低压大功率异步电动机对三相短路电流的影响

习题和思考题3-1.什么叫短路？短路的类型有哪些？造成短路故障的原因有哪些？短路有哪些危害？短路电流计算的目的是什么？答：所谓短路，就是指供电系统中不等电位的导体在电气上被短接，如相与相之间、相与地之间的短接等。

其特征就是短接前后两点的电位差会发生显著的变化。

在三相供电系统中可能发生的主要短路类型有三相短路、两相短路、两相接地短路及单相接地短路。

三相短路称为对称短路，其余均称为不对称短路。

在供电系统实际运行中，发生单相接地短路的几率最大，发生三相对称短路的几率最小，但通常三相短路的短路电流最大，危害也最严重，所以短路电流计算的重点是三相短路电流计算。

供电系统发生短路的原因有：（1）电力系统中电气设备载流导体的绝缘损坏。

造成绝缘损坏的原因主要有设备长期运行绝缘自然老化、设备缺陷、设计安装有误、操作过电压以及绝缘受到机械损伤等。

（2）运行人员不遵守操作规程发生的误操作。

如带负荷拉、合隔离开关（部仅有简单的灭弧装置或不含灭弧装置），检修后忘拆除地线合闸等；（3）自然灾害。

如雷电过电压击穿设备绝缘，大风、冰雪、地震造成线路倒杆以及鸟兽跨越在裸导体上引起短路等。

发生短路故障时，由于短路回路中的阻抗大大减小，短路电流与正常工作电流相比增加很大（通常是正常工作电流的十几倍到几十倍）。

同时，系统电压降低，离短路点越近电压降低越大，三相短路时，短路点的电压可能降低到零。

因此，短路将会造成严重危害。

（1）短路产生很大的热量，造成导体温度升高，将绝缘损坏；（2）短路产生巨大的电动力，使电气设备受到变形或机械损坏；（3）短路使系统电压严重降低，电器设备正常工作受到破坏,例如,异步电动机的转矩与外施电压的平方成正比，当电压降低时，其转矩降低使转速减慢，造成电动机过热而烧坏；（4）短路造成停电，给国民经济带来损失，给人民生活带来不便；（5）严重的短路影响电力系统运行稳定性，使并列的同步发电机失步，造成系统解列，甚至崩溃；（6）单相对地短路时，电流产生较强的不平衡磁场，对附近通信线路和弱电设备产生严重电磁干扰，影响其正常工作。

习题和思考题3-1.什么叫短路？短路的类型有哪些？造成短路故障的原因有哪些？短路有哪些危害？短路电流计算的目的是什么？答：所谓短路，就是指供电系统中不等电位的导体在电气上被短接，如相与相之间、相与地之间的短接等。

其特征就是短接前后两点的电位差会发生显著的变化。

在三相供电系统中可能发生的主要短路类型有三相短路、两相短路、两相接地短路及单相接地短路。

三相短路称为对称短路，其余均称为不对称短路。

在供电系统实际运行中，发生单相接地短路的几率最大，发生三相对称短路的几率最小，但通常三相短路的短路电流最大，危害也最严重，所以短路电流计算的重点是三相短路电流计算。

