短路

物理学术语

短路是指电路或电路中的一部分被短接。如负载或电源的两端被导线连接在一起，就称为短路，短路时电源提供的电流将比通路时提供的电流大得多，一般情况下不允许短路，如果短路，严重时会烧坏电源或设备。

基本类型

电源短路

即电流不经过任何用电器，直接由正极经过导线流回负极。特别容易烧坏电源。

由于电源内阻Ro较小，短路电流Is较大，电源的端电压为0，这时电源的电动势全部降在内阻上。短路电流可能使电源遭受机械的与热的损伤或毁坏，短路时电源所产生的电能全被内阻所消耗，短路通常是一种严重事故，应该尽力预防。

用电器短路

也叫部分电路短路。即一根导线接在用电器的两端（电流表并联，闭合的开关并联），此用电器被短路，容易产生烧毁其他用电器的情况。

三相系统短路

三相系统中发生的短路有 4 种基本类型：三相短路，两相短路，单相对地短路和两相对地短路。其中，除三相短路时，三相回路依旧对称，因而又称对称短路外，其余三类均属不对称短路。在中性点接地的电力网络中，以一相对地的短路故障最多，约占全部故障的90%。在中性点非直接接地的电力网络中，短路故障主要是各种相间短路。

发生短路时，电力系统从正常的稳定状态过渡到短路的稳定状态，一般需3～5秒。在这一暂态过程中，短路电流的变化很复杂。它有多种分量，其计算需采用电子计算机。在短路后约半个周波（0.01秒）时将出现短路电流的最大瞬时值，称为冲击电流。它会产生很大的电动力，其大小可用来校验电工设备在发生短路时机械应力的动稳定性。短路电流的分析、计算是电力系统分析的重要内容之一。它为电力系统的规划设计和运行中选择电工设备、整定继电保护、分析事故提供了有效手段。电气线路上，由于种种原因相接或相碰，产生电流忽然增大的现象称短路。相线之间相碰叫相同短路；相线与地线、与接地导体或与大地直接相碰叫对地短路。在短路电流忽然增大时，其瞬间放热量很大，大大超过线路正常工作时的发热量，不仅能使绝缘烧毁，而且能使金属熔化，引起可燃物燃烧发生火灾。

容量

短路容量是反映电力系统某一供电点电气性能的一个特征量。短路容量是对电力系统的某一供电点而言的，反映了该点的某些重要性能，如该点带负荷的能力和电压稳定性、该点与电力系统电源之间联系的强弱、该点发生短路时、短路电流的水平等。其次，短路容量也和整个系统的容量有关。随着电力系统容量的扩大，系统短路容量的水平也会增大。高压开关设备的额定容量中，已将短路容量改用短路电流值，如额定开断电流。

原因

元件损坏

短路往往是由于绝缘损坏或接线不慎所引起的。例如设备绝缘材料老化，设计、制造、安装、维护不良等造成的设备缺陷发展成为短路。

气象条件影响

例如雷击过后造成的闪烁放电，由于风灾引起架空线断线和导线覆冰引起电线杆倒塌等。

人为破坏

例如工作人员带负荷拉闸，检修线路或设备时未排除接地线合闸供电，运行人员的误操作，偷电线和美国的科索沃战争、伊拉克战争时使用的碳纤维弹。

其他原因

挖沟损伤电缆，鸟兽风筝跨接在载流裸导体上等。

后果

产生大电流

有时会产生上万甚至十几万安的大电流。因此会产生大量的热量，损毁设备，电弧会将许多元件短时间融化。同时，产生的电流还会带来一定的电磁力，它同样会损坏设备。同样可能造成重大火灾及伤害事件。

