首页 > 娱乐前沿 > 热点
曾经以为自己很熟悉「短路」是怎么一回事,读完被颠覆了
佚名 2015-12-10 16:30:10

好象是 2013 年的问题,而且是一位初三学生提出来的,这位学生现在应当已经在高二了吧。

尽管问题很简单,但简单的问题解答却往往有很深的道理。

不知为何,我对这个问题有点兴趣,不妨在问题提出 3 年后,也来谈谈这个话题。当然,我不仅仅只回答这位同学的问题,而是把它略加深入进行探讨。

第一:什么是无限大容量配电网

我们来看下图:

先看图 1,左边是电源部分,右边是负载部分,中间有一个断路器用作保护。图 1 中,r 是电源内阻,Ik 是短路电流,R 是短路后负载网络的线路电阻。

我们来计算负载网络的路端电压 U:

注意这里出现了 r/R 的比值。

若 r 小于或者等于 R 的 1/50,或者直接令 r=0.02R,则有:

这个式子说明什么?说明如果电源内阻小于负载侧短路电阻的 1/50,则:

短路前后电压基本不变。

我们看到,图 2 和图 1 是类似的,只不过图 2 是交流电源而已。

在国家标准中,把符合这种条件的配电网称为无限大容量的配电网。

这个概念非常重要,它是分析短路现象的重要条件。

第二:在交流电路中的电感

我们都知道,电感具有感抗,当流过电感的电流发生变化时,它能产生反向电动势。如下:

也就是说,当发生短路的瞬间,电流发生了很大的变化,交流线路中的电感会产生反向电动势,以试图抵消这种变化。同时,电感还会把储存的磁场能释放出来,形成了逐渐衰减的直流电流。

值得注意的是,这里的电感就是配电网中的电力变压器绕组,这是低压配电网中的最大电感。

第三:短路电流波形分析

1)我们看到短路前后,电压 U 不变。这说明,此配电网是无限大容量配电网。

2)短路后,负载侧的电阻大幅度地减小,事实上就是短路点前的线路电阻与短路处电阻之和。由于短路前后电压基本不变,因此短路电流很大。U 的变化符合正弦规律,短路电流当然也符合正弦规律。我们把这个电流称为短路电流的周期分量 Ip,或者叫做短路电流的交流分量。

3)短路前的运行电流处于负半波,所以变压器电感反向电动势产生的电流一定处于正半波。同时,电感中的磁场能随着时间逐步衰减,因此由变压器电感反向电动势产生的电流被称为短路电流的非周期分量 Ig,或者叫做短路电流的直流分量。

4)短路全电流 Ish 是的交流分量和直流分量叠加的结果。Ish 在短路后 10 毫秒时出现的最大值 Ipk,被称为冲击短路电流峰值。

冲击短路电流峰值决定了短路电流的电动力冲击作用,它是计算和衡量开关电器动稳定性的基础。

GB 14048.2-2009《低压开关设备和控制设备 第 2 部分:断路器》中规定,将动稳定性电流除以峰值系数 n,得到的电流称为短时耐受电流,此电流决定了短路电流的热冲击作用,它是计算和衡量开关电器热稳定性的基础。

5)随着直流分量的减弱消失,短路电流最后只剩下交流分量。

在这里,我们可以看到直流分量的曲线是指数函数,并且它按时间常数 T 而衰减,在 5T 时基本上已经衰减完毕。时间常数 T 为系统电感量与系统电阻的比值。

这些参量中最重要的就是短路电流的交流分量或者短路电流的稳态分量、冲击短路电流峰值以及它出现的时间。

对于低压配电网,在 IEC 60947-1:2009 和 GB 24048.1-2012《低压开关设备和控制设备 第 1 部分:总则》中规定,冲击短路电流峰值与短路电流稳态分量的比值是峰值系数 n,n 的范围是:

这里的试验电流 I 就是短路电流稳态分量。

举例:若电力变压器的容量为 2000kVA,低压侧线电压为 400V,阻抗电压为 6%,则有:

变压器额定电流:

变压器的短路电流稳态分量:

由表中查得,此时的峰值系数:n=2.1,故有:

变压器的冲击短路电流峰值:

冲击短路电流峰值出现的时间是短路后 10 毫秒。

从计算中我们看不出当 Ipk=101kA 时会发生什么问题。我们不妨来计算一下。由毕奥。萨法尔定律我们可以得到母线间的电动力计算式,如下:

,这里 I 就是短路电流,L 是母线长度,A 是母线中心距。若母线长度为 12m,母线中心距为 0.2m,电流就是 101kA,我们代入表达式后得到:

也就是这两支母线中流过 101kA 的短路电流时,两支母线之间的短路电动力为 1249 千克力,折合 1.25 吨的短路电动力!这个力足以把普通的开关柜给撕裂解体。

第四:讨论题主的问题

题主的问题是,用一根导线把电池的正负极短路后所发生的情况分析。

由于导线的电阻很小,不妨假定导线电阻 R 与电池内阻 r 相等。于是此时流过导线和电池内阻的电流为:

显然,短路电流 Ik 的值很大,将造成电池剧烈发热,外部短路导线也剧烈发热,电池将因此而损坏。

举例:1.5V 电池的内阻是 10,所以有:

