短路在物理學的解釋

電力系統在運行中，相與相之間或相與地（或中性線）之間發生非正常連接（即短路）時而流過非常大的電流。其電流值遠大于額定電流，并取決于短路點距電源的電氣距離。例如，在發電機端發生短路時，流過發電機的短路電流最大瞬時值可達額定電流的10～15倍。大容量電力系統中，短路電流可達數萬安。這會對電力系統的正常運行造成嚴重影響和后果。

三相系統中發生的短路有4種基本類型：三相短路，兩相短路，單相對地短路和兩相對地短路。其中三相短路時對稱短路，其余均是不對稱短路。在短路故障中，一相對地的短路故障最多，約占全部故障的90%。在中性點非直接接地的電力網絡中，短路故障主要是各種相間短路。

發生短路時，電力系統從正常的穩定狀態過渡到短路后的穩定狀態，一般需3～5秒。在這一暫態過程中，短路電流的變化很復雜。在短路后約半個周波（0.01秒）時將出現短路電流的最大瞬時值，稱為沖擊電流。它會產生很大的電動力，其大小可用來校驗電工設備在發生短路時機械應力的動穩定性。短路電流的分析、計算是電力系統分析的重要內容之一。它為電力系統的規劃設計和運行中選擇電工設備、整定繼電保護、分析事故提供了有效手段。

電氣線路上，由于種種原因相接或相碰，產生電流忽然增大的現象稱短路。相線之間相碰叫相同短路；相線與地線、與接地導體或與大地直接相碰叫對地短路。在短路電流忽然增大時，其瞬間放熱量很大，大大超過線路正常工作時的發熱量，不僅能使絕緣燒毀，而且能使金屬熔化，引起可燃物燃燒發生火災。造成短路的主要原因有：1、線路老化，絕緣破壞而造成短路；2、電源過電壓，造成絕緣擊穿；3、小動物（如蛇、野兔、貓等）跨接在裸線上；4、人為的多種亂拉亂接造成；5、室外架空線的線路松弛，大風作用下碰撞；6、線路安裝過低與各種運輸物品或金屬物品相碰造成短路.

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2)在混聯電路中,用導線或開關直接將某電路元件或負載的兩端連接起來。(這是因需要并不會導致因電流過大而發生燒毀現象的安全連接,是一種局部或部分的短路。如用幾十只小燈泡串聯而成的節日小彩燈,為了延長它的使用壽命,當其中某只燈絲斷開而損壞后,其內部的特別結構會自動將其兩端連接而使其他小燈泡正常工作。)

系統短路容量對所接入的鏈式靜止同步無功補償器運行狀態有嚴重影響。當鏈式靜止同步無功補償器額定容量一定時,系統短路容量越小,越容易導致其運行不穩定。而為了使鏈式靜止同步無功補償器在額定功率全范圍內穩定可靠運行,系統短路容量必須大于某限值。

隨著我國電力工業的迅猛發展，變壓器的單臺容量和輸電系統短路容量不斷增長。一旦系統發生短路事故，而短路電動力超過了變壓器繞組所能承受的力，就會產生繞組失穩變形，導致其絕緣損壞，嚴重的甚至將變壓器燒毀，造成重大電網事故和難以挽回的經濟損失。研究發現，變壓器因短路電動力造成的損壞，大部分并不是系統短路一兩次就能損壞的，歷次短路沖擊后繞組變形的累積是不可忽視的因素。本項目擬對變壓器遭受多次短路沖擊后的累積效應這一復雜問題開展研究，通過建立變壓器的多場耦合模型，對變壓器繞組機械強度薄弱處進行受力分析，并通過實驗室平臺研究及現場驗證等方式，研究繞組材料、結構類型、短路時間等因素對累積效應所起的影響，獲知累積效應的機理，構建變壓器遭受單次及多次短路沖擊后的抗短路能力評估體系，從而填補變壓器抗短路能力及穩定性研究領域的理論空白，為變壓器的壽命預測、產品設計以及電網的安全運行提供重要技術支撐。

