短路电流基本知识与保护措施

1、短路电流基本知识与保护措施 摘要：在电力系统中，短路电流对各种电气设备及人身安全造成了极大的危害。本文阐述了短路电流的基本概念，介绍了短路电流的计算方法，并对常用的保护措施以及限制措施进行了归纳总结。 关键词：短路电流基本概念；短路保护措施；限制短路电流的措施 电力系统中出现短路故障时，会破坏整个电力系统的稳定运行，造成对电力用户的影响，发生严重情况时，还会危及人身和设备的安全。熟悉掌握短路故障的基本概念，合理有效地控制短路电流，十分必要。在运行维护中首先应当做好短路故障发生的预防工作，如果已发生短路故障，应尽快将故障部分切除，使系统电压在有限的时间内恢复正常值，以保证系统的安全性、可靠性。

2、1短路电流基本知识 1.1短路电流基本概念 短路故障是带电导体之间非正常的金属性接触，通常故障电流很大，危害主要有以下两个方面：（1）大电流在电气装置、配电线路以及开关电器等带电导体间产生很大的机械应力，使得带电导体及其固定件变形、扭曲、松动甚至断裂，严重破坏配电系统的正常运行。（2）大电流导致带电导体及连接件温度急剧上升，使得电线、电缆的绝缘材料损坏或失效，温度过高引起可燃物燃烧，造成火灾导致严重后果。在三相交流系统中，短路故障主要有四类：（1）三相短路；（2）两相间短路；（3）两相接地短路；（4）单相短路。以上几种短路中，仅三相短路为对称短路，且通常三相短路电流最大。在短路发生的过程中，电

3、流变化的情况主要与以下两点相关：（1）系统容量大小；（2）短路点距离电源的远近。在平时的计算过程中，如果计算出的电抗标幺值X·c3时（供电电源容量为基准），我们可近似认为电源母线电压维持不变，不考虑短路电流交流分量的衰减，即无限大容量的系统，我们又称为远端短路。若计算出来的电抗标幺值X·c3（供电电源容量为基准），应考虑短路电流交流分量的衰减进来，即有限容量系统，我们又称为近端短路。短路电流计算方法有两种：IEC法，目前在国际上广泛应用；实用法，在国内电力行业广泛应用；本文主要对实用法进行简单介绍。在短路电流计算中，我们应求出最大短路电流值，用于电气设备的动热稳定效验以及整

4、定继电保护装置。同时，最小短路电流值也应当求出，用于效验继电保护装置的灵敏系数。 1.2高压系统短路电流计算 在知道短路电路的各项参数，如电源容量、系统电压、系统阻抗等，再经过网络变换化为最简电路，计算求得短路点与电源之间的等值总阻抗，利用公式即可求出短路电流。短路电流的计算可以采用标幺制或有名单位制。标幺制主要应用于高压网络，有名单位制主要应用于1KV以下的低压网络。（1）标幺制。标幺制是一种相对单位制，为有名值与基准值之比。在计算过程中，首先，应当确定基准容量Sb和基准电压Ub的值，后利用公式对应求出基准电流Ib=Sb/3Ub、基准电抗Xb=Ub/3Ib，电路元件电抗的标幺值X*=X/Xb

5、=3IbX/Ub=SbX/Ub²，最终可求得三相短路电流初始值Ik=Ib/X*。在计算过程中，基准容量虽然可以任意选定，但通常为了计算简便，基准容量Sb一般选定为100MVA；若为近端短路，一般选取发电机（馈送短路电流者）额定容量SrG作为基准容量。基准电压Ub通常取各电压级的平均电压Uav，即Ub=Uav=1.05Un（Un为系统的标称电压）。采用标幺制计算时，元件阻抗的有名值和相对值都应按基准容量换算为标幺值，且基准电压应采用平均电压。电路元件阻抗标幺值和有名值的换算公式可参见工业与民用供配电设计手册（第四版）表4.6-3。（2）有名单位制。采用有名单位制计算时，虽元件分属不同电

6、压级，但各元件阻抗的相对值和欧姆值，都应当归算到短路点所在级的平均电压。三相短路电流初始值Ik=Uav/3Xc，如果RcXc/3，则应计入有效电阻Rc，则Ik计算式变化为Ik=Uav/3Zc（其中Zc为短路电路总阻抗，RC为短路电路总电阻，Xc为短路电路总电抗）。电路元件阻抗标幺值和有名值的换算公式可参见工业与民用供配电设计手册（第四版）表4.6-3。 1.3低压系统短路电流计算方法 在低压系统的三相短路电流计算中，考虑系统为对称情况，三相短路中仅有正序分量，无须引入序阻抗的概念，各元件的相阻抗即相正序阻抗。而在单相短路（包括单相接地故障）计算中，系统发生不对称短路，且短路发生处距离发电机较远

