短路電流產生的熱效應及力效應

馮巖

1 短路電流的熱效應

在電力系統中短路發生時，短路電流會經過電力系統的供電元件流向短路點，由于短路發生時短路電流會達到2KA至20kA的電流，在大電流的作用下使得電力系統中的供電元器件生熱，產生熱效應。由于短路會產生很大的電流，所以其產生的熱量也要遠遠大于在正常工作時所產生的熱量。因為短路發生和持續的時間很短，使得在短路時產生的大量熱量不能夠及時散發，導致供電元器件溫度急劇上升。根據一般性金屬導電材料都規定了其相應的短路最高溫升，進行短路熱效應計算的目的就是使金屬導體的短路發生時，其最高發熱溫升不超過短路最高溫升。只有符合這一要求，供電系統在短路時才具備熱穩定性。

導體的截面積都有相應的關系，所以如表1.1導體材料短時發熱允許溫度所示，在短路時設備的最大允許溫升，進行核對保證設備的熱穩定性。

表1.1 導體材料短時發熱允許溫度

序號 導體種類和材質 允許溫度（℃）

1 母線及導線：銅 320℃

鋁 220℃

鋼（不和電器直接連接時） 420℃

鋼（和電器直接連接時） 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） 150℃

當短路電流流經導體時，在電流的作用下導體發熱，由于短路發生和持續時間很短，電流引起的發熱量全部由導體本身吸收，用于提高導體自身的溫度。短路所引起發熱量與短路持續的時間、導體材料的比重、導體的長度有關。

短路電流使導體發熱的微分方程式：

（1.1）

根據導體的起始溫度積分到導體發熱的最終溫度，上式簡化轉換為：

（1.2）

再導體中流過的電流值不等于短路瞬時電流，而是等于短路穩態電流，這時與產生的熱效應相等。則上式可簡化為：

（1.3）

上式中tj假想時間約為5S，代入式（3.24）。故計算k1、k2、k3點的短路熱效應為：

k1點的熱效應：

k2點的熱效應：

k3點的熱效應：

2 短路電流的力效應

短路電流通過導體會產生很大的電動力，電力系統中的供電設備載流部分受到由短路電流產生的電動力的作用。在電力系統沒有出現短路故障，系統正常運行時，供電設備的額定電流引起的電動力不大，在供電設備允許的承受范圍之內。當在短路故障發生時，電動力會達到很大值，特別是在短路發生的瞬間，當短路沖擊電流出現時，這時供電設備所承受的電動力是最大的，供電系統中的某些不夠牢固的元器件，在短路電流產生的電動力的作用下，可能會遭到嚴重的損壞。所以，必須計算和考慮短路電流產生的電動力的大小，并在選擇供電系統設備時進行考慮適當的采取對策，保證電氣設備可靠運行。

三相短路電流產生的電動力方程為：

（1.4）

（1.5）

（1.6）

根據分析在三相母線系統中，當電流通過三相導線時，中間相受到的電動力最大，故在效驗三相供電系統時以中間相受電動力的大小作為效驗三相供電系統的依據。電動力是由短路電流流進導體產生的，所以在效驗供電系統電動力時，可以用最大允許電流的幅值進行近似計算和等效比較。

故

（1.7）

其中 當母線空間距離大于母線周邊距離時，，暫時不考慮l和a的影響，代入式（1.7），則計算k1、k2、k3點的短路力效應為：

在選擇供電系統電氣設備時，應根據計算的短路電流值與供電系統電氣設備的最大允許電流值進行比較，從而保證在通過短路電流時不致于因電動力造成供電系統電氣設備損壞。