供电系统发生短路的原因有：（1）电力系统中电气设备载流导体的绝缘损坏。

造成绝缘损坏的原因主要有设备长期运行绝缘自然老化、设备缺陷、设计安装有误、操作过电压以及绝缘受到机械损伤等。

（2）运行人员不遵守操作规程发生的误操作。

如带负荷拉、合隔离开关（内部仅有简单的灭弧装置或不含灭弧装置），检修后忘拆除地线合闸等；（3）自然灾害。

如雷电过电压击穿设备绝缘，大风、冰雪、地震造成线路倒杆以及鸟兽跨越在裸导体上引起短路等。

发生短路故障时，由于短路回路中的阻抗大大减小，短路电流与正常工作电流相比增加很大（通常是正常工作电流的十几倍到几十倍）。

同时，系统电压降低，离短路点越近电压降低越大，三相短路时，短路点的电压可能降低到零。

因此，短路将会造成严重危害。

（1）短路产生很大的热量，造成导体温度升高，将绝缘损坏；（2）短路产生巨大的电动力，使电气设备受到变形或机械损坏；（3）短路使系统电压严重降低，电器设备正常工作受到破坏,例如,异步电动机的转矩与外施电压的平方成正比，当电压降低时，其转矩降低使转速减慢，造成电动机过热而烧坏；（4）短路造成停电，给国民经济带来损失，给人民生活带来不便；（5）严重的短路影响电力系统运行稳定性，使并列的同步发电机失步，造成系统解列，甚至崩溃；（6）单相对地短路时，电流产生较强的不平衡磁场，对附近通信线路和弱电设备产生严重电磁干扰，影响其正常工作。

第一节电力系统故障概述在电力系统的运行过程中,时常会发生故障,如短路故障、断线故障等。

其中大多数是短路故障（简称短路)。

所谓短路,是指电力系统正常运行情况以外的相与相之间或相与地（或中性线)之间的连接。

在正常运行时，除中性点外,相与相或相与地之间是绝缘的。

表7—1示出三相系统中短路的基本类型。

电力系统的运行经验表明，单相短路接地占大多数。

三相短路时三相回路依旧是对称的，故称为对称短路;其它几种短路均使三相回路不对称，故称为不对称短路。

上述各种短路均是指在同一地点短路,实际上也可能是在不同地点同时发生短路，例如两相在不同地点短路.产生短路的主要原因是电气设备载流部分的相间绝缘或相对地绝缘被损坏。

例如架空输电线的绝缘子可能由于受到过电压(例如由雷击引起）而发生闪络或由于空气的污染使绝缘子表面在正常工作电压下放电。

再如其它电气设备，发电机、变压器、电缆等的载流部分的绝缘材料在运行中损坏.鸟兽跨接在裸露的导线载流部分以及大风或导线覆冰引起架空线路杆塔倒塌所造成的短路也是屡见不鲜的.此外，运行人员在线路检修后未拆除地线就加电压等误操作也会引起短路故障。

电力系统的短路故障大多数发生在架空线路部分。

总之,产生短路的原因有客观的，也有主观的,只要运行人员加强责任心，严格按规章制度办事，就可以把短路故障的发生控制在一个很低的限度内。

表7-1 短路类型短路对电力系统的正常运行和电气设备有很大的Array危害。

在发生短路时，由于电源供电回路的阻抗减小以及突然短路时的暂态过程,使短路回路中的短路电流值大大增加，可能超过该回路的额定电流许多倍。

短路点距发电机的电气距离愈近（即阻抗愈小），短路电流愈大。

例如在发电机机端发生短路时,流过发电机定子回路的短路电流最大瞬时值可达发电机额定电流的10~15倍。

在大容量的系统中短路电流可达几万甚至几十万安培。

短路点的电弧有可能烧坏电气设备。

短路电流通过电气设备中的导体时，其热效应会引起导体或其绝缘的损坏.另一方面，导体也会受到很大的电动力的冲击，致使导体变形,甚至损坏。

三相异步电动机定子绕组短路现象和后果
电动机绕组短路包括相间短路（三相或两相短路）和匝间短路。

它们是由绝缘损坏引起的。

发生相间短路时，由于接在电源电压下的匝数削减，加上转差的变化，使电动机的阻抗减小，从电源来的定子电流会急剧增大。

一般爱护动作使开关掉闸或熔断器熔断，快速断开电源。

假如不准时断电，就会烧毁绕组。

若两相短路或三相短路但各相短路点位置不相应时，则会消失不对称运行时所具有的现象和后果，如短路电流中消失负序成分，使合成力矩降低，转差增大等。

需要提示的是，被短路的不通过电源电流的线匝，也有电流流过，因它们还处在交变的磁场之中。

对于电动机来说，相间突然短路发生在定子绕组端部时最为严峻。

绕组发生匝问短路后，被短路线匝中的电流快速增加，该部分线匝的温度不断上升，有可能将这部分线匝的绝缘烧坏（如短路线匝内阻抗为0. 01Ω，线匝内感应电势为1V，即能产生100A的电流）。