7、，可认为所有元件的负序阻抗与正序阻抗相等，此类计算中我们需要引入序阻抗和相保阻抗的概念。经过总结与简化，可以列出低压系统短路电流计算的通用公式：单相短路电流Ik1=220/Rphp²+Xphp²，三相短路电流的初始值Ik3=230/Rk²+Xk²（其中Rphp为短路电路的相保电阻，Xphp=短路电路的相保电抗，Rk=短路电路的总电阻，Xk=短路电路的总电抗）。 1.4短路电流计算结果的主要应用 （1）根据短路电流计算结果，比较和选择电气接线方案。（2）正确选择和效验电气设备及载流导体。（3）确定继电保护的选择和整定，以及灵敏系数的校验。（4）确定中性点接

8、地方式。（5）对接地装置的接触电压以及跨步电压进行验算。（6）大中型电动机的起动压降计算。可以根据最大短路电流值选择电气设备容量参数以及继电保护装置，根据最小短路电流值可以效验继电保护装置灵敏系数。另可利用阻抗标幺值计算来校验电动机起动的电压降。 2短路保护措施 在发生短路故障时，我们应当采取有效的措施，避免有害后果的发生。因此，对短路保护电器的选型和参数设定尤为重要，短路电流会对导体及其连接件产生热效应和机械效应，造成线路及其绝缘损坏，以致引起电气火灾危害。合理选择保护电器，在危害前可靠切断电源是短路保护的基本要求。 2.1短路保护电器的类型 （1）gG熔断器和aM熔断器（反时限动作特性）：

9、短路特性极佳的保护电器，具有良好的限流特性，对于被保护回路的安全十分有利，其允通能力（I²t）值很小，大大降低了短路时发热对线路导体截面积的要求。（2）断路器的瞬时过电流脱扣器：目前供配电系统中应用最广泛的短路保护电器，同样具有良好的限流特性，而且技术仍在不断发展进步。（3）选择型断路器的短延时过电流脱扣器：可实现选择性切断，缩小切断电路的范围，具有明显的优越性，但其价格昂贵，常用于电流较大、可靠性要求高的馈线回路。 2.2保护电器的装设 保护电器的装设要求如下：（1）每段配电线路都应装设短路保护电器（电源切断可能导致电气装置的运行出线危险的回路除外）。（2）每段配电线路只装设一台保

10、护电器，一段线路不宜装设两台保护电器，更不应装设三台，必要时可装设隔离开关。过多的保护电器将增加切断电路的概率，降低配电系统的可靠性和选择性。（3）配电线路的分支处以及导体的截面减小处应装设保护电器。（4）在配电箱和控制箱的进线处不应装设保护电器，因为在该配电线路的首端已经设置了保护电器。 2.3保护电器的兼用 在配电系统中，每个配电回路都应设置保护电器，而这个保护电器通常兼作过负荷保护、接地故障保护和短路保护。断路器的脱扣器具有两种或四种功能（非选择性和选择性的区别），分别发挥不同的故障保护作用；而熔断器仅有一组熔断体，需同时满足以上三项保护的技术要求。 3限制短路电流的措施 3.1影响短路

11、电流的因素 （1）主接线的形式及运行方式。（2）电力系统的电压等级。（3）电力系统中各元件的正、负、零序阻抗的大小。（4）系统中是否采用了限流电抗器、限流型电气设备、故障电流限制器等。 3.2限制短路电流的措施 （1）电力系统可采取的限流措施：提高电压等级；采用直流输电；增大系统的零序阻抗；在电力系统主网加强联系后，将次级电网解环运行；装设故障电流限制器。（2）发电厂和变电站中可采取的限流措施：在发电厂的发电机电压母线分段回路中安装电抗器；变压器采用分列运行方式；装设电抗器于变压器回路；出线上装设电抗器；采用低压侧为分裂绕组的变压器。（3）终端变电站中可采取的限流措施：变压器采用分列运行方式；变压器采用高阻抗型；装设电抗器于变压器回路；选用较小容量的变压器（当Uk一定时，变压器的容量越小，变压器的阻抗越大）。 4结语 随着我国电力系统的不断进步完善，在电气设计中应有效地限制短路电流对