《建筑供配电》课程教学资源（授课教案）短路故障和短路电流计算

任务三：短路故障和短路电流计算教案头：项目项目六智能供电系统的方案设计任务学时任务3短路故障和短路电流计算2知识目标技能目标素质目标①能画出供配电系统的等①培养严谨认真的工作作①理解短路的原因、后果及形式。值电路。风。②能计算短路电流。②具有良好的团队协作精教学目标②了解无限大容量电力系统三相短路神，主动适应团队工作要电流的分析方法。求。③基本职业素养的培养。①画等值电路工作任务②三相短路电流的计算③两相和单相短路电流的计算教学重点重点：三相短路电流的计算教学难点难点：两相和单相短路电流的计算教学策略“教、学、练、做”一体化教学条件多媒体设备、电气设计手册。①为企业的供配电系统进行短路电流的计算作业②做课后练习题备注教学内容：（1）任务概述供配电系统在设计和运行中，不仅要考虑系统的正常运行状态，还要考虑系统不正常和存在故障时的情况，短路是最严重的故障。短路电流计算的目的主要是用来选择电气设备，并对继电保护进行整定计算。本次任务就是学习计算三相短路电流、两相和单相短路电流的计算方法，从而为后面供配电系统的设计奠定基础。要求：1）短路电流计算的步骤清晰；2）短路电流计算的过程规范：3）短路电流计算的数据可靠：4）短路电流计算的结果统计在表格中。（2）知识准备1/8

1 / 8 任务三：短路故障和短路电流计算 教案头： 项目 项目六 智能供电系统的方案设计 任务 任务 3 短路故障和短路电流计算 学时 2 教学目标 知识目标 技能目标 素质目标 ①理解短路的原因、 后果及形式。 ②了解无限大容量 电力系统三相短路 电流的分析方法。 ①能画出供配电系统的等 值电路。 ②能计算短路电流。 ①培养严谨认真的工作作 风。 ②具有良好的团队协作精 神，主动适应团队工作要 求。 ③基本职业素养的培养。 工作任务 ①画等值电路 ②三相短路电流的计算 ③两相和单相短路电流的计算 教学重点 教学难点 重点：三相短路电流的计算 难点：两相和单相短路电流的计算 教学策略 “教、学、练、做”一体化 教学条件 多媒体设备、电气设计手册。 作 业 ①为企业的供配电系统进行短路电流的计算 ② 做课后练习题 备 注 教学内容： （1）任务概述 供配电系统在设计和运行中，不仅要考虑系统的正常运行状态，还要考虑 系统不正常和存在故障时的情况，短路是最严重的故障。短路电流计算的目的主 要是用来选择电气设备，并对继电保护进行整定计算。本次任务就是学习计算三 相短路电流、两相和单相短路电流的计算方法，从而为后面供配电系统的设计奠 定基础。要求： 1）短路电流计算的步骤清晰； 2）短路电流计算的过程规范； 3）短路电流计算的数据可靠； 4）短路电流计算的结果统计在表格中。 （2）知识准备

1）短路的原因、后果及其形式①短路：短路是指不同电位的导体之间的电气短接。电气绝缘损坏。·误操作。·鸟兽害。②短路的后果：.短路电流的电动效应和热效应。.电压骤降。?造成停电事故。R影响系统稳定。?产生电磁干扰。③短路的形式：.三相短路k(3)对称性短路两相短路k(2)O单相短路k()?非对称性短路两相接地短路k(L1)电力系统中发生单相短路的可能性最大，但三相短路的短路电流值最大，因此作为选择校验电气设备依据的短路电流应取三相短路电流。2）无限大容量系统发生三相短路时的暂态过程和物理量①无限大容量电力系统：容量相对于用户内部供配电系统容量大得多的电力系统，以至用户的负荷不论如何变动甚至发生短路时，电力系统变电所馈电母线的电压能基本维持不变。②无限大容量电力系统三相短路的暂态过程t(wt正常运行状查短路暂态过程短路稳定状态图3.14.1无限大容量系统中发生三相短路前后的电压电流曲线③有关短路的物理量：i短路电流周期分量ip是按欧姆定律由短路电路的电压和阻抗所决定的一个短路电流。t=0时发生2/8

