淺析短路電流基本知識與保護措施

史書元

（南京市建筑設計研究院有限責任公司，江蘇 南京 210000）

電力系統中出現短路故障時，會破壞整個電力系統的穩定運行，造成對電力用戶的影響，發生嚴重情況時，還會危及人身和設備的安全。熟悉掌握短路故障的基本概念，合理有效地控制短路電流，十分必要。在運行維護中首先應當做好短路故障發生的預防工作，如果已發生短路故障，應盡快將故障部分切除，使系統電壓在有限的時間內恢復正常值，以保證系統的安全性、可靠性。

1 短路電流基本知識

1.1 短路電流基本概念

短路故障是帶電導體之間非正常的金屬性接觸，通常故障電流很大，危害主要有以下兩個方面：（1）大電流在電氣裝置、配電線路以及開關電器等帶電導體間產生很大的機械應力，使得帶電導體及其固定件變形、扭曲、松動甚至斷裂，嚴重破壞配電系統的正常運行。（2）大電流導致帶電導體及連接件溫度急劇上升，使得電線、電纜的絕緣材料損壞或失效，溫度過高引起可燃物燃燒，造成火災導致嚴重后果。

在三相交流系統中，短路故障主要有四類：（1）三相短路；（2）兩相間短路；（3）兩相接地短路；（4）單相短路。以上幾種短路中，僅三相短路為對稱短路，且通常三相短路電流最大。

在短路發生的過程中，電流變化的情況主要與以下兩點相關：（1）系統容量大小；（2）短路點距離電源的遠近。在平時的計算過程中，如果計算出的電抗標幺值X·c≥3時（供電電源容量為基準），我們可近似認為電源母線電壓維持不變，不考慮短路電流交流分量的衰減，即無限大容量的系統，我們又稱為遠端短路。若計算出來的電抗標幺值X·c＜3（供電電源容量為基準），應考慮短路電流交流分量的衰減進來，即有限容量系統，我們又稱為近端短路。

短路電流計算方法有兩種：IEC法，目前在國際上廣泛應用；實用法，在國內電力行業廣泛應用；本文主要對實用法進行簡單介紹。在短路電流計算中，我們應求出最大短路電流值，用于電氣設備的動熱穩定效驗以及整定繼電保護裝置。同時，最小短路電流值也應當求出，用于效驗繼電保護裝置的靈敏系數。

1.2 高壓系統短路電流計算

在知道短路電路的各項參數，如電源容量、系統電壓、系統阻抗等，再經過網絡變換化為最簡電路，計算求得短路點與電源之間的等值總阻抗，利用公式即可求出短路電流。

短路電流的計算可以采用標幺制或有名單位制。標幺制主要應用于高壓網絡，有名單位制主要應用于1KV以下的低壓網絡。

（1）標幺制。標幺制是一種相對單位制，為有名值與基準值之比。在計算過程中，首先，應當確定基準容量Sb和基準電壓Ub的值，后利用公式對應求出基準電流Ib=Sb/√3Ub、基準電抗Xb=Ub/√3Ib，電路元件電抗的標幺值X*=X/Xb=√3IbX/Ub=SbX/Ub2，最終可求得三相短路電流初始值Ik’=Ib/X*。在計算過程中，基準容量雖然可以任意選定，但通常為了計算簡便，基準容量Sb一般選定為100MVA；若為近端短路，一般選取發電機（饋送短路電流者）額定容量SrG作為基準容量。基準電壓Ub通常取各電壓級的平均電壓Uav，即Ub=Uav=1.05Un（Un為系統的標稱電壓）。采用標幺制計算時，元件阻抗的有名值和相對值都應按基準容量換算為標幺值，且基準電壓應采用平均電壓。電路元件阻抗標幺值和有名值的換算公式可參見《工業與民用供配電設計手冊》（第四版）表4.6-3。

（2）有名單位制。采用有名單位制計算時，雖元件分屬不同電壓級，但各元件阻抗的相對值和歐姆值，都應當歸算到短路點所在級的平均電壓。三相短路電流初始值Ik’=Uav/√3Xc，如果Rc＞Xc/3，則應計入有效電阻Rc，則Ik’計算式變化為Ik’=Uav/√3Zc（其中Zc為短路電路總阻抗，RC為短路電路總電阻，Xc為短路電路總電抗）。電路元件阻抗標幺值和有名值的換算公式可參見《工業與民用供配電設計手冊》（第四版）表4.6-3。

