短路在物理学的解释

电力系统在运行中，相与相之间或相与地（或中性线）之间发生非正常连接（即短路）时而流过非常大的电流。其电流值远大于额定电流，并取决于短路点距电源的电气距离。例如，在发电机端发生短路时，流过发电机的短路电流最大瞬时值可达额定电流的10～15倍。大容量电力系统中，短路电流可达数万安。这会对电力系统的正常运行造成严重影响和后果。

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。其中三相短路时对称短路，其余均是不对称短路。在短路故障中，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后的稳定状态，一般需3～5秒。在这一暂态过程中，短路电流的变化很复杂。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。造成短路的主要原因有：1、线路老化，绝缘破坏而造成短路；2、电源过电压，造成绝缘击穿；3、小动物（如蛇、野兔、猫等）跨接在裸线上；4、人为的多种乱拉乱接造成；5、室外架空线的线路松弛，大风作用下碰撞；6、线路安装过低与各种运输物品或金属物品相碰造成短路.

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2)在混联电路中,用导线或开关直接将某电路元件或负载的两端连接起来。(这是因需要并不会导致因电流过大而发生烧毁现象的安全连接,是一种局部或部分的短路。如用几十只小灯泡串联而成的节日小彩灯,为了延长它的使用寿命,当其中某只灯丝断开而损坏后,其内部的特别结构会自动将其两端连接而使其他小灯泡正常工作。)

系统短路容量对所接入的链式静止同步无功补偿器运行状态有严重影响。当链式静止同步无功补偿器额定容量一定时,系统短路容量越小,越容易导致其运行不稳定。而为了使链式静止同步无功补偿器在额定功率全范围内稳定可靠运行,系统短路容量必须大于某限值。

随着我国电力工业的迅猛发展，变压器的单台容量和输电系统短路容量不断增长。一旦系统发生短路事故，而短路电动力超过了变压器绕组所能承受的力，就会产生绕组失稳变形，导致其绝缘损坏，严重的甚至将变压器烧毁，造成重大电网事故和难以挽回的经济损失。研究发现，变压器因短路电动力造成的损坏，大部分并不是系统短路一两次就能损坏的，历次短路冲击后绕组变形的累积是不可忽视的因素。本项目拟对变压器遭受多次短路冲击后的累积效应这一复杂问题开展研究，通过建立变压器的多场耦合模型，对变压器绕组机械强度薄弱处进行受力分析，并通过实验室平台研究及现场验证等方式，研究绕组材料、结构类型、短路时间等因素对累积效应所起的影响，获知累积效应的机理，构建变压器遭受单次及多次短路冲击后的抗短路能力评估体系，从而填补变压器抗短路能力及稳定性研究领域的理论空白，为变压器的寿命预测、产品设计以及电网的安全运行提供重要技术支撑。

1．电流相位比较式母线保护

电流相位比较式母线保护的原理是利用总差动电流判别是否为母线上发生故障。在判别为母线故障的情况下，以差动电流为参考量，用母联电流相位判别故障母线。这种保护可以省略交流切换回路，简化二次接线，适应一次系统的倒闸操作，它不受母线上元件连接方式的影响。但存在以下问题：

1）根据电力系统潮流分配、减小系统短路容量等运行方式的需要，要求将两组母线分列运行时，母线保护将失去选择故障母线组的能力；

2）当两条母线同时故障或相继故障时，只能切除先发生故障的母线，不能切除后发生故障的母线。因为母联开关跳闸后，母联电流消失，母差保护选择元件不能动作，致使后发生故障的母线不能切除；

3）当故障发生在母联断路器和母联电流互感器之间时，无故障母线将被切除；

4）当母线故障母差保护动作，若母联开关失灵，母差保护将无法切除故障。

20世纪七八十年代曾在我国出现的LXB型母差保护就是基于这种原理的典型产品。从电网的要求看，这种保护无论在性能还是运行维修方面都难以适应，将逐步被淘汰。

2．中阻抗型母线保护

中阻抗型母线电流差动保护充分掌握并利用了电流互感器饱和的暂态特性，较好地解决了区外故障电流互感器饱和不误动，区内故障正确快速动作。该种保护对电流互感器无特殊要求，电流互感器变比可以不一致。其最突出的优点是原理先进而电路和结构都十分简单，它们在220kV及以下电网中广泛采用，取得了较成功的运行业绩。

中阻抗型母线保护方案是基于以下2个基本假设：

1）对于外部故障，完全饱和的连接元件的电流互感器二次回路可以只用其全部直流回路电阻表示；

2）对于内部故障，空载的连接元件的电流互感器二次回路可以用一个较大的励磁阻抗表示。

它的原理是把高阻抗特性和比率制动特性结合起来的一种保护。由于电流互感器饱和时的特性即励磁阻抗变得非常小，励磁电流随之变得非常大，电流互感器二次回路分得的电流也就很小。在母线外部故障时，差动回路的差动电流变大，因此在差动回路中巧妙地串人一个阻值较大的电阻R_ed，当外部发生故障致使故障支路电流互感器完全饱和时，故障支路的二次阻抗可近似为其全部直流回路电阻与导线电阻之和，远小于差动回路中的电阻值，从而使流过所有非故障元件的二次电流之和（等于故障电流）被强制通过故障元件电流互感器的二次绕组构成的通路，使流过差动回路上的电流大大减小，加在继电器上的电压是数值不大的不平衡电压。当母线内部发生故障时，流过差动回路的电流（总故障电流的二次电流）很大，加在差动继电器上的电压升高，使继电器动作。这种方法有效地解决了外部故障时因电流互感器饱和带来的保护误动问题，保证母线保护可靠、正确、快速动作，且装置原理及实现等方面优于微机母线保护。此外，由于国内外微机装置刚刚出现，运行经验缺乏，因此今后几年内中阻抗母线保护装置仍将发挥重要作用。

但中阻抗母差保护存在双母线位置切换不可靠及非微机型保护无自检和通信功能等问题，近年来，已开始逐步被微机型母差保护所取代。

3．高阻抗型母线保护

高阻抗母差保护的原理与中阻抗母差保护相近。为防止区外故障母差保护误动作，中阻抗母差保护在差电流回路接人了中阻抗，为确保区外故障母差保护的可靠性，还必须校验从母差保护向电流互感器方向看整个二次回路的电阻是否满足要求。这在二次回路电缆较长、比率制动系数较大的情况下是困难的。高阻抗母差保护在这方面性能要好得多。高阻抗母差保护也称电压型母差保护，差动回路电阻一般为几千欧姆。与中阻抗母差保护类似，高阻抗母差保护对于区内故障也采用电流互感器饱和前快速动作的方式，区内故障动作速度快。高阻抗母差保护灵敏度高，二次回路接线简单，调试方便，主要技术问题是过电压问题。这在一定程度上限制了它在国内电网的应用。