造成低电压

它会使电气设备无法正常工作。这种危害在医院矿山时会引起危险。

其他

还有干扰抑制与破坏系统的稳定运行，线损，热损，无功功率等增大，影响通信，通讯等等。

短路时，电流会往电阻较小（或电阻忽略不记的导线）的用电器（或导线）流，导致被短路的用电器（或电源）无法正常工作。

短路之后灯泡两端的电压为0，灯泡不发光，此时回路中的电流会很大（如果回路中只有灯泡一个用电器），因此回路中的电流表容易被烧坏，电源也容易被烧坏。

电流计算

计算条件

（1）正常工作时，三相系统对称运行。

（2）所有电源的电动势相位角相同。

（3）系统中同步异步电动机均为理想电机，不考虑电机磁饱和磁滞涡流及导体集肤效应等影响，转子结构完全对称，定子三相绕组空间位置差120度电气角。

（4）电气系统中的磁路不饱和，即带铁心的电气设备电抗值不随电流大小发生变化。

（5）电气系统中所有电源都在额定负荷下运行，其中50%负荷在高压母线上，50%负荷在系统侧。

（6）同步发电机具有自动调整励磁装置。

（7）短路发电在电流为最大值瞬间。

（8）不考虑短路点电弧阻抗和变压器的励磁电流。

（9）除计算短路电流衰减时间和低压网络的短路电流外，元件的阻抗略去不计。

（10）元件的计算参数都取其额定值。

（11）输电线路的电容略去。

（12）用概率统计法制定短路电流运算曲线。

一般规定

（1）在验算导体和电气设备的动稳定，热稳定以及设备开断电流时所用的短路电流，应按可能发生最大短路电流的正常接线方式，而不应仅按在切换过程中可能并列运行的接线方式。

（2）选择导体和电气设备用的短路电流，在电气连接的网络中，应考虑具有反馈作用的异步电动机的影响。

（3）选择导体和电气设备时，对不带电抗器回路的网络，计算短路点应选择在正常方式时的短路电流为最大的地点。

（4）导体和电容的动稳定，热稳定以及电气设备的开断电流一般按三相短路计算。

计算步骤

假设条件

在短路的实际计算中，为了能在准确范围内迅速地计算短路电流，通常采取以下简化假设。

（1）不考虑发电机的摇摆现象。

（2）不考虑磁路饱和，认为短路回路各元件的电抗为常数。

（3）不考虑线路对地电容，变压器的磁支路和高压电网中的电阻，认为等值电路只有元件电抗。

在进行短路电流计算以前，应根据计算的目的收集有关资料，确定计算等值条件，然后根据运算条件作出计算电路图，再根据它对各故障点的情况作出等值电路图，然后利用网络化简规则，将等值电路化简，求出回路总电抗。

网络化简时等值电源合并的原则

（1）与短路点的电气距离相差不大的的同类型发电机可以合并。

（2）远离短路点的同类型发电厂可以合并。

（3）直接连接于短路点上的发电机（或发电厂）应予以单独考虑。

（4）网络中功率为无限大的电源应该单独计算，因为它提供的短路电流周期分量是不衰减的。

计算方法

电力系统短路电流的计算方法通常有三种，即标幺值法，短路容量法（又称MVA法）和有名单位制法（又称欧姆法），高压系统中，一般采用标幺值法。

（1）假设SB =100MVA， UB =Uav，Uav =1.05Ue

式中 SB—基准容量（MVA）

UB—基准电压（kV）

Uav—各电压级的平均额定电压（kV）

Ue—各级额定电压(kV)

（2）求变压器电抗标幺值

式中 XT*—变压器电抗标幺值

Ud%—变压器短路电压百分比

SN—变压器额定容量（ MVA）

两台同型号变压器并联，总电抗标么值为单台的一半。

（3）求线路电抗的标幺值

式中 XL*—线路电抗标幺值

X0—线路电抗(Ω/km)

L—线路长度（km）

注：两条同型号架空线并联，总电抗标幺值为单条的一半。

（4）求短路电流

式中 Id* —短路电流标幺值(kA)

（5）求冲击短路电流

式中，ish —冲击短路电流（kA）

限制措施

为保证系统安全可靠地运行，减轻短路造成的影响，除在运行维护中应努力设法消除可能引起短路的一切原因外，还应尽快地切除短路故障部分，使系统电压在较短的时间内恢复到正常值。为此，可采用快速动作的继电保护和断路器，以及发电机装设自动调节励磁装置等。此外，还应考虑采用限制短路电流的措施，如合理选择电气主接线的形式或运行方式，以增大系统阻抗，减少短路电流值；加装限电流电抗器；采用分裂低压绕阻变压器等。主要措施如下：

（1）做好短路电流的计算，正确选择及校验电气设备，电气设备的额定电压要和线路的额定电压相符。

（2）正确选择继电保护的整定值和熔体的额定电流，采用速断保护装置，以便发生短路时，能快速切断短路电流，减少短路电流持续时间，减少短路所造成的损失。

（3）在变电站安装避雷针，在变压器附近和线路上安装避雷器，减少雷击损害。

（4）保证架空线路施工质量，加强线路维护，始终保持线路弧垂一致并符合规定。

（5）带电安装和检修电气设备，注意力要集中，防止误接线，误操作，在带电部位距离较近的部位工作，要采取防止短路的措施。

（6）加强管理，防止小动物进入配电室，爬上电气设备。

（7）及时清除导电粉尘，防止导电粉尘进入电气设备。

（8）在电缆埋设处设置标记，有人在附近挖掘施工，要派专人看护，并向施工人员说明电缆敷设位置，以防电缆被破坏引发短路。

（9）电力系统的运行、维护人员应认真学习规程，严格遵守规章制度，正确操作电气设备，禁止带负荷拉刀闸、带电合接地刀闸。线路施工，维护人员工作完毕，应立即拆除接地线。要经常对线路、设备进行巡视检查，及时发现缺陷，迅速进行检修。