2 / 8 1）短路的原因、后果及其形式 ①短路：短路是指不同电位的导体之间的电气短接。  电气绝缘损坏。  误操作。  鸟兽害。 ②短路的后果：  短路电流的电动效应和热效应。  电压骤降。  造成停电事故。  影响系统稳定。  产生电磁干扰。 ③短路的形式：  三相短路 k (3)—-对称性短路  两相短路 k (2)  单相短路 k (1) 非对称性短路  两相接地短路 k (1.1) 电力系统中发生单相短路的可能性最大，但三相短路的短路电流值最大，因 此作为选择校验电气设备依据的短路电流应取三相短路电流。 2）无限大容量系统发生三相短路时的暂态过程和物理量 ①无限大容量电力系统：容量相对于用户内部供配电系统容量大得多的电力 系统，以至用户的负荷不论如何变动甚至发生短路时，电力系统变电所馈电母线 的电压能基本维持不变。 ②无限大容量电力系统三相短路的暂态过程 图 3.14.1 无限大容量系统中发生三相短路前后的电压电流曲线 ③有关短路的物理量： ⅰ短路电流周期分量 iP 是按欧姆定律由短路电路的电压和阻抗所决定的一个短路电流。t=0 时发生

短路，u=0，i。为负值。短路电路可看作一纯电感电路。ip(O) = I =V21厂一短路次暂态电流有效值，是短路后第一个周期的短路电流周期分量有效值。在无限大容量系统中，短路电流周期分量有效值1k在短路的全过程中维持不变，即"==1。i短路电流非周期分量ip是按楞次定律，由于电路存在着电感，而在突然短路时出现自感电动势所产生的一个短路电流。?ig是按指数函数衰减的，ip=ip(o)e=("-i.)e=21eXLzR314RT一短路电路时间常数，R，L，，衰减越快。i短路全电流ik=i,+inp某一瞬间t的短路全电流有效值Ik(t)，是以时间t为中点的一个周期内的ip有效值Ip(t)和inp在t的瞬时值inp()的方均根值。Ix (n) = /Ip() + ip()iv短路冲击电流短路后经过半个周期（即t=0.01s），短路电流瞬时值达到最大值，这一最大短路电流瞬时值称为短路冲击电流ish。0.01ish =ip(00) +imp(0.0) ~2I(1+e)=K/210.01Rs0.01Ka—短路电流冲击系数，K=1+e=1+e，Ks=1~2。短路冲击电流有效值：p(001 +i(01 ~"2 +(2e) = /1+2(K -1)21Ih=V在高压电路发生k"时，取Ka=1.8，s=2.551"，|a=1.51"在低压电路和1000kVA及以下变压器二次侧发生K(3时，取Ks=1.3，.."=1.847",I=1.09"V短路稳态电流：3/8

3 / 8 短路，u=0，i0为负值。短路电路可看作一纯电感电路。 '' I —短路次暂态电流有效值，是短路后第一个周期的短路电流周期分量有效 值。 在无限大容量系统中，短路电流周期分量有效值 IK 在短路的全过程中维持 不变，即 ⅱ 短路电流非周期分量 inp 是按楞次定律，由于电路存在着电感，而在突然短路时出现自感电动势所产 生的一个短路电流。 inp是按指数函数衰减的， τ—短路电路时间常数， R∑↑，L∑↓，τ↓，衰减越快。 ⅲ 短路全电流 某一瞬间 t 的短路全电流有效值 Ik（t），是以时间 t 为中点的一个周期内的 p i 有效值 Ip（t）和 np i 在 t 的瞬时值 np(t) i 的方均根值。 ⅳ 短路冲击电流 短路后经过半个周期（即 t=0.01s），短路电流瞬时值达到最大值，这一最 大短路电流瞬时值称为短路冲击电流 sh i 。 Ksh—短路电流冲击系数， ，Ksh=1～2。 短路冲击电流有效值： 在高压电路发生 k （3）时，取 Ksh=1.8，∴ ， 。 在低压电路和 1000kVA 及以下变压器二次侧发生 K （3）时，取 Ksh=1.3， ∴ ， 。 ⅴ 短路稳态电流： '' '' i (0) I 2I P  m     I I I K ''    t t m t np np i i e I i e I e        '' 0 '' (0) ( ) 2       R X R L 314  K p np i  i  i 2 ( ) 2 K t p(t) np t I （ ） I  i '' 0.01 '' (0.01) (0.01) i i i 2I (1 e ) K 2I sh  p  np    sh           L R sh K e e 0.01 0.01 1 1  2 2 '' 0.01 2 ''2 '' (0.01) 2 (0.01) I i i I ( 2I e ) 1 2(K 1) I sh  p  np     sh    '' i 2.55I sh  '' I 1.51I sh  '' i 1.84I sh  '' I 1.09I sh 