同时，电动机还会发出不正常的噪声（“吭吭”声）。

当某一相的首、尾端连通时就构成单相短路，它也是匝间短路的一种特别状况。

据分析，在中性点不接地系统中的电动机发生单相短路时，将流过负序电流，并产生制动力矩。

但在无穷大容量的中性点接地系统中，当电动机本身的阻抗大大地超过接在电源和电动机间的阻抗的时候，电动机中就没有负序电流，电动机的电磁力矩将保持不变，因此时电动机只流过正序电流和零序电流，而零序电流不产生电磁力矩。

绕线式转子的电动机，若转子有几匝短路，则很难启动，而且转子会
作正反向摇摆振动。

第28卷 第6期2021年6月仪器仪表用户INSTRUMENTATIONVol.282021 No.6低压系统短路电流计算和断路器整定庄 馨，张 浩（北京石油化工工程有限公司，北京 100107）摘 要：短路故障是电气故障中最常见、危害最大的一类，短路电流计算是低压配电系统设计的重要环节之一。

石油化工工程项目设计中，用电设备特别是电动机的功率都较大，发生短路时，往往需要考虑电动机反馈电流的影响。

因此，短路电流的计算及断路器的整定变得较为复杂。

本文拟在通过对低压系统短路电流的计算以及结合工程项目实例，说明存在大功率异步电动机的低压系统中断路器的选择整定及校验方法。

关键词：短路电流；断路器整定；过电流脱扣器；异步电动机中图分类号：TM74 文献标志码：ACalculation of Current in Short-Circuit and Setting of CircuitBreaker for Low Voltage SystemZhuang Xin ，Zhang Hao（Beijing Petrochemical Engineering Co., LTD., Beijing, 100107,China）Abstract：Short circuit fault is the most common and harmful electrical fault. The short-circuit current calculation is an import part of the low voltage distribution system design. In petrochemical engineering project design, the power of electric equipment, especially motor, is very high. When short circuit occurs, the influence of motor feedback current should be considered. Therefore, the calculation of short circuit current and the setting of circuit breaker become more complicated. This paper explains the setting and calibration method of circuit breaker in low voltage system with high power asynchronous motor by the calculation of low-volt-age system short-circuit current and combined with the engineering project example.Key words：short-circuit current；circuit breaker setting；overcurrent release；asynchronous motorDOI:10.3969/j.issn.1671-1041.2021.06.007文章编号：1671-1041(2021)06-0033-050 引言在三相交流系统中，短路电流值因短路类型及短路点发生的位置不同而有较大差异。

浅谈电力系统运行中的短路故障与短路电流摘要：短路故障是破坏电力系统正常运行的常见原因，简要探讨短路故障的成因及短路电流计算的问题。

关键词：电力系统、短路故障、短路电流1.短路与短路电流计算意义在电力系统的设计和运行中，不仅要考虑正常工作状态，而且还必须考虑到发生故障时所造成的不正常工作状态。

实际运行表明，破坏供电系统正常运行的故障，多数为各种短路故障。

所谓短路，是指供电系统中不等电位的导体在电气上被短接，如相与相之间的短接，或在中性点接地系统中一相或几相与大地相接以及三相四线制系统中相与零线的短接等。

当发生短路时，电源电压被短接，短路回路阻抗很小，于是在回路中流通很大的短路电流。

?2.短路产生的原因及危害?产生短路的主要原因，是供电系统中的绝缘被破坏。

在绝大多数情况下，绝缘的破坏是由于未及时发现和消除设备中的缺陷，以及设计、安装和维护不当所造成的。

例如过电压、直接雷击、绝缘材料的老化、绝缘配合不当和机械损坏等；运行人员错误操作，如带负荷断开隔离开关或检修后未撤接地线就合断路器等；设备长期过负荷，使绝缘加速老化或破坏；小电流系统中一相接地，未能及时消除故障；在含有损坏绝缘的气体或固体物质地区。

