線路，電網結構隨之改變，短路電流也會發生變化。如果選取的方案適當，就會達到較好的限流目的。
（4）低一級電壓電網分層分區運行
高一級電壓電網發展到一定程度時，與低一級電壓電網形成電磁環網，不利于控制系統的短路電流。因此將低一級電網解環，采用分層分區運行是降低短路電流有效的手段。例如，在500kV電網發展成熟的基礎上，將500 kV電網與220kV電網解環運行，使220 kV電網分層分區運行是限制短路電流直接且有效的方法。
分層分區限制短路電流的方法有以下優點：
①網絡層次清晰，便于調度操作和事故處理；
②分層分區后取消高低壓之間的電磁環網運行，線路輸送容量得到充分發揮；
③減少樞紐變電站和電廠母線分段運行，提高其安全性和可靠性；
④改善潮流流向，減少被迫迂回，降低線損。在某些環網中，因為開環運行不存在環流問題，可能輸電損失比合環運行時要小，從而可提高輸電效率，有更好的經濟性。
分層分區有幾點原則：①高一級電網主網網架必須足夠強壯，能承擔各分區間的功率傳輸；②要確保每個分區與主網架的聯絡可靠性；③每個分區應有電壓、無功調節能力；④每個分區內要保證一定的電源。
（5）母線分段
多母線分列運行或母線分段運行，增大了系統阻抗，可以達到限制短路電流的目的。該措施實施方便，但將削弱系統的電氣聯系，降低系統安全裕度和運行靈活性，同時有可能引起母線負荷分配不均衡。
2.2 限流設備
2.2.1高阻抗設備
（1）采用分裂低壓繞組變壓器
分裂變壓器是多繞組變壓器中的一種特殊形式，和普通多繞組變壓器不同點在于：它的低壓繞組中有一個或幾個繞組分裂成額定容量相等的幾個支路，這幾個支路沒有電氣上的聯系，而僅有較弱的磁的聯系。它有一個高壓繞組和兩個分裂的低壓繞組，分裂繞組的額定電壓和額定容量相同，它們的總容量等于變壓器的總容量。
低壓線圈分裂后，可以大大地增加高壓線圈與低壓線圈各分裂部分之間，以及低壓線圈分裂后的各部分之間的短路阻抗值，這能有效的限制電網的短路電流，因而分裂變壓器正在電力工業中被廣泛采用。
（2）采用高阻抗主變或發電機
發電機、變壓器等設備采用較高的阻抗，是通過增加短路阻抗來限制短路電流。發電機采用高阻抗后會使設備體積減小，勵磁機容量減小，但也將導致系統損耗增加，而且由于相角差增大會帶來靜態穩定問題。
2.2.2 加裝限流電抗器
（1）裝設母線電抗器
母線電抗器裝設在母線分段處，能限制發電機回路、變壓器回路、母線上發生短路時的短路電流。在母線各分段之間裝設分段電抗器。母線分段處往往是正常工作情況下電流最小的地方，在此裝設電抗器，所引起的電壓損失和功率損耗都比裝在其他地方要小。當任一母線段上發生短路時，由其他分段上的發電機及系統提供的短路電流，都會受到分段電抗器的限制。
（2）裝設出線電抗器
在出線中裝設電抗器，可以顯著減小其所在回路中的短路電流。但是，由于出線回路數一般較多，所需的出線電抗器也較多，會使得整個配電裝置的結構趨于復雜，加大材料的消耗，投資與運行費用也相應增加。
3 結論
當今電網迅速發展，規模也不斷擴大，發電廠發電機單機容量不斷的擴大，使得短路電流問題日益突出，不僅影響了電網的快速發展，也使得電力系統安全性、穩定性降低。