短路电流产生的热效应及力效应

冯岩

1 短路电流的热效应

在电力系统中短路发生时，短路电流会经过电力系统的供电元件流向短路点，由于短路发生时短路电流会达到2KA至20kA的电流，在大电流的作用下使得电力系统中的供电元器件生热，产生热效应。由于短路会产生很大的电流，所以其产生的热量也要远远大于在正常工作时所产生的热量。因为短路发生和持续的时间很短，使得在短路时产生的大量热量不能够及时散发，导致供电元器件温度急剧上升。根据一般性金属导电材料都规定了其相应的短路最高温升，进行短路热效应计算的目的就是使金属导体的短路发生时，其最高发热温升不超过短路最高温升。只有符合这一要求，供电系统在短路时才具备热稳定性。

导体的截面积都有相应的关系，所以如表1.1导体材料短时发热允许温度所示，在短路时设备的最大允许温升，进行核对保证设备的热稳定性。

表1.1 导体材料短时发热允许温度

序号 导体种类和材质 允许温度（℃）

1 母线及导线：铜 320℃

铝 220℃

钢（不和电器直接连接时） 420℃

钢（和电器直接连接时） 320℃

2 油浸纸绝缘电缆：铜芯，10KV及以下 250℃

铝芯，10KV及以下 200℃

20-35KV 175℃

3 充油纸绝缘电缆：60-330KV 150℃

4 橡胶绝缘电缆 150℃

5 聚氯乙烯绝缘电缆 120℃

6 交联聚氯乙烯绝缘电缆：铜芯 230℃

铝芯 200℃

7 有中间接头的电缆（不包括第5项） 150℃

当短路电流流经导体时，在电流的作用下导体发热，由于短路发生和持续时间很短，电流引起的发热量全部由导体本身吸收，用于提高导体自身的温度。短路所引起发热量与短路持续的时间、导体材料的比重、导体的长度有关。

短路电流使导体发热的微分方程式：

（1.1）

根据导体的起始温度积分到导体发热的最终温度，上式简化转换为：

（1.2）

再导体中流过的电流值不等于短路瞬时电流，而是等于短路稳态电流，这时与产生的热效应相等。则上式可简化为：

（1.3）

上式中tj假想时间约为5S，代入式（3.24）。故计算k1、k2、k3点的短路热效应为：

k1点的热效应：

k2点的热效应：

k3点的热效应：

2 短路电流的力效应

短路电流通过导体会产生很大的电动力，电力系统中的供电设备载流部分受到由短路电流产生的电动力的作用。在电力系统没有出现短路故障，系统正常运行时，供电设备的额定电流引起的电动力不大，在供电设备允许的承受范围之内。当在短路故障发生时，电动力会达到很大值，特别是在短路发生的瞬间，当短路冲击电流出现时，这时供电设备所承受的电动力是最大的，供电系统中的某些不够牢固的元器件，在短路电流产生的电动力的作用下，可能会遭到严重的损坏。所以，必须计算和考虑短路电流产生的电动力的大小，并在选择供电系统设备时进行考虑适当的采取对策，保证电气设备可靠运行。

三相短路电流产生的电动力方程为：

（1.4）

（1.5）

（1.6）

根据分析在三相母线系统中，当电流通过三相导线时，中间相受到的电动力最大，故在效验三相供电系统时以中间相受电动力的大小作为效验三相供电系统的依据。电动力是由短路电流流进导体产生的，所以在效验供电系统电动力时，可以用最大允许电流的幅值进行近似计算和等效比较。

故

（1.7）

其中 当母线空间距离大于母线周边距离时，，暂时不考虑l和a的影响，代入式（1.7），则计算k1、k2、k3点的短路力效应为：

在选择供电系统电气设备时，应根据计算的短路电流值与供电系统电气设备的最大允许电流值进行比较，从而保证在通过短路电流时不致于因电动力造成供电系统电气设备损坏。