未考虑电气间隙与爬电距离(应符合GB)等。

此外，在电力系统中的某些事故也可能直接导致短路，如电杆倒塌、导线断线等：或动物、飞禽跨越导体时也会造成短路。

?3.短路电流的计算方法经典的短路电流计算方法为：取变比为1.0，不考虑线路充电电容和并联补偿，不考虑负荷电流和负荷的影响，节点电压取1.0，发电机空载。

短路电流计算的标准主要有IEC标准和ANSI标准，我国采用的是IEC标准。

?国标规定了短路电流的计算方法、计算条件。

国标推荐的三相短路电流计算方法是等值电压源法，其计算条件为：(1)不考虑非旋转负载的运行数据和发电机励磁方式；(2)忽略线路电容和非旋转负载的并联导纳：(3)具有分接开关的变压器，其开关位置均视为在主分接位置；(4)不计弧电阻：(5)35kV及以上系统的最大短路电流计算时，等值电压源取标称电压的1.1，但不超过设备的最高运行电压。

6.4 电力系统三相短路的实用计算6.4.1 短路电流实用计算的基本假设与基本任务电力系统短路计算可分为实用的“手算”计算和计算机算法。

大型电力系统的短路计算一般均采用计算机算法进行计算。

在现场实用中为简化计算，常采用一定假设条件下的“手算”近似计算方法，短路电流实用计算所作的基本假设如下：①短路过程中发电机之间不发生摇摆，系统中所有发电机的电势同相位。

采用该假设后，计算出的短路电流值偏大。

②短路前电力系统是对称三相系统。

③不计磁路饱和。

这样，使系统各元件参数恒定，电力网络可看作线性网络，能应用叠加原理。

④忽略高压架空输电线路的电阻和对地电容，忽略变压器的励磁支路和绕组电阻，每个元件都用纯电抗表示。

采用该假设后，简化部分复数计算为代数计算。

⑤对负荷只作近似估计。

一般情况下，认为负荷电流比同一处的短路电流小得多，可以忽略不计。

计算短路电流时仅需考虑接在短路点附近的大容量电动机对短路电流的影响。

⑥短路是金属性短路，即短路点相与相或相与地间发生短接时，它们之间的阻抗是零。

在前面已介绍了在突然短路的暂态过程中，定子电流包含有同步频率周期分量、直流分量和二倍频率分量。

由于实际的同步发电机具有阻尼绕组或等效阻尼绕组，减小了、轴的不对称，使二倍频率分量的幅值很小，工程上通常可以忽略不计；定子直流分量衰减的时间常数很小，它很快按指数规律衰减到零。

因此，在工程实际问题中，主要是对短路电流同步频率周期分量进行计算，只有在某些情况下，如冲击电流和短路初期全电流有效值的计算中，才考虑直流分量的影响。

短路电流同步频率周期分量的计算，包括周期分量起始值的计算和任意时刻周期分量电流的计算。

周期分量起始值的计算并不困难，只需将各同步发电机用其次暂态电动势(或暂态电动势)和次暂态电抗(或暂态电抗)作为等值电势和电抗，短路点作为零电位，然后将网络作为稳态交流电路进行计算即可；而任意时刻周期分量电流要准确计算非常复杂，工程上常常采用的是运算曲线法，运算曲线是按照典型电路得到的的关系曲线，根据各等值电源与短路点的计算电抗和时刻t，即可由运算曲线查得。

中华人民共和国国家标准三相交流系统短路电流计算GB/T15544—1995Short-circuit current calculation in three-phase a.c.systems 国家技术监督局1995-04-06批准1996-01-01实施本标准等效采用IEC909(1988)《三相交流系统短路电流计算》(以下简称《909标准》)。