1．電流相位比較式母線保護

電流相位比較式母線保護的原理是利用總差動電流判別是否為母線上發生故障。在判別為母線故障的情況下，以差動電流為參考量，用母聯電流相位判別故障母線。這種保護可以省略交流切換回路，簡化二次接線，適應一次系統的倒閘操作，它不受母線上元件連接方式的影響。但存在以下問題：

1）根據電力系統潮流分配、減小系統短路容量等運行方式的需要，要求將兩組母線分列運行時，母線保護將失去選擇故障母線組的能力；

2）當兩條母線同時故障或相繼故障時，只能切除先發生故障的母線，不能切除后發生故障的母線。因為母聯開關跳閘后，母聯電流消失，母差保護選擇元件不能動作，致使后發生故障的母線不能切除；

3）當故障發生在母聯斷路器和母聯電流互感器之間時，無故障母線將被切除；

4）當母線故障母差保護動作，若母聯開關失靈，母差保護將無法切除故障。

20世紀七八十年代曾在我國出現的LXB型母差保護就是基于這種原理的典型產品。從電網的要求看，這種保護無論在性能還是運行維修方面都難以適應，將逐步被淘汰。

2．中阻抗型母線保護

中阻抗型母線電流差動保護充分掌握并利用了電流互感器飽和的暫態特性，較好地解決了區外故障電流互感器飽和不誤動，區內故障正確快速動作。該種保護對電流互感器無特殊要求，電流互感器變比可以不一致。其最突出的優點是原理先進而電路和結構都十分簡單，它們在220kV及以下電網中廣泛采用，取得了較成功的運行業績。

中阻抗型母線保護方案是基于以下2個基本假設：

1）對于外部故障，完全飽和的連接元件的電流互感器二次回路可以只用其全部直流回路電阻表示；

2）對于內部故障，空載的連接元件的電流互感器二次回路可以用一個較大的勵磁阻抗表示。

它的原理是把高阻抗特性和比率制動特性結合起來的一種保護。由于電流互感器飽和時的特性即勵磁阻抗變得非常小，勵磁電流隨之變得非常大，電流互感器二次回路分得的電流也就很小。在母線外部故障時，差動回路的差動電流變大，因此在差動回路中巧妙地串人一個阻值較大的電阻R_ed，當外部發生故障致使故障支路電流互感器完全飽和時，故障支路的二次阻抗可近似為其全部直流回路電阻與導線電阻之和，遠小于差動回路中的電阻值，從而使流過所有非故障元件的二次電流之和（等于故障電流）被強制通過故障元件電流互感器的二次繞組構成的通路，使流過差動回路上的電流大大減小，加在繼電器上的電壓是數值不大的不平衡電壓。當母線內部發生故障時，流過差動回路的電流（總故障電流的二次電流）很大，加在差動繼電器上的電壓升高，使繼電器動作。這種方法有效地解決了外部故障時因電流互感器飽和帶來的保護誤動問題，保證母線保護可靠、正確、快速動作，且裝置原理及實現等方面優于微機母線保護。此外，由于國內外微機裝置剛剛出現，運行經驗缺乏，因此今后幾年內中阻抗母線保護裝置仍將發揮重要作用。

但中阻抗母差保護存在雙母線位置切換不可靠及非微機型保護無自檢和通信功能等問題，近年來，已開始逐步被微機型母差保護所取代。

3．高阻抗型母線保護

高阻抗母差保護的原理與中阻抗母差保護相近。為防止區外故障母差保護誤動作，中阻抗母差保護在差電流回路接人了中阻抗，為確保區外故障母差保護的可靠性，還必須校驗從母差保護向電流互感器方向看整個二次回路的電阻是否滿足要求。這在二次回路電纜較長、比率制動系數較大的情況下是困難的。高阻抗母差保護在這方面性能要好得多。高阻抗母差保護也稱電壓型母差保護，差動回路電阻一般為幾千歐姆。與中阻抗母差保護類似，高阻抗母差保護對于區內故障也采用電流互感器飽和前快速動作的方式，區內故障動作速度快。高阻抗母差保護靈敏度高，二次回路接線簡單，調試方便，主要技術問題是過電壓問題。這在一定程度上限制了它在國內電網的應用。