是短路电流非周期分量衰减完毕后的短路全电流，其有效值用I.表示。在无限大容量系统中，「"=1k=1。。3）无限大容量电力系统中的短路电流计算①短路电流计算概述i计算短路电流的目的：正确选择电气设备，使其具有足够的动、热稳定性，在通过可能最大的短路电流时不致损坏。选择通断短路故障的开关电器、整定短路保护的继电保护和选择限制短路电流的元件（如电抗器）。ii短路电流计算步骤：绘计算电路图。→按短路计算点绘出等效电路图。◆化简等效电路，求出其等效总阻抗。→计算短路电流和短路容量。计算短路电流的方法：欧姆法，标么制法②采用欧姆法进行三相短路的计算：i欧姆法短路计算的有关公式：在无限大容量系统中发生三相短路时，其三相短路电流周期分量有效值为：U.U.(3)=-+U。一短路计算点的短路计算电压U。=1.05UnZ、R、X，一短路电路的总阻抗[模]、总电阻和总电抗三相短路电流周期分量有效值为：79=%J3X,三相短路容量为：S(3）=3UI(3)i短路电路的阻抗计算：→电力系统的阻抗计算：U?t==SocU。一高压馈电线的短路计算电压，可直接采用短路计算点的短路计算电压。Soc一电力系统出口断路器的断流容量。电力变压器的阻抗计算：SR(RAP~3RR, =3×(-U.J3UN4/8

4 / 8 是短路电流非周期分量衰减完毕后的短路全电流，其有效值用 I∞表示。 在无限大容量系统中， 。 3）无限大容量电力系统中的短路电流计算 ①短路电流计算概述 ⅰ计算短路电流的目的：  正确选择电气设备，使其具有足够的动、热稳定性，在通过可能最大的 短路电流时不致损坏。  选择通断短路故障的开关电器、整定短路保护的继电保护和选择限制短 路电流的元件（如电抗器）。 ⅱ短路电流计算步骤：  绘计算电路图。  按短路计算点绘出等效电路图。  化简等效电路，求出其等效总阻抗。  计算短路电流和短路容量。 计算短路电流的方法 ： 欧姆法，标幺制法 ②采用欧姆法进行三相短路的计算： ⅰ欧姆法短路计算的有关公式： 在无限大容量系统中发生三相短路时，其三相短路电流周期分量有效值为： Uc —短路计算点的短路计算电压 Uc UN 1.05 Z 、 R、 X —短路电路的总阻抗[模]、总电阻和总电抗 三相短路电流周期分量有效值为： (3) 3 c k U I X  三相短路容量为： (3) (3) 3 k c k S U I  ⅱ短路电路的阻抗计算：  电力系统的阻抗计算： Uc —高压馈电线的短路计算电压，可直接采用短路计算点的短路计算电压。 oc S —电力系统出口断路器的断流容量。  电力变压器的阻抗计算：    I I I K '' 2 2 3 3  3      R X U Z U I c c K （ ） oc c S S U X 2  T c N T N N K N T R U S R U S P I R 2 2 2 3   3  3（ ） （ ）

