短路

物理学定义

短路是指电路或电路中的一部分被短接。负载或电源的两端被导线直接连接在一起,就称为短路,短路时电源提供的电流将比通路时提供的电流大得多,一般情况下不允许短路,如果短路,严重时会烧坏电源或设备。

电力系统 中,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 )之间的接通。在三相系统中短路的基本形式有:三相短路,两相短路,单相接地短路,两相接地短路。相与相之间或相与地(或中性线)之间发生非正常连接(即短路)时而流过非常大的电流。其电流值远大于额定电流,并取决于短路点距电源的电气距离。短路就是不同 电势 的导电部分之间的低阻性短接,相当于电源未经过负载而直接由导线接通成闭合回路。(通常这是一种严重而应该尽可能避免电路的故障,会导致电路因电流过大而烧毁并发生火灾)。

电源短路(Short circuit)是指在电路中,电流不流经用电器,直接连接电源正负两极。根据 欧姆定律 I=U/R知道,由于导线的 电阻 很小,电源短路时电路上的电流会非常大。这样大的电流,电池或者其他电源都不能承受,会造成电源损坏;更为严重的是,因为电流太大,会使导线的温度升高,严重时有可能造成火灾。

基本类型

电源短路

即电流不经过任何用电器,直接由正极经过 导线 流回 负极 。特别容易烧坏电源。

由于电源内阻Ro较小,短路电流Is较大,电源的端电压为0,这时电源的 电动势 全部降在内阻上。短路电流可能使电源遭受机械的与热的损伤或毁坏,短路时电源所产生的 电能 全被内阻所消耗,短路通常是一种严重事故,应该尽力预防。

用电器 短路

也叫部分电路短路。即一根导线接在用电器的两端( 电流表 并联,闭合的开关并联),此用电器被短路,容易产生烧毁其他用电器的情况。

三相系统短路

三相系统中发生的短路有 4 种基本类型:三相短路,两相短路,单相对地短路和两相对地短路。其中,除三相短路时,三相回路依旧对称,因而又称对称短路外,其余三类均属不对称短路。在中性点接地的电力网络中,以一相对地的短路故障最多,约占全部故障的90%。在中性点非直接接地的电力网络中,短路故障主要是各种相间短路。

发生短路时, 电力系统 从正常的稳定状态过渡到短路的稳定状态,一般需3-5秒。在这一暂态过程中,短路电流的变化很复杂。它有多种分量,其计算需采用电子 计算机 。在短路后约半个周波(0.01秒)时将出现短路电流的最大瞬时值,称为冲击电流。它会产生很大的电动力,其大小可用来校验电工设备在发生短路时机械应力的动稳定性。短路电流的分析、计算是电力系统分析的重要内容之一。它为电力系统的规划设计和运行中选择电工设备、整定继电保护、分析事故提供了有效手段。电气线路上,由于种种原因相接或相碰,产生电流忽然增大的现象称短路。相线之间相碰叫相同短路;相线与地线、与接地 导体 或与大地直接相碰叫对地短路。在短路电流忽然增大时,其瞬间放热量很大,大大超过线路正常工作时的发热量,不仅能使绝缘烧毁,而且能使金属熔化,引起 可燃物 燃烧发生火灾。

短路容量

短路容量是反映 电力系统 某一供电点电气性能的一个特征量。短路容量是对电力系统的某一供电点而言的,反映了该点的某些重要性能,如该点带负荷的能力和电压稳定性、该点与电力系统电源之间联系的强弱、该点发生短路时、短路电流的水平等。其次,短路容量也和整个系统的容量有关。随着电力系统容量的扩大,系统短路容量的水平也会增大。高压开关设备的 额定容量 中,已将短路容量改用短路电流值,如额定开断电流。

短路原因

元件损坏

短路往往是由于绝缘损坏或接线不慎所引起的。例如设备 绝缘材料 老化,设计、制造、安装、维护不良等造成的设备缺陷发展成为短路。

气象条件影响

例如雷击过后造成的闪烁放电,由于风灾引起架空线断线和 导线 覆冰引起电线杆倒塌等。

人为破坏

例如工作人员带负荷拉闸,检修线路或设备时未排除 接地线 合闸供电,运行人员的误操作,偷电线和 美国 的 科索沃战争 、 伊拉克战争 时使用的 电网干扰弹 。

其他原因

挖沟损伤电缆,鸟兽风筝跨接在载流裸 导体 上等。

短路后果

产生大电流

短路有时会产生上万甚至十几万安的大电流。因此会产生大量的热量,损毁设备, 电弧 会将许多元件短时间融化。同时,产生的电流还会带来一定的电磁力,它同样会损坏设备。同样可能造成重大 火灾及伤害事件。

