[科普中国]-短路电流

概述

短路（Shortcircuit）是指在正常电路中电势不同的两点不正确地直接碰接或被阻抗（或电阻）非常小的导体接通时的情况。短路时电流强度很大，往往会损坏电气设备或引起火灾。电力系统在运行中，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。例如，在发电机端发生短路时，流过发电机的短路电流最大瞬时值可达额定电流的10～15倍。大容量电力系统中，短路电流可达数万安。这会对电力系统的正常运行造成严重影响和后果。

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。

供电网络中发生短路时，很大的短路电流会使电器设备过热或受电动力作用而遭到损坏，同时使网络内的电压大大降低，因而破坏了网络内用电设备的正常工作。为了消除或减轻短路的后果，就需要计算短路电流，以正确地选择电器设备、设计继电保护和选用限制短路电流的元件。1

计算目的计算短路电流的目的是为了限制短路的危害和缩小故障的影响范围。在变电所和供电系统的设计和运行中，基于如下用途必须进行短路电流的计算：

⑴选择电气设备和载流导体，必须用短路电流校验其热稳定性和动稳定性。

⑵选择和整定继电保护装置，使之能正确的切除短路故障。

⑶确定合理的主接线方案、运行方式及限流措施。

⑷保护电力系统的电气设备在最严重的短路状态下不损坏，尽量减少因短路故障产生的危害。

计算条件1.假设系统有无限大的容量。用户处短路后，系统母线电压能维持不变.即计算阻抗比系统阻抗要大得多。

具体规定：对于3~35KV级电网中短路电流的计算，可以认为110KV及以上的系统的容量为无限大。只要计算35KV及以下网络元件的阻抗。

2.在计算高压电器中的短路电流时，只需考虑发电机、变压器、电抗器的电抗，而忽略其电阻；对于架空线和电缆，只有当其电阻大于电抗1/3时才需计入电阻，一般也只计电抗而忽略电阻。

3.短路电流计算公式或计算图表，都以三相短路为计算条件。因为单相短路或二相短路时的短路电流都小于三相短路电流。能够分断三相短路电流的电器，一定能够分断单相短路电流或二相短路电流。2

简化计算法即使设定了一些假设条件，要正确计算短路电流还是十分困难，对于一般用户也没有必要。一些设计手册提供了简化计算的图表。省去了计算的麻烦，用起来比较方便。

在介绍简化计算法之前必须先了解一些基本概念。

主要参数Sd：三相短路容量(MVA），简称短路容量校核开关分断容量。

Id：三相短路电流周期分量有效值，简称短路电流校核开关分断电流和热稳定。

Ic：三相短路第一周期全电流有效值，简称冲击电流有效值校核动稳定。

ic：三相短路第一周期全电流峰值，简称冲击电流峰值校核动稳定。

x：电抗（Ω）。

其中系统短路容量Sd和计算点电抗x是关键。

标幺值计算时选定一个基准容量（Sjz）和基准电压（Ujz)。将短路计算中各个参数都转化为和该参数的基准量的比值（相对于基准量的比值），称为标幺值（这是短路电流计算最特别的地方，目的是要简化计算）。

⑴基准

基准容量Sjz=100MVA。

基准电压Ujz规定为8级：230、115、37、10.5、6.3、3.15、0.4、0.23KV。

⑵标么值计算

容量标幺值S*=S/Sjz。例如：当10KV母线上短路容量为200MVA时，其标么值容量为：S*=200/100=2。

电压标幺值U*=U/Ujz；电流标幺值I*=I/Ijz。

(3)无限大容量系统三相短路电流计算公式

短路电流标幺值：Id*=1/x*（总电抗标么值的倒数）。

短路电流有效值：Id=Ijz*I*d=Ijz/x*(KA).

冲击电流有效值：Ic=Id*√1+2(KC-1）2(KA），其中KC冲击系数，取1.8，所以Ic=1.52Id。

冲击电流峰值：ic=1.41*Id*KC=2.55Id(KA)。

当1000KVA及以下变压器二次侧短路时，冲击系数KC，取1.3。

这时：冲击电流有效值Ic=1.09*Id(KA)。

冲击电流峰值：ic=1.84Id(KA)。

掌握了以上知识，就能进行短路电流计算了.公式不多，又简单。但问题在于短路点的总电抗如何得到?例如：区域变电所变压器的电抗、输电线路的电抗、企业变电所变压器的电抗，等等。

一种方法是查有关设计手册，从中可以找到常用变压器、输电线路及电抗器的电抗标幺值.求得总电抗后，再用以上公式计算短路电流；设计手册中还有一些图表，可以直接查出短路电流。3

举例发生短路常见原因之一是电池的正极与负极被低电阻的导线连接在一起。这时，较大的电流使得电源在短时间内提供大量的能量。

强大电流使热量迅速的产生并大量积累，进而导致电池的爆炸或释放氢气和电解质。较大电流通过的导线也可能过热，造成绝缘层损坏，引起火灾。电动机叶片被卡住，也可能会导致短路。

在电气设备中，短路通常是由于意外或绝缘层脱落。

短路还可能会导致电弧的产生。电弧是一种气体放电现象，电流通过某些绝缘介质（例如空气）所产生的瞬间火花。它对会对输电系统、配电系统以及电子设备造成损害。

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危害电力系统中出现短路故障时，系统功率分布的忽然变化和电压的严重下降，可能破坏各发电厂并联运行的稳定性，使整个系统解列，这时某些发电机可能过负荷，因此，必须切除部分用户。短路时电压下降的愈大，持续时间愈长，破坏整个电力系统稳定运行的可能性愈大。短路电流的限制措施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。

防范措施一、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。

二、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。

三、在变电站安装避雷针，在变压器四周和线路上安装避雷器，减少雷击损害。

四、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。

五、带电安装和检修电气设备，注重力要集中，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。

六、加强治理，防止小动物进入配电室，爬上电气设备。

七、及时清除导电粉尘，防止导电粉尘进入电气设备。

八、在电缆埋设处设置标记，有人在四周挖掘施工，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。

九、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。4