第一篇概述1主题内容与适用范围1.1主题内容本标准规定了用等效电压源法计算三相交流系统短路电流，并提出了计算中采用的校正系数的求取方法及推荐值。

1.2适用范围本标准适用于标称电压380V～220kV，频率50Hz的三相交流系统的短路电流计算。

本标准不适用于受控条件(短路试验站)下人为短路和飞机、船舶用电气设备的短路计算。

本标准主要作为进出口设备及对外工程投标使用，在国内工程计算中逐步推广采用。

2引用标准GB156—93额定电压GB2900.1—92电工术语基本术语GB2900.25—94电工术语旋转电机3术语3.1短路short-circuit通过一个比较低的电阻或阻抗，偶然地或有意地对正常电路中不同电压下的两个或几个点之间的连接。

3.2短路电流short-circuit current在电路中，由于故障或不正确连接造成短路而产生的过电流。

注：需区别流过短路点和电网支路中的短路电流。

3.3预期(可达到的)短路电流prospective(available)short-circuit current电源不变，将短路点用阻抗可忽略的理想连接代替时，流过短路点的电流。

注：假设三相短路电流是由于三相同时短路而产生的。

由于三相不在同一瞬间短路，在短路电流中可能出现较大的非周期分量的研究不属于本标准范围。

3.4对称短路电流symmetrical short-circuit current不计非周期分量时的预期(可达到的)短路电流对称交流分量的有效值。

3.5对称短路电流初始值initial symmetrical short-circuit current系统非故障元件的阻抗保持为短路前瞬间值时的预期(可达到的)短路电流的对称交流分量有效值(见图1和图12)。

