浅析短路电流基本知识与保护措施

史书元

（南京市建筑设计研究院有限责任公司，江苏 南京 210000）

电力系统中出现短路故障时，会破坏整个电力系统的稳定运行，造成对电力用户的影响，发生严重情况时，还会危及人身和设备的安全。熟悉掌握短路故障的基本概念，合理有效地控制短路电流，十分必要。在运行维护中首先应当做好短路故障发生的预防工作，如果已发生短路故障，应尽快将故障部分切除，使系统电压在有限的时间内恢复正常值，以保证系统的安全性、可靠性。

1 短路电流基本知识

1.1 短路电流基本概念

短路故障是带电导体之间非正常的金属性接触，通常故障电流很大，危害主要有以下两个方面：（1）大电流在电气装置、配电线路以及开关电器等带电导体间产生很大的机械应力，使得带电导体及其固定件变形、扭曲、松动甚至断裂，严重破坏配电系统的正常运行。（2）大电流导致带电导体及连接件温度急剧上升，使得电线、电缆的绝缘材料损坏或失效，温度过高引起可燃物燃烧，造成火灾导致严重后果。

在三相交流系统中，短路故障主要有四类：（1）三相短路；（2）两相间短路；（3）两相接地短路；（4）单相短路。以上几种短路中，仅三相短路为对称短路，且通常三相短路电流最大。

在短路发生的过程中，电流变化的情况主要与以下两点相关：（1）系统容量大小；（2）短路点距离电源的远近。在平时的计算过程中，如果计算出的电抗标幺值X·c≥3时（供电电源容量为基准），我们可近似认为电源母线电压维持不变，不考虑短路电流交流分量的衰减，即无限大容量的系统，我们又称为远端短路。若计算出来的电抗标幺值X·c＜3（供电电源容量为基准），应考虑短路电流交流分量的衰减进来，即有限容量系统，我们又称为近端短路。

短路电流计算方法有两种：IEC法，目前在国际上广泛应用；实用法，在国内电力行业广泛应用；本文主要对实用法进行简单介绍。在短路电流计算中，我们应求出最大短路电流值，用于电气设备的动热稳定效验以及整定继电保护装置。同时，最小短路电流值也应当求出，用于效验继电保护装置的灵敏系数。

1.2 高压系统短路电流计算

在知道短路电路的各项参数，如电源容量、系统电压、系统阻抗等，再经过网络变换化为最简电路，计算求得短路点与电源之间的等值总阻抗，利用公式即可求出短路电流。

短路电流的计算可以采用标幺制或有名单位制。标幺制主要应用于高压网络，有名单位制主要应用于1KV以下的低压网络。

（1）标幺制。标幺制是一种相对单位制，为有名值与基准值之比。在计算过程中，首先，应当确定基准容量Sb和基准电压Ub的值，后利用公式对应求出基准电流Ib=Sb/√3Ub、基准电抗Xb=Ub/√3Ib，电路元件电抗的标幺值X*=X/Xb=√3IbX/Ub=SbX/Ub²，最终可求得三相短路电流初始值Ik’=Ib/X*。在计算过程中，基准容量虽然可以任意选定，但通常为了计算简便，基准容量Sb一般选定为100MVA；若为近端短路，一般选取发电机（馈送短路电流者）额定容量SrG作为基准容量。基准电压Ub通常取各电压级的平均电压Uav，即Ub=Uav=1.05Un（Un为系统的标称电压）。采用标幺制计算时，元件阻抗的有名值和相对值都应按基准容量换算为标幺值，且基准电压应采用平均电压。电路元件阻抗标幺值和有名值的换算公式可参见《工业与民用供配电设计手册》（第四版）表4.6-3。

（2）有名单位制。采用有名单位制计算时，虽元件分属不同电压级，但各元件阻抗的相对值和欧姆值，都应当归算到短路点所在级的平均电压。三相短路电流初始值Ik’=Uav/√3Xc，如果Rc＞Xc/3，则应计入有效电阻Rc，则Ik’计算式变化为Ik’=Uav/√3Zc（其中Zc为短路电路总阻抗，RC为短路电路总电阻，Xc为短路电路总电抗）。电路元件阻抗标幺值和有名值的换算公式可参见《工业与民用供配电设计手册》（第四版）表4.6-3。

