DOI:10.13606/j.cnki.37-1205/td.2010.04.056 煤矿现代化 2010 年第 4 期 总第 97 期 浅谈电力系统运行中的短路故障及短路电流的计算 李淑云 1，黄静 1，李元金 1，尚纪磊2 （1. 济宁二号煤矿，山东 济宁 272072; 2. 济宁三号煤矿，山东 济宁 272069） 摘 要 电力系统在运行中，由于多种原因，难免出现故障，而使系统的正常运行遭到破坏。各种短路 故障是破坏电力系统正常运行最为常见而且危害最大的原因。本文简要探讨短路故障的原因、种类、危害及 短路电流计算的目的、计算方法。 关键词 短路；短路电流；短路电流计算 文献标志码：B 中图分类号：TM713 1 短路的种类及产生短路的原因 1.1 短路的种类 在三相系统中，短路的基本类型有：三相短路、两相短路、 两相接地短路、单相短路和单相接地短路等。三相短路时，三 相短路回路中的阻抗相等，三相电压和电流仍然保持对称，属 于对称短路。其他形式的短路，由于短路回路三相阻抗不相 等，三相电压和电流均不对称，属于不对称短路。除了上述短 路外，对变压器和电动机等电气设备还可能发生一相绕组的 匝间及层间短路。一切不对称短路在采用对称分量法后，都可 以归纳为对称短路的计算。 1.2 短路的原因 造成短路的原因很多，主要有以下几个方面： （1）绝缘损坏。电气设备年久陈旧，绝缘自然老化；绝缘瓷 瓶表面污秽，使绝缘下降；绝缘受到机械性损伤；供电系统受 到雷电的侵袭或者在切换电路时产生过电压，将电气装置绝 缘薄弱处击穿，都会造成短路。 （2）误操作。例如，带负荷拉切隔离开关，形成强大的电 弧，造成弧光短路；或将低压设备误码接入高压电网，造成短 路。 （3）鸟兽危害。鸟兽跨越不等电位的裸露导体时，造成短 路。 （4）恶劣所气候。雷击造成的闪络放电或避雷器动作，架 空线路由于大风或导线覆冰引起电杆倾倒等。 （5）其他意外事故。挖掘沟渠损伤电缆，起重机臂碰触架 空导线，车辆撞击电杆等。 2 短路的危害 短路时系统的阻抗大幅度减小，而电流则大幅度增加。通 常短路电流可达正常工作电流的几十倍甚至几百倍，在大电 力系统中短路电流可达几万甚至几十万安培。这样大的短路 电流将产生极大的危害，归纳起来其危害有以下几种： （1）损坏电气设备。短路电流产生的电动力效应和热效 应，会使故障设备及短路回路中的其他设备遭到破坏。 （2）影响电气设备的正常运行。短路时电网电压骤降，使 电气设备不能正常运行。 （3）影响系统的稳定性。严重的短路会使并列的发电机组 失去同步，造成电力系统解列。 （4）造成停电事故。短路时，电力系统的保护装置动作，使 开关跳闸，从而造成大范围停电。越靠近电源，停电范围越大， 造成的经济损失也越严重。 文章编号：1009- 0797（2010）04- 0095- 03 （5）产生电磁干扰。不对称短路的不平衡电流，在周围空 间将产生很大的交变磁场，干扰附近的通讯线路和自动控制 装置的正常运行。 3 短路电流计算的目的 （1）确定供电系统的结线和运行方式。供电系统的结线和 运行方式不同，短路电流的大小也不同。只有计算出在某种结 线和运行方式下的短路电流，才能判断这种结线及运行方式 是否合适。 （2）选择电气设备。选择电气设备时，需要计算出可能通 过电气设备的最大短路电流及其产生的电动力效应及热效 应，以检验电气设备的分断能力及动稳定性和热稳定性。 （3）选择限流电抗器。当短路电流过大时，造成设备选择 困难或不经济，这时可在供电线路中串接电抗器来限制短路 电流。通过短路电流的计算，决定是否使用限流电抗器，并确 定所选电抗器的参数。 （4）选择和整定继电保护装置。选择和整定继电装置时， 需要计算被保护范围内可能产生的最小短路电流，以校验继 电保护装置动作的灵敏性是否符合要求。 （5）另外接地装置需根据短路电流进行设计；在设计户外 高压配电装置时，需按短路条件校验软导线的相间和相对地 的安全距离。 4 短路电流计算 4.1 短路电流的基本假设 供电系统短路的物理过程是很复杂的，影响因素也很多。 为了简化分析和计算，采取一些合理的假设以满足工程的需 要。通常采用以下假设： （1）忽略磁路的饱和与磁滞现象，认为系统中各元件参数 一定。 （2）忽略各元件的电阻。高压电网的各种电气元件，其电 阻一般都比电抗小的多。一般当电阻大于 电抗时才考虑。 （3）忽略短路点的过渡电阻。过渡电阻是指相与相之间短 接所经过的电阻，如被外来物体短接时，外来物体的电阻、接 地短路的接地电阻、电弧短路的电弧电阻等。一般情况下，都 以金属性短路对待，只在某些继电保护的计算中才考虑过渡 电阻。 （4）除不对称故障出现局部不对称外，实际的电力系统通 常都可以当作相对称的。 4.2 短路电流的相对值法 在多电压等的电网中，采用相对值法计算短路电流比较 95· · 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