UR=APkSN100100U,%~-U.U?U,%U?X~100S电力线路的阻抗计算：Rw = RolXw = X。l③欧姆法短路计算的步骤：绘短路计算电路图，并根据短路计算目的确定短路计算点。5?针对短路计算点绘出短路电路的等效电路图，此图只需表示出计及阻抗的元件，并且分子标明元件序号，分母用来标明其阻抗。按照短路计算点的Uc计算各元件阻抗，将计算结果标注在等效电路图上。按照网络化简方法求等效电路的总阻抗。?计算短路点的I(3)、I(3)、1(3)、(3)、13）及S(3)。④采用标么制法进行三相短路的计算：标么制法，因短路计算中的有关物理量是采用标么值而得名，又称相对单位制法。i标幺值的定义及其基准某一物理量的标么值，为该物理量的实际值与所选定的基准值的比值。A-AAa基准容量Sd=100MVA基准电压Ud=Uc=1.05USa - SdIa =V3UaV3Uc-Ua_U?X. :31aSai标么制法短路计算的有关公式：供配电系统中各主要元件的电抗标么值的计算电力系统的电抗标么值：X,-U?/u?_SaX=X"S../sa"So电力变压器的电抗标么值：5/8

5 / 8  电力线路的阻抗计算： ， ③欧姆法短路计算的步骤：  绘短路计算电路图，并根据短路计算目的确定短路计算点。  针对短路计算点绘出短路电路的等效电路图，此图只需表示出计及阻抗 的元件，并且分子标明元件序号，分母用来标明其阻抗。  按照短路计算点的 Uc 计算各元件阻抗，将计算结果标注在等效电路图 上。  按照网络化简方法求等效电路的总阻抗。  计算短路点的 (3) K I 、 ''(3) I 、 (3) I 、 (3) sh i 、 (3) sh I 及 (3) k S 。 ④采用标幺制法进行三相短路的计算： 标幺制法，因短路计算中的有关物理量是采用标幺值而得名，又称相对单位 制法。 ⅰ 标幺值的定义及其基准 某一物理量的标幺值，为该物理量的实际值与所选定的基准值的比值。 基准容量 Sd=100MVA 基准电压 Ud=Uc=1.05UN ⅱ 标幺制法短路计算的有关公式： 供配电系统中各主要元件的电抗标幺值的计算 电力系统的电抗标幺值： 电力变压器的电抗标幺值： 2 ( ) N c T K S U R  P 100 100 3 % 2     c N T c N T Z U S X U I X U N Z c T S U U X 100 % 2  R R l WL  0 X X l WL  0 d d A A A   Uc S U S I d d d d 3 3   d c d d d S U I U X 2 3   oc d d c oc c d S S S S S U S U X X X     2 2

X,=X_U%U?/UU,%Sa×=100S%/100SNSd电力线路的电抗标么值：XWL.-Xol,Sd=X,lXwou?X.u?/s.无限大容量系统三相短路电流周期分量有效值的标么值为：P./Sa-u?-IaV3x,/3USaXX三相短路电流周期分量有效值为：IaI(3) = 1(31,X三相短路容量为：S=V3U19=V3U-SaXX2i标幺制法短路计算的步骤◆绘短路计算电路图，并根据短路计算目的确定短路计算点。→选定标么值的基准，Sd=100MVA，Ud=Uc，并求出所有短路计算点电压下的Id。◆计算短路电路中所有主要元件的电抗标幺值。绘出短路电路的等效电路图。用分子标明元件序号，分母标明电抗标么值，且标出所有短路计算点。→针对各短路计算点分别简化电路，求出其总电抗标么值，然后按有关公式计算所有的短路电流和短路容量。（4）任务实施1）作计算电路图①以电气主接线为基础：只作G，T，WL，L的符号，其连接顺序不变②标示各元件文字符号，计算编号，有关参数③根据计算目的，标出计算短路点2）作初始等值电路①作出短路回路。从电源到计算短路点的全部网络，中间流过短路电流的回路。②每一计算短路点对应唯一短路回路③各元件用电抗符号表示：有源元件包括电势和电抗3）等值电路图的简化将初始等值电路图逐步进行等值变换，直到只有一个总电源经一个总电抗至6/8