1.3 低壓系統短路電流計算方法

在低壓系統的三相短路電流計算中，考慮系統為對稱情況，三相短路中僅有正序分量，無須引入序阻抗的概念，各元件的相阻抗即相正序阻抗。而在單相短路（包括單相接地故障）計算中，系統發生不對稱短路，且短路發生處距離發電機較遠，可認為所有元件的負序阻抗與正序阻抗相等，此類計算中我們需要引入序阻抗和相保阻抗的概念。經過總結與簡化，可以列出低壓系統短路電流計算的通用公式：單相短路電流Ik1’=220/√Rphp2+Xphp2，三相短路電流的初始值Ik3’=230/√Rk2+Xk2（其中Rphp為短路電路的相保電阻，Xphp=短路電路的相保電抗，Rk=短路電路的總電阻，Xk=短路電路的總電抗）。

1.4 短路電流計算結果的主要應用

（1）根據短路電流計算結果，比較和選擇電氣接線方案。

（2）正確選擇和效驗電氣設備及載流導體。

（3）確定繼電保護的選擇和整定，以及靈敏系數的校驗。

（4）確定中性點接地方式。

（5）對接地裝置的接觸電壓以及跨步電壓進行驗算。

（6）大中型電動機的起動壓降計算。可以根據最大短路電流值選擇電氣設備容量參數以及繼電保護裝置，根據最小短路電流值可以效驗繼電保護裝置靈敏系數。另可利用阻抗標幺值計算來校驗電動機起動的電壓降。

2 短路保護措施

在發生短路故障時，我們應當采取有效的措施，避免有害后果的發生。因此，對短路保護電器的選型和參數設定尤為重要，短路電流會對導體及其連接件產生熱效應和機械效應，造成線路及其絕緣損壞，以致引起電氣火災危害。合理選擇保護電器，在危害前可靠切斷電源是短路保護的基本要求。

2.1 短路保護電器的類型

（1）gG熔斷器和aM熔斷器（反時限動作特性）：短路特性極佳的保護電器，具有良好的限流特性，對于被保護回路的安全十分有利，其允通能力（I2t）值很小，大大降低了短路時發熱對線路導體截面積的要求。

（2）斷路器的瞬時過電流脫扣器：目前供配電系統中應用最廣泛的短路保護電器，同樣具有良好的限流特性，而且技術仍在不斷發展進步。

（3）選擇型斷路器的短延時過電流脫扣器：可實現選擇性切斷，縮小切斷電路的范圍，具有明顯的優越性，但其價格昂貴，常用于電流較大、可靠性要求高的饋線回路。

2.2 保護電器的裝設

保護電器的裝設要求如下：

（1）每段配電線路都應裝設短路保護電器（電源切斷可能導致電氣裝置的運行出線危險的回路除外）。

（2）每段配電線路只裝設一臺保護電器，一段線路不宜裝設兩臺保護電器，更不應裝設三臺，必要時可裝設隔離開關。過多的保護電器將增加切斷電路的概率，降低配電系統的可靠性和選擇性。

（3）配電線路的分支處以及導體的截面減小處應裝設保護電器。

（4）在配電箱和控制箱的進線處不應裝設保護電器，因為在該配電線路的首端已經設置了保護電器。

2.3 保護電器的兼用

在配電系統中，每個配電回路都應設置保護電器，而這個保護電器通常兼作過負荷保護、接地故障保護和短路保護。斷路器的脫扣器具有兩種或四種功能（非選擇性和選擇性的區別），分別發揮不同的故障保護作用；而熔斷器僅有一組熔斷體，需同時滿足以上三項保護的技術要求。

3 限制短路電流的措施

3.1 影響短路電流的因素

（1）主接線的形式及運行方式。

（2）電力系統的電壓等級。

（3）電力系統中各元件的正、負、零序阻抗的大小。

（4）系統中是否采用了限流電抗器、限流型電氣設備、故障電流限制器等。

3.2 限制短路電流的措施

（1）電力系統可采取的限流措施：提高電壓等級；采用直流輸電；增大系統的零序阻抗；在電力系統主網加強聯系后，將次級電網解環運行；裝設故障電流限制器。

（2）發電廠和變電站中可采取的限流措施：在發電廠的發電機電壓母線分段回路中安裝電抗器；變壓器采用分列運行方式；裝設電抗器于變壓器回路；出線上裝設電抗器；采用低壓側為分裂繞組的變壓器。

（3）終端變電站中可采取的限流措施：變壓器采用分列運行方式；變壓器采用高阻抗型；裝設電抗器于變壓器回路；選用較小容量的變壓器（當Uk%一定時，變壓器的容量越小，變壓器的阻抗越大）。

4 結語

隨著我國電力系統的不斷進步完善，在電氣設計中應有效地限制短路電流對電力系統的傷害。電氣設計人員應當熟悉掌握短路電流的計算方法，根據短路電流的大小，科學地規劃電力方案，合理地選擇保護系統，以保證電力系統的安全性與可靠性。