煤矿现代化 2010 年第 4 期 总第 97 期 简便，用相对值法计算短路电流，不必进行阻抗折算。相对值 法又称标么值，它是某一物理量的实际值与选定的该量基准 值的比值。因实际值的单位与选定的基准值的单位相同，所以 相对值没有量纲。 用相对值法计算短路电流时，首先要计算各量的相对值， 因此要选定各个物理量的基准值，即基准容量、基准电压、基 准电流和基准电抗。在四个基准值中，先任意选取两个基准 值，另两个则根据欧姆定律和功率方程确定。 在选定基准值时，通常先选定基准容量 Sda 可利用下式求出： 和基准电抗 Xda 和基准电压 Uda ，基准电流 Ida Sda Ida= 3姨 Uda Xda= Uda 3姨 Ida 一般选取 100MVA，当给出系 为了计算简便，基准容量 Sda 统的总额定容量时，基准容量 Sda 一般就取为系统的总额定容 量。基准电压则分别选为各元件及短路点所在线路的平均电 压 Uav。 基准值确定之后，容量、电压、电流和电抗的相对值便可 表示为： S*da= S Sda U*da= U Uda I* da= I Ida = 3姨 UdaI Sda X*da= X Xda =X 3姨 Ida Uda =X Sda U2 da 式中 S、U、I、X- - 各物理量的实际值； S*da、U*da、I* da、X*da- - 各物理量的相对基准值。 4.3 系统各元件相对基准值的计算 4.3.1 电源系统的相对基准电抗 如果已知电源系统母线上的短路容量 Ss ，则电源系统的相 对基准电抗 Xsy*da 为： Xsy*da= Xsy Xda = U2 av Ss U2 da Sda = Sda Ss 式中 UN·r- - 电抗器的额定电压，kV； IN·r- - 电抗器的额定电流，kA。 4.3.4 线路的相对基准电抗 线路的相对基准电抗 Xw*da 为 Xw*da=Xw Sda U2 da =X0L Sda U2 da 如需计算线路的相对基准电阻值 Rw*da ，可用下式求得： Rw*da=Rw Sda U2 da =r0L Sda U2 da 式中 Rw、Xw- - 线路的电阻、电抗值，Ω； r0、x0- - 线路每千米电阻、电抗值，Ω/km； L- - 线路的长度，km。 4.4 短路电流的计算 4.4.1 短路电流的相对基准值 忽略短路回路中的电阻时，短路电流的相对基准值 I （3） s*da 为 I （ 3） （3） s*da = Is Ida Uav = 3姨 X∑ Uda = Xda X∑ = 1 X∑*da 3姨 Xda 该式表明，当基准电压等于短路点所在线路的平均电压 时，三相短路电流的相对基准值与短路回路总电抗的相对值 X 互为倒数。 ∑*da 4.4.2 短路电流的计算 短路点的三相短路电流可用下式计算： （3） I s =I （3） s*da Ida= Ida X∑*da 4.4.3 三相短路容量 三相短路容量用相对基准值表示为 Ss*da= Ss Sda = （ 3） 3姨 UavIs 3姨 UdaIda （ 3） = Is Ida =Is*da= 1 X∑*da 因此，三相短路容量为： Ss=Ss*daSda= Sda X∑*da = 3姨 UavIs （ 3） 4.4.3 短路电流计算示例 图（1- a）为某矿高压供电系统的计算电路图，2 台变压器 点的三相短 点和 S2 并列运行，有关参数如图所示。试计算 S1 路电流和短路容量。 解：分别绘制 S1 点和 S2 点的等值电路图并计算各元件的 4.3.2 变压器的相对基准电抗 变压器的短路电压百分数 uz%就是以百分数表示的变压 器的相对额定阻抗，如果忽略变压器的电阻，则变压器的相对 基准 XT*da 为： 相对基准电抗。 XT*da= uz% 100 Sda SN·T 式中 SN·T- - 变压器的额定容量。 4.3.3 电抗器的相对基准电抗 在电抗器的产品样本中通常给出电抗器百分电抗值 xr%， 它是电抗器通过额定电流时电抗器两端的电压占额定电压的 百分值，是电抗器的相对额定电抗值。则电抗器的相对基准电 抗值 Xr*da 为： Xr*da= xr% 100 UN·r IN·r Ida Uda = xr% 100 UN·r 3姨 IN·r Sda U2 da 96· · （1- a） 等值电路图 （1- b） S1 点的等值电路图 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