北交《电力系统故障分析》在线作业一一、单选题（共 10 道试题，共 30 分。

）1. 三相功率的标幺值（）一相功率的标幺值。

. 大于. 小于. 等于. 大于等于正确答案：2. 变压器的变比（）两侧的额定电压之比。

. 大于. 等于. 小于. 大于或等于正确答案：3. 负序分量的相序与正常对称运行下的相序（）。

. 相同. 相反. 差30°. 差60°正确答案：4. 冲击短路电流有效值，就是短路后（）时刻总的短路电流的有效值。

. 0.01s. 0.02s. 0.03s. 0.04s正确答案：5. 在单相接地短路故障中，短路点故障相中的正序电流（）负序电流。

. 大于. 等于. 小于. 大于等于正确答案：6. 两相短路时，短路电流及电压中不存在（）。

. 正序分量. 负序分量. 零序分量. 正序分量和负序分量正确答案：7. 电力系统发生单相接地短路时，短路点故障相的电压等于（）。

. 0. 线电压. 相电压. 2倍相电压正确答案：8. 正序分量的相序与正常对称运行下的相序（）。

. 相同. 相反. 差30°. 差60°正确答案：9. 6kV电压等级的平均额定电压为：（）。

. 6.0kV. 6.1kV. 6.2kV. 6.3kV正确答案：10. 电力系统发生相间短路时，过渡电阻主要由（）构成。

. 电感. 电容. 接触电阻. 电弧电阻正确答案：北交《电力系统故障分析》在线作业一二、多选题（共 10 道试题，共 40 分。

）1. 我国电力系统中性点运行方式有：（）。

. 直接接地. 不接地. 经消弧线圈接地. 经电容器接地正确答案：2. 进行负故障短路电流计算时，常用的方法有:（）。

. 边界条件方程式法. 模拟复合序理想变压器法. 两口网络理论法. 故障电流线性方程组法正确答案：3. 接线组别为（）的变压器，高低压侧绕组极性相同。

. 2. 4. 6. 8正确答案：4. 以下为短路点的过渡电阻的为：（）。

三相异步电动机控制电路常用的保护电路三相异步电动机掌握电路除了能满意被控设备生产工艺的掌握要求外，还必需考虑到电路有发生故障和不正常工作状况的可靠性。

由于发生这些状况时会引起电流增大，电压和频率降低或上升、损毁。

因此，掌握电路中的爱护环节是电动机掌握系统中不行缺少的组成部分。

常用的爱护电路有短路爱护、过载爱护、过电流爱护、失电压爱护和欠电压爱护等。

1、短路爱护在电动机掌握系统中，最常用和最危急的故障是多种形式的短路。

如电器或线路绝缘遭到损坏、掌握电器及线路消失故障、操作或接线错误等，都可能造成短路事故。

发生短路时，线路中产生的瞬时故障电流可达到额定电流的十几倍道几十倍，过大的短路电流将会使电器设备15 或配电设备受到损坏，甚至因电弧而引起火灾。

因此，当电路消失短路电时，必需快速、牢靠地断开电源，这就要求短路爱护装置应具有瞬时动作的特性。

短路爱护的常用方法是采纳熔断器和低压断路器爱护装置。

2、过电流爱护过电流爱护是区分于短路爱护的一种电流型爱护。

所谓过电流是指电动机或电器元件在超过其、额定电流的状态下运行，一般比短路电流小，不超过6倍的额定电流。

在电动机的运行过程中产生这种过电流，比发生短路的可能性要大，特殊是对于频繁起动和正反转、重复短时工作时的电动机更是如此。

过电流爱护常用过电流继电器来实现，通常过电流继电器与接触器协作使用，即将过电流电器线圈串接在被爱护电路中，当电路电流达到其整定值时，过电流继电器动作，而电流继电器常闭触点串接在接触器线圈电路中，使接触器线圈断电释放，接触器主触点断开来切断电动机电源。

这种电流爱护环节常用于直流电动机和三相绕线转子异步电动机的掌握电路中。

3、过载爱护过载是指电动机在大于其额定电流的状况下运行，但过载电流超过额定电流的倍数要小些。

通常在额定电流的1.5倍以内。

引起电动机过载的缘由许多，如负载的突然增加，缺相运行以及电网电压降低等。

若电动机长期过载运行，其绕组的温升将超过允许值而使绝缘材料变脆、老化、寿命缩短，严峻时会使电动机损坏。

电动机反馈对短路冲击电流的影响仅当短路点附近所接用电动机额定电流之和大于短路电流的1％时，才予以考虑其反馈电流的影响，即：通常在下列情况可以不考虑感应电动机反馈冲击电流对短路电流的影响：（1）高压电动机总功率小于100kW ；（2）低压电动机的单机功率小于20kW ；（3）反馈冲击电流必须通过变压器方能送到短路点；（4）反馈冲击电流与系统的冲击短路方向和路径一致时；（5）在电动机附近发生不对称短路时。

由异步电动机馈送的短路冲击电流可由下式计算异步电动机起动电流倍数可取为6～7异步电动机的短路电流冲击系数可取1.4 ～ 1.7，具体可查图4-15（手册p151)异步电动机的额定电流由短路点附近的异步电动机送到短路点的超瞬变（次暂态）短路电流，kA如果有多台异步电动机异步电动机起动电流倍数可取为6～7 I I M r ''>∑∙01.0KA I K K irMqM M ch M ch ⋅⋅=29.0r MqM M IK I 9.0=''r MqM M I K I∑'=''9.0rMrM qM qMP P K K ∑∑=')(如果有多台异步电动机计入异步电动机影响后的电流短路冲击电流由系统送到短路点的短路冲击电流 由异步电动机反馈短路冲击电流短路全电流最大有效值由系统送到短路点的超瞬变（次暂态）短路电流由短路点附近的异步电动机送到短路点的超瞬变（次暂态）短路电流0秒短路电流周期分量的标么值，称为起始次暂态电流KAi i i Mch s ch ch ⋅⋅+=KAI K I K I I I M M ch s s ch M s ch 22])1()1[(2)(''-+''-+''+''=⋅⋅对称分量法1、不对称短路计算一般采用对称分量法。

它的意义是：三相网络内任一组不对称三相相量(电流、电压等)都可以分解成三组对称的分量。