造成低电压

它会使电气设备无法正常工作。这种危害在医院矿山时会引起危险。

其他

还有干扰抑制与破坏系统的稳定运行,线损,热损, 无功功率 等增大,影响通信,通讯等等。

短路时,电流会往 电阻 较小(或电阻忽略不记的 导线 )的用电器(或导线)流,导致被短路的用电器(或电源)无法正常工作。

短路 之后灯泡两端的电压为0,灯泡不发光,此时回路中的电流会很大(如果回路中只有灯泡一个用电器),因此回路中的 电流表 容易被烧坏,电源也容易被烧坏。

短路电流计算

计算条件

(1)正常工作时,三相系统对称运行。

(2)所有电源的 电动势 相位角相同。

(3)系统中同步 异步电动机 均为理想电机,不考虑电机 磁饱和 磁滞 涡流 及 导体 集肤效应等影响, 转子 结构完全对称, 定子 三相 绕组 空间位置 差120度电气角。

(4)电气系统中的 磁路 不饱和,即带 铁心 的电气设备电抗值不随电流大小发生变化。

(5)电气系统中所有电源都在额定负荷下运行,其中50%负荷在高压母线上,50%负荷在系统侧。

(6) 同步发电机 具有自动调整 励磁 装置。

(7) 短路 发电在电流为最大值瞬间。

(8)不考虑短路点 电弧 阻抗 和变压器的励磁电流。

(9)除计算短路电流 衰减 时间和低压网络的短路电流外,元件的阻抗略去不计。

(10)元件的计算参数都取其额定值。

(11)输电线路的 电容 略去。

(12)用概率统计法制定短路电流运算曲线。

一般规定

(1)在验算 导体 和电气设备的动稳定,热稳定以及设备开断电流时所用的短路电流,应按可能发生最大短路电流的正常接线方式,而不应仅按在切换过程中可能并列运行的接线方式。

(2)选择导体和电气设备用的短路电流,在电气连接的网络中,应考虑具有反馈作用的 异步电动机 的影响。

(3)选择导体和电气设备时,对不带 电抗器 回路的网络,计算短路点应选择在正常方式时的短路电流为最大的地点。

(4)导体和 电容 的动稳定,热稳定以及电气设备的开断电流一般按三相短路计算。

计算步骤

假设条件

在 短路 的实际计算中,为了能在准确范围内迅速地计算短路电流,通常采 取以下简化假设。

(1)不考虑 发电机 的摇摆现象。

(2)不考虑 磁路 饱和,认为短路回路各元件的电抗为 常数 。

(3)不考虑线路对地电容,变压器的磁支路和高压电网中的 电阻 ,认为 等值电路 只有元件电抗。

在进行短路电流计算以前,应根据计算的目的收集有关资料,确定计算等值条件,然后根据运算条件作出计算电路图,再根据它对各故障点的情况作出等值电路图,然后利用网络化简规则,将等值电路化简,求出回路总电抗。

网络化简时等值电源合并的原则

(1)与短路点的电气距离相差不大的的同类型 发电机 可以合并。

(2)远离短路点的同类型发电厂可以合并。

(3)直接连接于短路点上的发电机(或发电厂)应予以单独考虑。

(4)网络中功率为无限大的电源应该单独计算,因为它提供的 短路 电流周期分量是不 衰减 的。

计算方法

电力系统 短路电流的计算方法通常有三种,即 标幺值 法,短路容量法(又称MVA法)和有名单位制法(又称欧姆法),高压系统中,一般采用标幺值法。

(1)假设

式中 SB—基准容量(MVA)

UB— 基准电压 (kV)

Uav—各电压级的平均额定电压(kV)

Ue—各级额定电压(kV)

(2)求变压器电抗标幺值

式中 X—变压器电抗 标幺值

—变压器短路电压百分比

SN—变压器 额定容量 ( MVA)

两台同型号变压器并联,总电抗标么值为单台的一半。

(3)求线路电抗的标幺值

式中 —线路电抗标幺值

L—线路长度(km)

注:两条同型号架空线并联,总电抗标幺值为单条的一半。

(4)求 短路 电流

式中 —短路电流 标幺值 (kA)

(5)求冲击短路电流

式中, —冲击短路电流(kA)

限制措施

继电保护为保证系统安全可靠地运行,减轻短路造成的影响,除在运行维护中应努力设法消除可能引起短路的一切原因外,还应尽快地切除短路故障部分,使系统电压在较短的时间内恢复到 正常值 。为此,可采用快速动作的继电保护和 断路器 ,以及 发电机 装设自动调节励磁装置等。此外,还应考虑采用限制短路电流的措施,如合理选择电气主接线的形式或运行方式,以增大系统 阻抗 ,减少短路电流值;加装限电流电抗器;采用分裂低压绕阻变压器等。主要措施如下:

(1)做好短路电流的计算,正确选择及校验电气设备,电气设备的额定电压要和线路的额定电压相符。

(2)正确选择继电保护的整定值和熔体的额定电流,采用速断保护装置,以便发生短路时,能快速切断短路电流,减少短路电流持续时间,减少短路所造成的损失。

(3)在变电站安装避雷针,在变压器附近和线路上安装避雷器,减少雷击损害。

(4)保证架空线路施工质量,加强线路维护,始终保持线路弧垂一致并符合规定。

(5)带电安装和检修电气设备,注意力要集中,防止误接线,误操作,在带电部位距离较近的部位工作,要采取防止短路的措施。

(6)加强管理,防止小动物进入配电室,爬上电气设备。

(7)及时清除导电粉尘,防止导电粉尘进入电气设备。

(8)在电缆埋设处设置标记,有人在附近挖掘施工,要派专人看护,并向施工人员说明电缆敷设位置,以防电缆被破坏引发短路。

(9) 电力系统 的运行、维护人员应认真学习规程,严格遵守规章制度,正确操作电气设备,禁止带负荷拉刀闸、带电合接地刀闸。线路施工,维护人员工作完毕,应立即拆除接地线。要经常对线路、设备进行巡视检查,及时发现缺陷,迅速进行检修。

防护措施

经常检查电气设备和线路的绝缘情况是一项很重要的安全措施。此外,为了防止 短路 事故所引起的后果,通常在电路中接入 保险丝 或空气 断路器 ,以便短路发生时,能迅速将故障电路自动切除。

除此之外,有很多限制短路电流的技术措施,如:

①合理的电源布局与接入方式,以及合理的网架结构,这是采用其他限流措施之前的 首选方案,不适用于已有电网;

②发展更高电压等级的电网,已有电压等级电网解列、分层、分区运行,具有明显的限流效果,也是根本的限流措施,但牺牲了一定的供电可靠性;

③直流联网 限流 效果明显,但成本高,仅从限流角度考虑经济性较差,而且多点直流输电技术的实用化还需时间;

④采用限流 电抗器 及 高阻抗变压器 等常规限流措施,具有一定的限流效果,但存在正常运行损耗及可能影响电网运行稳定性等问题;

⑤研究新的限流技术,开发新一代限流装置,它们目前正以其优良的限流特性而倍受关注,其中尤以 超导 限流器 和新型固态限流器为最。

典型应用

并非所有短路都是坏事,有时还需要利用短路来实现保护或者工作。具体应用有以下几个方面。

1 短路在保护接零系统(TN系统)中的应用

在图3中,设备外壳通过保护线与线路中N线作电气上的可靠连接,当设备的外壳与带电体相碰( 漏电 )时,保护线起到制造短路的作用。电流将从设备外壳经由零线流回中性点。由于零线 电阻 很小,所以这一短路电流很大,而经由人体到中性点的这条通路电阻很大,电流几乎为零。由此产生的大电流迫使线路中的保护元件作(如 保险丝 或 断路器 跳闸),使设备迅速脱离电源,从而避免触电事故的发生。而且总希望此时短路电流越大越好,因为短路电流越大,保护元件动作越快。可见在这种情况下,就是依靠短路电流达到保护的目的。

2 短路在电流互感器运行中的应用

电流互感器主要用来扩大测量交流电流量程,也是为了使测量仪表与高压电路隔开,以保证人身与设备的安全。其接线图如图4所示。

运行中的电流互感器二次侧绝对不允许开路。因为它的一次绕组是与负载串联的,其中电流 的大小取决于负载的大小。如果二次绕组电路断开,二次绕组的电流和 磁通势 立即消失,但一次绕组的电流 未变。这时铁心内的 磁通量 全由一次绕组的磁通势 产生,结果造成铁心内很大的磁通(因为此时二次绕组的磁通势为零,不能对一次绕组的磁通势起去磁作用了)。一方面使铁心损耗急剧增加,造成铁心过热,烧毁绕组;另一方面在二次绕组上感应出很高的 电动势 ,可能使绝缘击穿,并危及设备和人身安全。因此,二次侧绕组不能接 保险丝 ,如果需要拆除运行中的电流互感器二次侧的仪表如电流表、电能表等之前,必须先将其二次侧短路。此时的短路不仅是允许的,而且是必须的。

3 短路在电力变压器负载试验中的应用

变压器是一种常见的电气设备,在 电力系统 和电子线路中应用广泛。电力变压器在投入运行前或在运行过程中,需要进行一些试验,以保证电力变压器安全运行。试验项目包括: 变压器油 的简化试验、绝缘吸收比试验、耐压试验、空载试验及负载试验。其中负载试验的目的是测量变压器的负载损耗PK和 阻抗 电压Uk,以检查绕组实际结构是否符合技术要求。

实验时,将二次绕组短路(见图5),通过调压器调节电压,使得一次侧的电流等于额定电流,这时电压表V的读数就是变压器的阻抗电压Uk,功率表W测出的一次输入功率就是变压器的负载损耗PK。负载试验时,由于二次侧处于短路状态, 负载阻抗 等于零,输出功率也等于零,而在二次绕组中流过的电流恰好等于额定值,所以输入功率都为变压器自身所损耗。同时,试验时加在一次绕组上的电压Uk很低,一般仅为额定电压UN的5%~10%之间。因为电压低,铁心中的主 磁通量 也很少,仅为额定工作磁通的百分之几,所以铁耗PFe很小,因此变压器的负载损耗几乎就是变压器绕组的铜耗Pcu。

参考资料