3.1 短路的基本概念

3.1.1短路的原因、后果及其形式

一、短路的原因

短路就是指不同电位的导电部分包括导电部分对地之间的低阻性短接。

造成短路的主要原因：

1）是电气设备载流部分的绝缘损坏；

2）工作人员由于违反安全操作规程而发生误操作，或者误将低电压设备接人较高电压的电路中，也可能造成短路；

3）鸟兽跨越在裸露的相线之间或者相线与接地物体之间，或者咬坏设备和导线电缆的绝缘，也是导致短路一个原因。

二、短路的后果

短路后，在大电力系统中，短路电流可达几万安甚至几十万安，如此大的短路电流可对供电系统产生极大的危害：

1）短路时要产生很大的电动力和很高的温度，而使故障元件和短路电路中的其他元件受到损害和破坏，甚至引发火灾事故。

2）短路时电路的电压骤降，严重影响电气设备的正常运行。

3）短路时保护装置动作，将故障电路切除，从而造成停电，而且短路点越靠近电源，停电范围越大，造成的损失也越大。

4）严重的短路要影响电力系统运行的稳定性，可使并列运行的发电机组失去同步，造成系统解列。

5）不对称短路包括单相短路和两相短路，其短路电流将产生较强的不平衡交变电磁场，对附近的通信线路、电子设备等产生电磁干扰，影响其正常运行，甚至使之发生误动作。

三、短路的形式

在三相系统中，短路的形式有三相短路、两相短路、单相短路和两相接地短路等。

图3-1 短路的形式(虚线表示短路电流路径)

－三相短路         －两相短路

－单相短路     －两相接地短路

3.1.2无限大容量电力系统发生三相短路时的物理过程和物理量

一、无限大容量电力系统及其三相短路的物理过程

无限大容量电力系统，是指供电容量相对于用户供电系统容量大得多的电力系统。其特点是，当用户供电系统的负荷变动甚至发生短路时，电力系统变电所馈电母线上的电压能基本维持不变。如果电力系统的电源总阻抗不超过短路电路总阻抗的5％～10％，或者电力系统容量超过用户供电系统容量的50倍时，可将电力系统视为无限大容量系统。对一般工厂供电系统来说，由于工厂供电系统的容量远比电力系统总容量小，而阻抗又较电力系统大得多，因此工厂供电系统内发生短路时，电力系统变电所馈电母线上的电压几乎维持不变，也就是说可将电力系统视为无限大容量的电源。

图3-2a是一个电源为无限大容量的供电系统发生三相短路的电路图。图中R_WL、X_WL为线路（WL）的电阻和电抗，R_L、X_L为负荷（L）的电阻和电抗。由于三相短路对称，因此这一三相短路电路可用图3-2b所示的等效单相电路来分析研究。供电系统正常运行时，电路中的电流取决于电源电压和电路中所有元件包括负荷在内的所有阻抗。当发生三相短路时，由于负荷阻抗和部分线路阻抗被短路，所以电路电流根据欧姆定律要突然增大。但是由于电路中存在着电感，根据楞次定律，电流不能突变，因而引起一个过渡过程，即短路暂态过程。最后短路电流达到一个新的稳定状态。

图3-3表示无限大容量系统中发生三相短路前后的电压、电流变动曲线。其中短路电流周期分量（periodic  component  of  short-circuit  current）是由于短路后电路阻抗突然减小很多倍，因而按欧姆定律应突然增大很多倍的电流。短路电流非周期分量（non-periodic  component  of  short-circuit  current ）是因短路电路存在电感，而按楞次定律电路中感生的用以维持短路初瞬间（t =0时）电路电流不致突变的一个反向抵消、且按指数函数规律衰减的电流。短路电流周期分量与短路电流非周期分量的叠加，就是短路全电流（short-circuit  whole-current）。短路电流非周期分量衰减完毕后的短路电流，称为短路稳态电流，其有效值用表示。

图3-3  无限大容量电力系统发生三相短路时的电压、电流变动曲线

二、短路有关的物理量

（－）短路电流周期分量

假设在电压u=0时发生三相短路，如图3-3所示。短路电流周期分量为                                            （3-1）式

                              （3-1）

式中，为短路电流周期分量幅值，其中为短路电路的总阻抗［模］；为短路电路的阻抗角。

由于短路电路的，因此。故短路初瞬间（t=0时）的短路电流周期分量为

                             （3-2）

式中，I″为短路次暂态电流有效值，即短路后第一个周期的短路电流周期分量的有效值。

（二）短路电流非周期分量

由于短路电路存在电感，因此在突然短路时，电感上要感生一个电动势，以维持短路初瞬间（t=0时）电路内的电流和磁链不致突变。电感的感应电动势所产生的与初瞬间短路电流周期分量反向的这一电流，即为短路电流非周期分量。

短路电流非周期分量的初始绝对值为

                     （3-3）

短路电流非周期分量是按指数函数衰减的，其表达式为

                             （3-4）

式中称为短路电流非周期分量衰减时间常数，或称为短路电路时间常数，它就是使由最大值按指数函数衰减到最大值的1/e＝0.3679倍时所需的时间。

（三）短路全电流

                                （3-5）

（四）短路冲击电流

                                （3-6）

或

                                      （3-7）

在高压电路发生三相短路时，一般可取K sh=1.8，因此

                                         （3-8）

                                         （3-9）

在1000kVA及以下的电力变压器和低压电路中发生三相短路时，一般可取K sh=1.3，因此

                                        （3-10）

                                      （3-11）

（五）短路稳态电流

短路稳态电流是短路电流非周期分量衰减完毕以后的短路全电流，其有效值用I_∞表示。

在无限大容量系统中，由于系统馈电母线电压维持不变，所以其短路电流周期分量有效值（习惯上用I_k表示）在短路的全过程中维持不变，即