1.3 低压系统短路电流计算方法

在低压系统的三相短路电流计算中，考虑系统为对称情况，三相短路中仅有正序分量，无须引入序阻抗的概念，各元件的相阻抗即相正序阻抗。而在单相短路（包括单相接地故障）计算中，系统发生不对称短路，且短路发生处距离发电机较远，可认为所有元件的负序阻抗与正序阻抗相等，此类计算中我们需要引入序阻抗和相保阻抗的概念。经过总结与简化，可以列出低压系统短路电流计算的通用公式：单相短路电流Ik1’=220/√Rphp²+Xphp²，三相短路电流的初始值Ik3’=230/√Rk²+Xk²（其中Rphp为短路电路的相保电阻，Xphp=短路电路的相保电抗，Rk=短路电路的总电阻，Xk=短路电路的总电抗）。

1.4 短路电流计算结果的主要应用

（1）根据短路电流计算结果，比较和选择电气接线方案。

（2）正确选择和效验电气设备及载流导体。

（3）确定继电保护的选择和整定，以及灵敏系数的校验。

（4）确定中性点接地方式。

（5）对接地装置的接触电压以及跨步电压进行验算。

（6）大中型电动机的起动压降计算。可以根据最大短路电流值选择电气设备容量参数以及继电保护装置，根据最小短路电流值可以效验继电保护装置灵敏系数。另可利用阻抗标幺值计算来校验电动机起动的电压降。

2 短路保护措施

在发生短路故障时，我们应当采取有效的措施，避免有害后果的发生。因此，对短路保护电器的选型和参数设定尤为重要，短路电流会对导体及其连接件产生热效应和机械效应，造成线路及其绝缘损坏，以致引起电气火灾危害。合理选择保护电器，在危害前可靠切断电源是短路保护的基本要求。

2.1 短路保护电器的类型

（1）gG熔断器和aM熔断器（反时限动作特性）：短路特性极佳的保护电器，具有良好的限流特性，对于被保护回路的安全十分有利，其允通能力（I²t）值很小，大大降低了短路时发热对线路导体截面积的要求。

（2）断路器的瞬时过电流脱扣器：目前供配电系统中应用最广泛的短路保护电器，同样具有良好的限流特性，而且技术仍在不断发展进步。

（3）选择型断路器的短延时过电流脱扣器：可实现选择性切断，缩小切断电路的范围，具有明显的优越性，但其价格昂贵，常用于电流较大、可靠性要求高的馈线回路。

2.2 保护电器的装设

保护电器的装设要求如下：

（1）每段配电线路都应装设短路保护电器（电源切断可能导致电气装置的运行出线危险的回路除外）。

（2）每段配电线路只装设一台保护电器，一段线路不宜装设两台保护电器，更不应装设三台，必要时可装设隔离开关。过多的保护电器将增加切断电路的概率，降低配电系统的可靠性和选择性。

（3）配电线路的分支处以及导体的截面减小处应装设保护电器。

（4）在配电箱和控制箱的进线处不应装设保护电器，因为在该配电线路的首端已经设置了保护电器。

2.3 保护电器的兼用

在配电系统中，每个配电回路都应设置保护电器，而这个保护电器通常兼作过负荷保护、接地故障保护和短路保护。断路器的脱扣器具有两种或四种功能（非选择性和选择性的区别），分别发挥不同的故障保护作用；而熔断器仅有一组熔断体，需同时满足以上三项保护的技术要求。

3 限制短路电流的措施

3.1 影响短路电流的因素

（1）主接线的形式及运行方式。

（2）电力系统的电压等级。

（3）电力系统中各元件的正、负、零序阻抗的大小。

（4）系统中是否采用了限流电抗器、限流型电气设备、故障电流限制器等。

3.2 限制短路电流的措施

（1）电力系统可采取的限流措施：提高电压等级；采用直流输电；增大系统的零序阻抗；在电力系统主网加强联系后，将次级电网解环运行；装设故障电流限制器。

（2）发电厂和变电站中可采取的限流措施：在发电厂的发电机电压母线分段回路中安装电抗器；变压器采用分列运行方式；装设电抗器于变压器回路；出线上装设电抗器；采用低压侧为分裂绕组的变压器。

（3）终端变电站中可采取的限流措施：变压器采用分列运行方式；变压器采用高阻抗型；装设电抗器于变压器回路；选用较小容量的变压器（当Uk%一定时，变压器的容量越小，变压器的阻抗越大）。

4 结语

随着我国电力系统的不断进步完善，在电气设计中应有效地限制短路电流对电力系统的伤害。电气设计人员应当熟悉掌握短路电流的计算方法，根据短路电流的大小，科学地规划电力方案，合理地选择保护系统，以保证电力系统的安全性与可靠性。