短时耐受电流试验分析.

短时耐受电流能力试验第一节概述短时耐受电流能力试验，是用来考核开关电器在发生过载和短路故障的情况下，并不分断电路但应能承受短时间、大电流所形成的点动力和热效应的作用而不致破快的能力。

由于开关电器所使用的场合不同，短时耐受电流能力试验可分为两种：（1）额定短时耐受电流的承载能力试验。

（2）耐受过载电流能力试验。

低压配电线路发生短路故障时，由于线路总阻抗减小，短路电流超过该线路的额定电流许多倍，对于大容量的低压配电系统，短路电流可能达到几万到几十万安培。

短路电流产生的巨大电动力效应和热效应会使导体变形、绝缘破坏、短路电路中的电气元件损坏。

装置在线路上的电器在短路障碍的短暂时间内应该能经受住短路电流的冲击，不受破坏。

笼型电动机启动时，电动机的启动电流较大，一般均大于6倍电动机的额定电流，用于接通和分断电动机的电器，应能耐受由于启动和加速电动机过程中出现的过电流及正常工作中一定时间内过载所引用的过电流产生的热效应。

短路故障电流通过电器时，同时产生点动力效应和热效应，并同时对电器起作用，而且这两种效应对电器的破坏作用又是相互关联的。

电动力效应在电器的动、静触头间所产生的斥力可使触头的接触电阻增大，从而增大触头的发热，即热效应增加。

而热效应可使电器的所有载流部件的机械强度下降，从而降低了耐受电动力的能力。

因此，电动稳定性试验和热稳定性试验严格说来是不应该分开进行的。

短时耐受电流能力试验就是对电器的电动稳定性和热稳定性的一种综合考核。

图7-1 平行直流载流导体间的电动力一、电动力分析因为通有电流的导体在其周围要形成 磁场，而处于磁场中的载流导体要受到机械力的作用，所以两个载流导体 之间也同样存在机械力的作用，这种由于电流的存在而产生的力通常称为电动力。

1、两导体间的点动力。

如图7-1所示的两平行直线导体，导体a 中通过的电流1I 在导体b 处产生磁场，其强度为B ，B 的大小正比于导体a 中的电流1I 值，即1B I ∞，磁场的方向可用右手螺旋定则来确定。

处于磁场中载流导体b 受到电动力F 的作用，磁场对载流导体的作用力方向可用左手定则来判定，而F 的大小正比于磁感应强度B 和导体b 中的电流2I ，即2F BI ∞12I I ∞。

同理可知，处于载流导体b 所产生的磁场中的载流导体a 同样受到电动力F 的作用。

a 、b 两导体的电动力可简单表示为12F CI I = （7-1）式中 F ——每相导体上所受的点动力；C ——单位电流的电动力，决定于导体的回路形式、导体长度及相互间的位置；12I I ——导体中所通过的电流值。

在电器结构中的载流导体间，如图7-2所示的两平行或垂直的直流载流导体、两同轴线且平行放置的载流线圈、环形或U 形回路等，都有电动力的相互作用。

图7-2 各种导体布置的电动力在式（7-1）中，如123I I I ==，则2F CI = （7-2）由式（7-2）可知，导体间相互作用的电动力F 不仅与通过导体的电流有关，也与电器的结构尺寸有关。

但力F 与电流I 的平方成正比，因此电流大小对电动力的影响是主要的。

2、触头间的电动力当电流通过触头的接触点时，由于电流线在接触面附近发生收缩，在触头间会产生点动力，这是一种电流自身磁场作用下的电动力，如图7-3所示。

如果把电流线看作载流元导体，各元导体所受电动力F 垂直于电流线，将电动力F 分解成水平方向分力x F 和垂直方向分力y F ，因电流线分布对称，则水平方向分力相抵消，接触面两侧垂直方向分力相加，且其合力方向相反，这就是触头间的电动斥力。

根据触头接触面附近电流的收缩区电流——电位场的理论分析，触头间的电动斥力d F 与触头电流I 的平方成正比，当短路故障电流通过触头时，在触头间产生很大的电动斥力，当电动斥力大于触头压力时，就会使触头斥开而产生电弧，导致触头的严重烧损或发生触头熔焊，甚至整合电器遭到破坏，以致扩大短路事故。

3、交流电流时的电动力式（7-2）同样适用于交流电，设导体系统中通有相位相同的单相正弦电流时的电流式中 m I ——交流正弦电流的幅值。

则导体所受的电动力为()22221cos 2sin 2m m CI t F Ci CI t ωω-=== 2211cos 222m m CI CI t F F ω'''=-=+ 由式（7-4）可知，单相交流正弦电流的电动力由两部分所组成：一部分为恒定分量F '，也是交流电动力的平均值；另一部分是交变分量F ''，它以两倍电源的频率而变化。

单相交流电流时电动力随时间的变化规律如图7-4所示。

从图7-4可见，电动力的最大值为恒定分量的两边，即2max 2m F F CI '==电动力的最小值为min 0F =电动力的作用方向不变。

图7-4 单相交流电流的电动力曲线当发生单相短路时，短路电流的过渡过程中常包括周期分量和非周期分量两部分，周期分量的大小和回路的功率因素角、短路瞬间电压的相位角有关。

设短路前电流为零，短路时的电源电源为()sin m U U t ωψ=+式中 m U ——交流电源电压的幅值；ψ——短路瞬间电压的相位角。

根据短路的过渡过程分析，短路电流为sin()sin()R t m m L U U i t e Z Zωψϕψϕ-=+--- sin (t+-)sin (-)R t L m I e ωψϕψϕ⎡⎤=-⎢⎥⎣⎦i i '''=+式中 Z ——电路阻抗；ϕ——电流滞后电压的相角；R ——电路电阻；L ——电路电感；m I ——短路电流周期分量的幅值。