这么大的电流流过区区导线,导线将发热发红而焚毁,电池也因为剧烈发热而损毁。

当然,要充分注意电池的内阻条件。电池容量越小,它的内阻越高,短路后的发热作用就越低。我们把一颗纽扣电池用导线加以短路,应当不会发生什么剧烈的发热现象。原因就是电池的内阻大,产生了限流作用使得电流不会大幅增加。

当负载是正常负荷时,负荷电流是正常值,因而对电池不会发生任何影响。

第五:交流配电系统发生短路时会有什么现象

一台 1250kVA 的变压器,一次中压侧是 6kV,二次低压侧为 0.4kV,,变压器的阻抗电压是 6%,额定电流是 1804A,短路电流是 30.1kA。低压进线断路器的额定电流是 2000A,长延时过载保护整定在 0.8In=1600A,短延时短路保护整定在 5In=10kA,瞬时短路保护整定值为 8In=16kA。

某日低压开关柜的抽屉与分支母线接插处发生短路故障,且故障持续时间有半个多小时。在此期间中压断路器未保护动作,最后由低压进线断路器执行了保护动作。故障发生时天气良好,温度也不高,低压开关柜运行正常。

事故首先是一台 400A 抽屉出现短暂电弧,但低压主进线断路器和 400A 抽屉中的断路器均未跳闸保护。现场人员将抽屉断路器紧急分断后抽出检查,未发现明显的问题。推入后继续运行。

第二次短暂电弧并未引起操作人员注意,直到第三次强烈电弧引起低压进线断路器跳闸保护。事后发现低压开关柜的分支母线已经被严重损毁。

我们来看第一次故障录波记录:

从故障录波看,事故发生时在故障点出现了三相短路。其中电流最高瞬时值是 B 相的 500A,也即低压系统 B 相的 7.5kA。短路故障持续了 160 毫秒。

事后检查,发现低压开关柜中一套 400A 的抽屉回路与分支母线接插处的绝缘支撑件发生严重的烧蚀破坏。因此可以断定,第一次故障是因为过热和灰尘引起爬电击穿造成的。事故发生后,电弧将灰尘吹掉使得爬电击穿现象自动停止。

我们来看第二次故障录波记录:

我们看到一个现象:B 相和 C 相的电流波形是重合的,而且与 A 相反相。此波形说明 A 相出现了相对地短路,即单相接地故障。

我们看到 A 相电流的最大值是 850A 左右,乘以变压器变比 15 后得到低压 A 相的单相接地故障电流是 12.75kA,故障存在的时间是 180 毫秒。

由前边的描述可知,第二次故障发生在操作人员再次合闸运行之后。由于第一次故障电弧使得分支母线的绝缘支撑件绝缘能力受到严重破坏,所以第二次故障的原因就是单相接地故障。虽然故障电弧仅存在了很短暂的一段时间,但分支母线的绝缘支撑件其绝缘能力已经被完全破坏了。

我们再看第三次故障录波记录:

第三次故障录波波形就是单纯的三相短路,6kV 侧的电流最大值是 1150A,折合到 400V 低压侧相当于 17.25kA。此电流值已经超过低压进线断路器的瞬时整定值 16kA 了,于是当三相短路电流最大值连续出现了 5 个周波 100 毫秒后,断路器执行了短路保护。

因为短路发生在分支母线上,所以处于故障点下游的 400A 抽屉中的断路器当然不会跳闸。

值得注意的是:低压开关柜的维护和保养十分重要,应当定期地去清扫开关柜内各个部件上面的绘成,特别是各类绝缘件上面的灰尘;定期检查低压开关柜的运行状况,一旦发现绝缘件有问题应当立即更换,消除事故隐患。

这个例子说明,在分析配电系统中出现的短路现象时,既需要有记录分析,也要有一定的经验配套,这样才能得到相对完整的故障分析和结论。

我对这个题目的探讨和延伸,到此就结束了。显见,我的这个回答并不是针对学生的,更不是针对初三的学生,而是与有一定工作经验的电气工作者进行对话,并且期望能与电气工作者们深入探讨。

谢谢大家!

客官,这篇文章有意思吗?

好玩!预告 App 接着看 (????) ?

再逛逛吧 ˊ_>ˋ

上一篇  下一篇

I 相关 / Other

付费12月10号 盘后分析

今天两市依然振荡较多,各主要股指涨跌互现,深市表现强于沪市!深圳综指收于2211.86,成交量与昨日基本相当

吃素和吃肉,哪个更健康?

时下不少女明星流行完全吃素食,出于环保、信仰、健康等目的,她们拒绝一切动物性食物;而我们生活中还存在

怎样选择一个好枕头?

人的一生有很多时间,可以成功地做成很多漂亮事情,可现在的你会科学地选择一个真正合适自己的小枕头吗?今

人的一生能交多少朋友?

友谊是人生中最宝贵的精神财富之一。许多人都认为,人的一生交的朋友越多越好。但是科学研究表明,人类的好

心理咨询和朋友聊天有什么不同?

成为心理咨询师以后,经常会有身边的朋友约我聊聊烦心事,有时聊得时间长了,朋友过意不去,会问是不是应该

I 热点 / Hot