第六章 短路电流及计算

第六章短路电流及计算

第一节短路的原因及后果

一、短路的原因

短路是指系统正常运行情况以外的，一切相与相之间或相与地之间金属性短接或经过小阻抗短接。

供配电系统发生短路故障的主要原因有：

1．电气设备载流部分的绝缘损坏。这种损坏可能是由于设备的绝缘材料自然老化；或由于绝缘强度不够而被正常电压击穿；

2．设备绝缘正常而被各种形式的过电压（包括雷电过电压）击穿；

3．如输电线路断线、线路倒杆或受到外力机械损伤而造成的短路。

4．工作人员由于未遵守安全操作规程而发生人为误操作，也可能造成短路。

5．一些自然现象（如风、雷、冰雹、雾）及鸟兽跨越在裸露的相线之间或相线与接地物体之间，也是造成短路的一个原因。

二、短路后果

1．短路电流增大，会引起电气设备的发热，损坏电气设备。

2．短路电流流过的线路，产生很大的电压降，使电网的电压突然下降，引起电动机的转速下降，甚至停转。

3．短路电流还可能在电气设备中产生很大的机械力（或称电动力）。此机械力可引起电气设备载流部件变形，甚至损坏。

4．当发生单相对地短路时，不平衡电流将产生较强的不平衡磁场，对附近的通迅线路、铁路信号系统、可控硅触发系统以及其他弱电控制系统可能产生干扰信号，使通讯失真、控制失灵、设备产生误动作。

5．如果短路发生在靠近电源处，并且持续时间较长时，则可导致电力系统中的原本并联同步（不同发电机的幅值、频率、波形、初相角等完全相同吻合）运行的发电机失去同步，甚至导致电力系统的解列（电力网中不同区域、不同电厂的发电机无法并列运行），严重影响电力系统运行的稳定性。

第二节短路故障的种类

供电系统中短路类型与电源的中性点是否接地有关，在中性点不接地系统中，可能发生的短路有三相短路、两相短路。而在中性点接地系统中，可能发生的短路除三相短路及两相短路外，尚有单相接地短路及两相接地短路。图6-1是不同的短路故障的故障图。

图6-1 短路类型（虚线表示短路电流的路径）

一、相间短路

1．三相短路

三相短路指供电系统中三相导线间同时短接。此时系统每相的阻抗均相同，从电源到负载三相仍然对称，故又叫对称性短路。

2．两相短路

两相短路指三相供电系统中，任意两相间发生的短接。两相短路属于非对称性短路。

二、接地短路

1．单相接地短路

单相接地短路指在中性点接地系统中，任意一相经大地与电源中性点发生短接。

2．两相接地短路

两相接地短路指在中性点不接地系统中，其中两不同相的单相接地所形成的相间短路；也指在中性点接地系统中，两相短路又接地的情况。

三、断相故障

断相故障是指供电系统一相断开或两相断开的情况，这种故障属于不对称故障。

系统故障电流的大小与短路类型有密切关系，在中性线直接接地的电力系统中，两相短路电流约为三相短路电流的87%，单相接地短路电流约在三相短路电流的60～125%之间。

第三节 系统中性点运行方式

电力系统中发电机的三相绕组通常是星形联结的，变压器高压侧绕组往往也是星形联结的，发电机、变压器绕组星形联结的结点称为中性点。 一、中性点不接地系统

系统中性点不接地是指系统中性点对地绝缘。实际上，系统中线路与大地之间、电气设备的线圈与大地之间存在分布电容，故此接地系统相当于电容接地。如图6-2所示。

图6-2 中性点不接地系统

系统在正常运行状态下，由于三相对称，三相对地充电电流的相量和为零，中性点的对地电压

为零。

.

.

.

.

0.

3

.2.

.

1=++==++w v u u u u U U

U U

3.

2.

.

1=++I I I

当系统发生单相接地短路（如L3相W 点）后，L3相的W 点为地电位，L3相W 点与地形成的回路中电压方程为：

0.

0.

.

=+=w W u U U

式中 W U .

──线路的相电压（V ）；

w u .──发电机、变压器绕组的相电压（V ）；

.U

──系统中性点的对地电压（V ）。

中性点的对地电压

w u U .

0.-=

即，中性点的电压上升为相电压，图6-2（b ）中0.

U 指向-w u .

。

其他两相对地电压为

︒

-=

-=+=150..

.

.

.

0.

.

3j w w u u U e

u u u u U U

︒=-=+=150.

.

.

.

.

0.

.

3j w w v v V e u u u u U U

式中 v U .、u U .、w U .

──线路的相电压（V ）；

v u .

、u

u .

、w u .

──发电机、变压器绕组的相电压（V ）；

.U

──系统中性点的对地电压（V ）。

即非故障相的相电压由相电压升高为线电压，图6-2（b ）中U U .

到UW U .

，V U .

到VW U .

。

由此可见，单相接地后系统UV U .

、VW U .

、UW U .

三者之间仍是一个对称三角形，因此三相的线电压对称关系并未被破坏，仅中性点及各相对地电压发生变化，非故障相对地电压值增大为3倍相电压，相间电压不变，仍然对称。故对于该中性点不接地系统可以带故障继续运行2小时。

系统正常运行时，由于三相电压对称、三相分布电容对称且相等，故三相对地电容电流对称，和为零。

系统发生单相接地短路故障后，接地故障点通过的故障电流是两非故障（L1、L2）对地电容电流之和。

CW

w

j j w V U CV CU d I U C j e

e

u C j U C j U C j I I I .

.150150.

.

.

.

.

.

33)(3==+⨯

=+=+=︒

︒

-ωωωω

由于非故障相电压上升为线电压，扩大了3倍，非故障相的对地电容电流也扩大3倍，故障点通过的电流是非故障相间的线电流（3倍的相对地电容电流）。所以故障点通过的电流为正常运行时每相对地电容电流的3倍。

由于中性点不接地系统发生单相接地后，可以带故障运行2小时，在我国系统电压6～10kV 之间的农村架空供电线路，由于线路绝缘水平低，单相接地故障多，为了提高供电可靠性而采用此系统供电。

二、中性点直接接地系统

系统中性点经一无阻抗（金属性）接地线接地。

中性点直接接地方式是将变压器中性点与大地直接连接，中性点电压为地电位。正常运行时，中性点无电流通过，单相接地时构成单相短路，接地回路通过单相短路电流，各相之间不再对称。由于短路电流很大，可能会大于三相短路电流，引起暂态过电压。为了防止这种情况发生，应将单相短路电流限制在25%～100％三相短路电流之间。继电保护在此电流的起动下，迅速将故障线路切除，为了提高供电可靠性，可在线路上加装自动重合闸装置。

采用中性点直接接地方式的系统，对线路绝缘水平的要求较低，能明显降低线路造价。其缺点之一是单相接地短路对附近的通讯线路有电磁干扰，为此，电力线路应远离通讯线路，当两线有交叉时，必须有较大的交叉角，以减少干扰的影响。 此接地系统一般应用在接有单相负载的低压（380/220V ）配电系统和电力系统高压（110kV 以上）输电线路上。

三、中性点经阻抗接地系统

在系统中性点与大地之间用一阻抗相连。

根据接地电阻器电阻值的大小，接地系统分为高电阻接地和低电阻接地。

（1）高电阻接地：此种方式接地电流较小，通常在5～10A 范围内，但至少应等于系统对地的总电容电流。保护方式需要配合接地指示器或警报器，保证故障时线路立即跳脱。目前在我国山区35kV