6 / 8 电力线路的电抗标幺值： 无限大容量系统三相短路电流周期分量有效值的标幺值为： 三相短路电流周期分量有效值为： 三相短路容量为： ⅲ 标幺制法短路计算的步骤  绘短路计算电路图，并根据短路计算目的确定短路计算点。  选定标幺值的基准，Sd=100MVA，Ud=Uc，并求出所有短路计 算点电压下的 Id。  计算短路电路中所有主要元件的电抗标幺值。  绘出短路电路的等效电路图。用分子标明元件序号，分母标 明电抗标幺值，且标出所有短路计算点。  针对各短路计算点分别简化电路，求出其总电抗标幺值，然 后按有关公式计算所有的短路电流和短路容量。 （4）任务实施 1）作计算电路图 ①以电气主接线为基础：只作 G，T，WL，L 的符号，其连接顺序不变 ②标示各元件文字符号，计算编号，有关参数 ③根据计算目的，标出计算短路点 2）作初始等值电路 ①作出短路回路。从电源到计算短路点的全部网络，中间流过短路电流的回 路。 ②每一计算短路点对应唯一短路回路 ③各元件用电抗符号表示：有源元件包括电势和电抗 3）等值电路图的简化 将初始等值电路图逐步进行等值变换，直到只有一个总电源经一个总电抗至 N Z d d c N Z c d T T S U S S U S U U X X X 100 % 100 % 2 2     2 0 2 0 c d d c d WL WL U S X l U S X l X X X              S X X U U S X U I I I d c c c d d K K 1 3 3 3 2 3 （ ） （ ）      X I I I I d K K d （3） （3）        X S X I S U I U d d K 3 c K 3 c （3） （3）

短路点的最简等值电路图①串联等值电抗：X=X，+X，②并联等值电抗：X=LX.X相邻两边乘积③△-Y:X=三边之和X,X13X,=X, +X23 + Xi3X,X2X2=-Xi2 + X23 + X13X,Xi3X,=Xi2 + X23 + Xi3①Y→A：X=相邻两边之和+相邻两边之积第三边111 1?EY法：ZY=...X,X,XnX短路回路总电抗X，，：只有一个总电源经一个总电抗至短路点的最简电路4）列短路电流成果表表 6-1短路电流成果表短路点d,d,dsd.KV2平均额定电压基准电流KA3短路回路总电抗4短路电流标幺值bKA6短路电流有名值 KA冲击短路电流短路功率MVA8（4）检查与评价7/8

7 / 8 短路点的最简等值电路图 ①串联等值电抗：X=X 1 + X 2 +.+ X n ②并联等值电抗： 1 2 1 1 1 1 . n X X X X     ③Δ→Y：X= 三边之和 相邻两边乘积 X 1 12 23 13 12 13 X X X X X   X 12 23 13 12 23 2 X X X X X    X 12 23 13 23 13 3 X X X X X    ④Y→Δ：X=相邻两边之和+ 第三边 相邻两边之积 ⑤∑Y 法： ∑Y = 1 1 X + 2 1 X +. Xn 1 + X 1 短路回路总电抗 X .n ：只有一个总电源经一个总电抗至短路点的最简电路 4）列短路电流成果表 表 6-1 短路电流成果表 1 短路点 d1 2 d 3 d 4 d 2 平均额定电压 KV 3 基准电流 KA 4 短路回路总电抗 5 短路电流标幺值 6 短路电流有名值 KA 7 冲击短路电流 KA 8 短路功率 MVA （4）检查与评价

计算完成后，学生分组检查短路计算结果，然后由教师评定成绩，(5）总结通过本次任务的实施，使学生理解了短路电流的概念，短路电流产生的原因，掌握了短路电流的计算步骤。818

8 / 8 计算完成后，学生分组检查短路计算结果，然后由教师评定成绩。 （5）总结 通过本次任务的实施，使学生理解了短路电流的概念，短路电流产生的原因， 掌握了短路电流的计算步骤