防护措施

经常检查电气设备和线路的绝缘情况是一项很重要的安全措施。此外，为了防止短路事故所引起的后果，通常在电路中接入熔断器或空气断路器，以便短路发生时，能迅速将故障电路自动切除。

除此之外，有很多限制短路电流的技术措施，如：

①合理的电源布局与接入方式，以及合理的网架结构，这是采用其他限流措施之前的首选方案，不适用于已有电网；

②发展更高电压等级的电网，已有电压等级电网解列、分层、分区运行，具有明显的限流效果，也是根本的限流措施，但牺牲了一定的供电可靠性；

③直流联网限流效果明显，但成本高，仅从限流角度考虑经济性较差，而且多点直流输电技术的实用化还需时间；

④采用限流电抗器及高阻抗变压器等常规限流措施，具有一定的限流效果，但存在正常运行损耗及可能影响电网运行稳定性等问题；

⑤研究新的限流技术，开发新一代限流装置，它们正以其优良的限流特性而倍受关注，其中尤以超导限流器和新型固态限流器为最。

典型应用

并非所有短路都是坏事，有时还需要利用短路来实现保护或者工作。具体应用有以下几个方面。

1 短路在保护接零系统(TN系统)中的应用

在图3中，设备外壳通过保护线与线路中N线作电气上的可靠连接，当设备的外壳与带电体相碰(漏电)时，保护线起到制造短路的作用。电流将从设备外壳经由零线流回中性点。由于零线电阻很小，所以这一短路电流很大，而经由人体到中性点的这条通路电阻很大，电流几乎为零。由此产生的大电流迫使线路中的保护元件作(如熔断器或断路器跳闸)，使设备迅速脱离电源，从而避免触电事故的发生。而且总希望此时短路电流越大越好，因为短路电流越大，保护元件动作越快。可见在这种情况下，就是依靠短路电流达到保护的目的。

2 短路在电流互感器运行中的应用

电流互感器主要用来扩大测量交流电流量程，也是为了使测量仪表与高压电路隔开，以保证人身与设备的安全。其接线图如图4所示。

运行中的电流互感器二次侧绝对不允许开路。因为它的一次绕组是与负载串联的，其中电流的大小取决于负载的大小。如果二次绕组电路断开，二次绕组的电流和磁通势立即消失，但一次绕组的电流未变。这时铁心内的磁通全由一次绕组的磁通势产生，结果造成铁心内很大的磁通(因为此时二次绕组的磁通势为零，不能对一次绕组的磁通势起去磁作用了)。一方面使铁心损耗急剧增加，造成铁心过热，烧毁绕组；另一方面在二次绕组上感应出很高的电动势，可能使绝缘击穿，并危及设备和人身安全。因此，二次侧绕组不能接熔断器，如果需要拆除运行中的电流互感器二次侧的仪表如电流表、电能表等之前，必须先将其二次侧短路。此时的短路不仅是允许的，而且是必须的。

3 短路在电力变压器负载试验中的应用

变压器是一种常见的电气设备，在电力系统和电子线路中应用广泛。电力变压器在投入运行前或在运行过程中，需要进行一些试验，以保证电力变压器安全运行。试验项目包括：变压器油的简化试验、绝缘吸收比试验、耐压试验、空载试验及负载试验。其中负载试验的目的是测量变压器的负载损耗PK和阻抗电压Uk，以检查绕组实际结构是否符合技术要求。

实验时，将二次绕组短路(见图5)，通过调压器调节电压，使得一次侧的电流等于额定电流，这时电压表V的读数就是变压器的阻抗电压Uk，功率表W测出的一次输入功率就是变压器的负载损耗PK。负载试验时，由于二次侧处于短路状态，负载阻抗等于零，输出功率也等于零，而在二次绕组中流过的电流恰好等于额定值，所以输入功率都为变压器自身所损耗。同时，试验时加在一次绕组上的电压Uk很低，一般仅为额定电压UN的5%～10%之间，因为电压低，铁心中的主磁通也很少，仅为额定工作磁通的百分之几，所以铁耗PFe很小，因此变压器的负载损耗几乎就是变压器绕组的铜耗Pcu。

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