式（7-6）中第一项为周期分量即稳态分量i '，第二项为非周期分量即暂态分量i ''。

图7-5给出了单相短路电流随时间的变化规律。

图7-5 单相短路电流曲线由式（7-6）可知，当合闸相角ψϕ=时，电流中非周期分量为零，也就是说，短路后不经过过渡过程而立即立即进入稳定状态。

当合闸相角2ψϕπ=-时，非周期分量电流最大，短路电路过渡过程最长。

要计算可能发生的最大电动力，就应按可能出现的最大电流来考虑。

当2ψϕπ=-时候，i 最大，即[sin(t-)sin (-)]22R t L m i I e ππω-=-cos R t L m I t e ω-⎛⎫=-+ ⎪⎝⎭（7-7） 当t ωπ=，即0.01t s =，cj i i =，即第一个周期电流峰值，称为短路冲击电流。

此时出现最大电动力，即2max cj F Ci =。

与此相应所产生的电动力随时间的变化曲线如图7-6所示。

可知，电动力的方向不变，而电动力的数值是变化的，可将电动力随时间的变化曲线分为两列半波，一列半波有逐渐减小的峰值；另一列半波有逐渐增大的峰值。

当电流达到稳定值后，短路电流中非周期分量即完全消失，此时电动力的两列半波的峰值也趋于相等，电器结构的机械强度应以电动力的最大值来参考，因此，允许通过的最大峰值电流是短时耐受电流能力试验的一项主要参数指标，称为峰值耐受电流，这一电流一般相当于短路电流第一个周波的峰值。

在三相交流电流系统中，如果各相的负载相同就，即在负载对称的情况下，则各相电流也必然是正弦对称三相电流，即各相电流的幅值相等而相位互差120。

三相电力系统的短路形式有多重，其短路电流值及电动力也均不相同。

在三相对称短路时，由于各相电流的相位不同，各相短路电流交替改变其大小和方向，三相导体之间的电动力要由电流瞬时值的大小和方向来决定，在同一短路电流值下，单相短路的电动力大于三相短路的电动力。

这是因为在单相短路时，两相位导体中同时出现短路电流的最大峰值，所以电动力最大；而三相对称短路时，在三相导体系统中不会同时出现短路电流的最大峰值，三极开关电器在进行三相交流短时耐受电流能力试验时，除各相的第一周期峰值电流不相同以外，如果第一个周期最大峰值电流是出现在三相的中间相或是出现在三相的边相（任一边相），其综合电动力也将不同。

根据计算分析可知，当第一个周期最大峰值电流出现在中间相时将在此开关极上产生最大的电动力、它比第一个周期最大峰值电流出现在边相上时的电动力更大。

但也必须指出，这时试品更合理的做法应是，采用选相合闸开关把最大峰值电流轮流地加在每极上依次考核。

二、热效应的概念电网发生短路的一种严重故障，要求保护电器必须迅速动作，在几秒钟或更短的时间内切除故障。

因此，这就要求主电路上的电路能承受短时间内的短路电流发热的考验。

即电器能承受故障电流所形成的热效应作用而不致被破坏。

电器的导体被短路电流加热的特征是：电流的数值很大而持续时间很短。

在这很短的时间内，由短路电流所产生的热量几乎全部用来升高导体自身的温度，而来不及向周围散热。

因此，电路温度上升很快。

如果由于线路发生短路，电流突然猛增至电器额定电流的几十倍甚至上百倍时，就会在电器中产生强烈的发热。

当温升超过一定的限度时，电器的导电零件和触头等就必然发生熔焊、变形或机械轻度降低；绝缘材料也必然迅速老化，绝缘性能下降；甚至烧毁整台产品，进而扩大短路事故。

如果电器通电后，其全部发热均为电器吸收，并使其温度升高（散热为零），则热平衡关系变为Pdt cmd τ= （7-8） 2ad K R I t cmτ= （7-9） 式中 τ——发热体的温升；ad K ——附加损耗系数；R ——发热体电阻；C ——发热体比热容；m ——发热体质量。

由式（7-9）可知，电器在绝热情况下，温升τ与2I t 成正比。

因此，除第一个周期峰值电流外，稳态电流I 和通电持续时间t 也是考核短时耐受电流能力的两个主要 参数指标。

前者称为短时耐受电流，对交流来说是周期分量有效值；对直流来说是稳态电流值。

第二节 额定短时耐受电流的承载能力试验额定短时耐受电流的承载能力试验是考核电器在实际运行中当电路发生短时短路故障时是否能耐受此电流的一种模拟试验。

由于在试验过程中电器只承载试验电流，而不接通也不分断此试验电流，因此，它与前述的短路接通和分段能力试验及温升试验既有相同点又有不同点。

相同点是短路故障电流较大，因而对试验设备和线路的要求基本相同；不同点是时间很短，不油被试电器分断试验电路，而是人为切断电源。

I，电器的额定短表征电器承载短路电流能力的参数是额定短路耐受电流cw时耐受电流是在有关产品标准规定的试验条件下电器能够无损地承载的短时耐受电流值。

该值由制造厂规定。

现以低压断路器产品为例介绍额定短时耐受电流的承载能力试验方法。

一、试验条件进行额定短时耐受电流的承载能力试验时，被试电器和试验电路等应满足如下要求。

1、被试电器（1）试验应该在完好的电器上进行。

（2）被试电器应按正常使用情况接线并完整安装在其固有支架或等效的支架上。