煤矿现代化 2010 年第 4 期 总第 97 期 矿区铁路轨道电路分路不良治理方案 赵 杰，周 恒，邱 波 （兖矿集团铁路运输处，山东 邹城 273500） 摘 要 由于诸多客观因素，导致矿区铁路轨道电路许多区段分路不良，不但影响了运输效率也威胁 着行车安全。本文通过综合分析矿区铁路的现状以及比对、论证在铁路系统中所应用的几种解决分路不良 的方案，力求找到一种既能解决问题，又能节约成本的实用方案。笔者认为在矿区铁路现有设备中加入“智 能轨道电路防护监控盒”方案，基本上达到了上述效果，并对该套设备工作原理进行了简单介绍。 关键词 轨道电路；分路不良；解决方案；智能轨道电路防护监控盒 中图分类号：U284.23+1 文献标志码：B 文章编号：1009- 0797（2010）04- 0097- 02 兖矿集团矿区铁路轨道电路采用的是非电码化安全型交 流连续式轨道电路（JZXC- 480 型交流轨道电路），它是以铁路 线路的两根钢轨作为导体，并用引接线连接信号电源和接收 设备所构成的电气回路。它用来监督和反映铁路线路是否空 闲，其自动地和连续地将列车的运行和信号设备联系起来，以 保证行车安全，它是我们矿区铁路各种铁路信号设备（如计算 机联锁系统、6502 电气集中系统、半自动闭塞系统、调度监督 系统、机车信号等）的最基础环节，更是关乎行车安全的核心 设备之一。 轨道电路的工作原理是：信号电源通过 BG5 变压器变换 出适当的低电压经限流器后送至钢轨，经钢轨传输到达轨道 电 路 的 受 电 端 ， 电 压 经 BZ4 变 压 器 升 压 后 送 至 室 内 的 JZXC- 480 型轨道电路继电器 GJ 上，使继电器保持可靠吸起， 以此来监督区段空闲状态；而当轨道电路所监督的区段被车 辆占用，或因故障、维修、施工等造成短路、断路及断轨等情况 （1- c） S2 点的等值电路图 图 1 各点等值电路图 绘制等值电路图如图 （1- b）、（1- c） 所示，取基准容量 Sda=100MVA。则各元件的相对基准电抗为： 电源系统的相对基准电抗： X1*da= Sda Ss = 100 700 =0.413 高压架空线路的相对基准电抗： X2*da=X0L2 Sda U2 da =0.4×16.5× 100 372 =0.482 变压器的相对基准电抗： X3*da=X4*da = 7.5 100 电抗器的相对基准电抗： uz% 100 Sda SN·T × 100 6.32 =1.19 X5*da= xr% 100 UN·r 3姨 IN·r Sda U2 da = 4 100 × 6 3姨 ×0.2 100 6.32 × =1.75 电缆线路的相对基准电抗： X6*da=X0L6 Sda U2 da =0.08×0.6× 100 6.32 =0.121 时，作为接受设备的轨道继电器 GJ 电气回路因被分路或切 断，继电器所接受到的电压较低或者为零，使继电器处于落下 状态，这样在控制台上对应区段位置就会出现红色光带，以此 来监督该区段有车占用或故障状态。 1 兖矿集团矿区铁路轨道电路分路不良的现状分析 轨道电路分路不良是困扰我矿区铁路乃至全国铁路系统 多年的老大难问题。正常情况下，当列车进入轨道电路区段， 车轮和轮轴将轨道电路分路，使轨道继电器的交流端电压不 大于 2.7V，即小于轨道继电器的释放值，使轨道继电器可靠落 下。而所谓轨道电路分路不良就是我们俗称的“压不死”、“丢 车”、或“白光带”现象：当列车进入某一轨道区段时，对应区段 的轨道继电器却仍处在吸起状态或时吸时落状态，此时相应 的区段在控制台上会错误的显示为白光带或无车占用状态， 表明该轨道电路已失去了对轨道区段占用状态检查的功能。 将各元件的相对基准电抗值按要求标注在等值电路中。 4.5 计算短路电流和短路容量 4.5.1 S1 点的短路电流和短路容量 （1）S1 点短路时短路回路的总相对基准电抗为： X∑*da＝X1*da+X2*da+ 1 2 X3*da=0.413+0.482+ 1 2 ×1.19=1.22 （2）S1 点短路电流和短路容量为： 点的基准电流 Ida= S1 Sda 3姨 Uda = 100 3姨 6.3 =9.165kA 三相短路电流 I （3） s1 = Ida X∑*da = 9.165 1.22 =7.512kA 三相短路容量 Ss1= Sda X∑*da = 100 1.22 =81.97MVA 4.5.2 S1 点的短路电流和短路容量 （1）S2 点短路时短路回路的总相对基准电抗为： X∑*da=X1*da+X2*da+ 1 2 X3*da+X5*da+X6*da =0.413+0.482+ 1 2 ×1.19+1.75+0.121=3.091 点短路电流和短路容量为： （3）S2 三相短路电流 I （3） s2 = Ida X∑*da = 9.165 3.091 =2.965kA 三相短路容量 Ss2= Sda X∑*da = 100 3.091 =32.35MVA （收稿日期：2010- 1- 9） 97· · 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net