淺談電力系統線路短路電流計算、應用及限制措施

摘 要：文章介紹了電力系統發生短路的原因，短路電流的計算及應用，限制短路電流的措施。

關鍵詞：短路電流；應用；限制措施

短路是指不同電位的導體之間的電氣短接，這是電力系統中最常見的一種故障，也是最嚴重的一種故障。

電力系統出現短路故障，究其原因，主要有以下三個方面：

（1）電氣絕緣損壞；（2）誤操作；（3）鳥獸害。

電路短路后，其阻抗值比正常時電路的阻抗值小得多，因此短路電流往往比正常電流大許多倍。在大容量電力系統中，短路電流可達幾萬安培或幾十萬安培。如此大的短路電流對電力系統可造成極大的危害：

（1）短路電流的電動效應和熱效應；（2）電壓驟降；（3）造成停電事故；（4）影響電力系統穩定；（5）產生電磁干擾。

由此可見，短路的后果是非常嚴重的，因此供配電系統在設計、安裝和運行中，都應盡力設法消除可能引起短路故障的一切因素。

在三相系統中，可有下列短路形式：

（1）三相短路；（2）兩相短路；（3）單相短路；（4）兩相接地短路。

電力系統中，發生單相短路的可能性最大，而發生三相短路的可能性最小。但一般是三相短路電流最大，造成的危害也最嚴重。為了使電氣系統中的電氣設備在最嚴重的短路情況下也能可靠工作，因此作為選擇校驗電氣設備的短路計算中，以三相短路計算為主。

對于無限大容量電力系統計算短路電流常用的方法有歐姆法和標幺制法。進行短路電流計算，首先要繪出計算電路圖。在計算的電路圖上，將短路計算所要考慮的主要參數都表示出來，并將元件依次編號，然后確定短路計算點。短路計算點要選擇得使需要進行短路校驗的電氣元件有最大可能的短路電流通過。接著，按所選擇的電路計算點繪出等效電路圖，并計算電路中各主要元件的阻抗。在等效電路圖上，只要將所計算的電路電流所流經的一些主要元件表示出來，并標明其序號和阻抗值，一般是分子標序號，分母用復數的形式標阻抗值。然后將等效電路化簡。對一般用戶供配電系統來說，由于將電力系統當作無限大容量系統，而且短路電路也比較簡單，因此一般只需采用阻抗串并聯的方法即可將電路化簡，求出其等效總阻抗。最后計算電路電流和短路容量。

對于低壓系統短路電流的計算方法采用歐姆法。但低壓系統短路電流的計算具有一下特點：

（1）一般用電單位的電源來自地區大中型電力系統，配電用的電力變壓器的容量遠小于系統的容量，因此短路電流可按遠離發動機端，即無限大電源容量的網絡進行計算，電路電流周期分量不衰減。

（2）計入短路電路各元件的有效電阻，但短路點的電弧電阻、導線連接點、開關設備和電器的接觸電阻可忽略不計。

（3）當電路電阻較大，短路電流直流分量衰減較快，一般可以不考慮直流分量。只有在離變壓器低壓側很近處，例如低壓側20m以內大截面線路上或低壓配電屏內部發生短路時，才需計算直流分量。

（4）單位長度有效電阻的計算溫度不同，在計算三相最大短路電流時，導體計算溫度取為20℃；在計算單相電路電流時，假設的計算溫度升高，電阻值增大，其值一般為20℃的1.5倍。

短路電流計算結果應用于：

（1）電氣接線方案的比較和選擇；（2）正確選擇和校驗電氣設備（包括限制短路電流的設備）；（3）正確選擇和校驗載流導體；（4）繼電保護的選擇、整定及靈敏度校驗；（5）接地裝置的設計及確定中性點接地方式；（6）計算軟導線的短路搖擺；（7）確定分裂導線間隔棒的間距。架空線當傳輸容量較大時，導線采用分裂導線，為了避免由于電磁力作用、風力作用和冰雪作用，分裂導線纏繞發生摩擦和碰線，而保持一定的分裂間距應安裝間隔棒；（8）驗算接地裝置的接地電壓和跨步電壓；（9）大、中型電動機的起動（起動壓降計算）。

影響短路電流的因素有：

（1）系統的電壓等級；（2）主接線形式以及主接線的運行方式；（3）系統的元件正負序阻抗及零序阻抗大小（變壓器中性點接地點的多少）；（4）是否加裝限流型電器（如限流電抗器、分裂電抗器或分裂繞組變壓器，增加回路電抗限制短路電流）；（5）是否采用限流型電器（如限流熔斷器、限流低壓斷路器，能在短路電流到達沖擊值之前完全熄滅電弧起到了限流作用）。

短路電流給設備和線路帶來了危害，因此必須采取措施限制短路電流。具體措施如下：

1 電力系統可采取的措施

1.1 提高電力系統的電壓等級（電壓等級高，在相同的短路容量下則短路電流小）。

1.2 直流輸電（直流系統的“定電流控制”將快速地將電路電流限制在額定電流左右，即使在暫態過程也不超過2倍額定值，可限制短路電流）。

1.3 在電力系統主網加強聯系后，將次級電網解環運行。

1.4 在允許的范圍內，增大系統的零序阻抗，例如采用不帶第三繞組或第三繞組為Y接線的全星形自偶變壓器，減少變壓器中性點的接地點等（可減小系統的單相短路電流）。

2 發電廠和變電所中可采取的限流措施

2.1 發電廠中，在發電機電壓母線分段回路中安裝電抗器（當線路上或一段母線上發生短路故障時能限制另一段母線上電源所提供的電路電流）。

2.2 變壓器分列運行。

2.3 變電所中，在變壓器回路中裝設分裂電抗器或電抗器。

2.4 采用低壓側為分裂繞組的變壓器。

2.5 出線上裝設電抗器。

3 終端變電所中可采取的限流措施

3.1 變壓器分列運行。

3.2 采用高阻抗變壓器（增加變壓器的uk%能增大變壓器阻抗限制短路電流）。

3.3 在變壓器回路中裝設電抗器（增加回路的電抗值限制短路電流）。

3.4 采用小容量變壓器（當uk%一定時變壓器容量越小則變壓器阻抗越大，可限制短路電流）。

短路的確對線路和設備有害，所以在應用中一定到避免短路的發生，并采取有效措施限制短路電流，從而保證電力系統及設備的正常運行。

參考文獻

[1]工業與民用配電設計手冊（第三版）[M].中國電力出版社，2005.

[2]鋼鐵企業電力設計手冊（上，下）[M].冶金出版社2013（1）.

[3]劉介才.供配電技術[M].機械工業出版社.

作者簡介：姜桂林（1965-），女，副教授，從事建筑電氣方面的教學及研究。