短路電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)及力效應(yīng)

馮巖

1 短路電流的熱效應(yīng)

在電力系統(tǒng)中短路發(fā)生時(shí)，短路電流會(huì)經(jīng)過電力系統(tǒng)的供電元件流向短路點(diǎn)，由于短路發(fā)生時(shí)短路電流會(huì)達(dá)到2KA至20kA的電流，在大電流的作用下使得電力系統(tǒng)中的供電元器件生熱，產(chǎn)生熱效應(yīng)。由于短路會(huì)產(chǎn)生很大的電流，所以其產(chǎn)生的熱量也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在正常工作時(shí)所產(chǎn)生的熱量。因?yàn)槎搪钒l(fā)生和持續(xù)的時(shí)間很短，使得在短路時(shí)產(chǎn)生的大量熱量不能夠及時(shí)散發(fā)，導(dǎo)致供電元器件溫度急劇上升。根據(jù)一般性金屬導(dǎo)電材料都規(guī)定了其相應(yīng)的短路最高溫升，進(jìn)行短路熱效應(yīng)計(jì)算的目的就是使金屬導(dǎo)體的短路發(fā)生時(shí)，其最高發(fā)熱溫升不超過短路最高溫升。只有符合這一要求，供電系統(tǒng)在短路時(shí)才具備熱穩(wěn)定性。

導(dǎo)體的截面積都有相應(yīng)的關(guān)系，所以如表1.1導(dǎo)體材料短時(shí)發(fā)熱允許溫度所示，在短路時(shí)設(shè)備的最大允許溫升，進(jìn)行核對(duì)保證設(shè)備的熱穩(wěn)定性。

表1.1 導(dǎo)體材料短時(shí)發(fā)熱允許溫度

序號(hào) 導(dǎo)體種類和材質(zhì) 允許溫度（℃）

1 母線及導(dǎo)線：銅 320℃

鋁 220℃

鋼（不和電器直接連接時(shí)） 420℃

鋼（和電器直接連接時(shí)） 320℃

2 油浸紙絕緣電纜：銅芯，10KV及以下 250℃

鋁芯，10KV及以下 200℃

20-35KV 175℃

3 充油紙絕緣電纜：60-330KV 150℃

4 橡膠絕緣電纜 150℃

5 聚氯乙烯絕緣電纜 120℃

6 交聯(lián)聚氯乙烯絕緣電纜：銅芯 230℃

鋁芯 200℃

7 有中間接頭的電纜（不包括第5項(xiàng)） 150℃

當(dāng)短路電流流經(jīng)導(dǎo)體時(shí)，在電流的作用下導(dǎo)體發(fā)熱，由于短路發(fā)生和持續(xù)時(shí)間很短，電流引起的發(fā)熱量全部由導(dǎo)體本身吸收，用于提高導(dǎo)體自身的溫度。短路所引起發(fā)熱量與短路持續(xù)的時(shí)間、導(dǎo)體材料的比重、導(dǎo)體的長度有關(guān)。

短路電流使導(dǎo)體發(fā)熱的微分方程式：

（1.1）

根據(jù)導(dǎo)體的起始溫度積分到導(dǎo)體發(fā)熱的最終溫度，上式簡化轉(zhuǎn)換為：

（1.2）

再導(dǎo)體中流過的電流值不等于短路瞬時(shí)電流，而是等于短路穩(wěn)態(tài)電流，這時(shí)與產(chǎn)生的熱效應(yīng)相等。則上式可簡化為：

（1.3）

上式中tj假想時(shí)間約為5S，代入式（3.24）。故計(jì)算k1、k2、k3點(diǎn)的短路熱效應(yīng)為：

k1點(diǎn)的熱效應(yīng)：

k2點(diǎn)的熱效應(yīng)：

k3點(diǎn)的熱效應(yīng)：

2 短路電流的力效應(yīng)

短路電流通過導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生很大的電動(dòng)力，電力系統(tǒng)中的供電設(shè)備載流部分受到由短路電流產(chǎn)生的電動(dòng)力的作用。在電力系統(tǒng)沒有出現(xiàn)短路故障，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，供電設(shè)備的額定電流引起的電動(dòng)力不大，在供電設(shè)備允許的承受范圍之內(nèi)。當(dāng)在短路故障發(fā)生時(shí)，電動(dòng)力會(huì)達(dá)到很大值，特別是在短路發(fā)生的瞬間，當(dāng)短路沖擊電流出現(xiàn)時(shí)，這時(shí)供電設(shè)備所承受的電動(dòng)力是最大的，供電系統(tǒng)中的某些不夠牢固的元器件，在短路電流產(chǎn)生的電動(dòng)力的作用下，可能會(huì)遭到嚴(yán)重的損壞。所以，必須計(jì)算和考慮短路電流產(chǎn)生的電動(dòng)力的大小，并在選擇供電系統(tǒng)設(shè)備時(shí)進(jìn)行考慮適當(dāng)?shù)牟扇?duì)策，保證電氣設(shè)備可靠運(yùn)行。

三相短路電流產(chǎn)生的電動(dòng)力方程為：

（1.4）

（1.5）

（1.6）

根據(jù)分析在三相母線系統(tǒng)中，當(dāng)電流通過三相導(dǎo)線時(shí)，中間相受到的電動(dòng)力最大，故在效驗(yàn)三相供電系統(tǒng)時(shí)以中間相受電動(dòng)力的大小作為效驗(yàn)三相供電系統(tǒng)的依據(jù)。電動(dòng)力是由短路電流流進(jìn)導(dǎo)體產(chǎn)生的，所以在效驗(yàn)供電系統(tǒng)電動(dòng)力時(shí)，可以用最大允許電流的幅值進(jìn)行近似計(jì)算和等效比較。

故

（1.7）

其中 當(dāng)母線空間距離大于母線周邊距離時(shí)，，暫時(shí)不考慮l和a的影響，代入式（1.7），則計(jì)算k1、k2、k3點(diǎn)的短路力效應(yīng)為：

在選擇供電系統(tǒng)電氣設(shè)備時(shí)，應(yīng)根據(jù)計(jì)算的短路電流值與供電系統(tǒng)電氣設(shè)備的最大允許電流值進(jìn)行比較，從而保證在通過短路電流時(shí)不致于因電動(dòng)力造成供電系統(tǒng)電氣設(shè)備損壞。