單相短路

單相短路是指單相接地短路。

單相短路故障的開斷在電力系統各種電路的開斷中，短路故障的開斷任務最艱巨。

基本介紹

• 中文名：單相短路
• 外文名：Single phase short circuit
• 實質：檔案經計算機軟體
• 特指：大於單相接地短路電流計算

高低壓電器及設計

在大接地電流系統或三相四線制系統中發生單相短路時，根據對稱分量法可知單相短路電流為：

（1-1）

式中， 、 、 為單相短路迴路的正序、負序、零序阻抗。

在工程設計中，常用（1-2）到（1-4）計算低壓配電線陸單相短路電流，即

（1-2）

（1-3）

（1-4）

式中， 為線路的線電壓； 為相線與N線短路迴路的阻抗； 為相線與PE線短路迴路的阻抗； 為相線PEN線短路的阻抗。

在無限大容量系統中或遠離發電機處短路時，兩相短路電流和單相短路電流均較三相電路電流小，因此，選擇和校驗電器設備應採用三相短路電流，兩相短路電流主要用來校驗相間短路保護的靈敏度，單相短路電流主要用於單相短路保護的整定及校驗。

恢復電壓的計算

開斷中性點直接接地發電機電路中的母線單相接地短路故障主接線圖，L和R分別為發電機的電感和電阻，C為發電機的對地電容。設高壓開關電氣觸頭分離瞬間，短路電流的非周期分量已衰減完，即不考慮短路電流的非周期分量。

忽略高壓開關電器電弧壓降 ，則通過斷口的短路電流 和電源電壓e的關係為

（1-5）

（1-6）

式中， 為電源的電壓幅值； 為阻抗比； 。

短路電流 和電源電壓e的波形圖，當 時，斷路器觸頭開始分離形成電弧。由於忽略了電弧壓降，此時與高壓開關電器斷口並聯的電容C上的電壓為零。當 時，迴路電流過零，電弧熄滅，此時電源電壓開始通過R與L對電容C充電，電容C上的電壓 （即開關斷口兩端的恢復電壓 ）將逐漸上升。

此時的母線單相對地短路迴路為電容性電路（實際上是R-L-C電路），電容的充電過程和交流電源 在 時閉合R-L-C迴路的過程完全相同。

考慮到電力系統短路迴路中的迴路電阻R通常很小，一般均能滿足R< 的條件，所以，在合閘過程中將會產生高頻震盪，其角頻率 為

（1-7）

該頻率一般要比工頻高很多。因此，為求得過渡過程中的電容電壓 ，假設電源電壓的近似保持不變（如在電源電壓接近幅值時合閘，由於這時電源電壓變化最慢，該假設更接近實際），因此可以把交流電源簡化為直流電源，直流電源電壓 取為 時的交流電源電壓瞬時值，即

（1-8）

由三要素法，可得高壓開關電器斷口上的恢復電壓 為

（1-9）

式中， ； ； ； 。

進一步分析可知，當R< 時，由於 → ， →90°上式可簡化為

（1-10）

式中， 為電路固有衰減係數； 為電路固有振盪頻率。

降低操作過電壓的措施及機理

在高壓斷路器斷口兩端並聯電阻，可以降低短路故障關合時的操作過電壓。

1、並聯電阻的分類

根據並聯電阻的阻值大小不同，可將並聯電阻分為低值（幾個到幾十歐姆）、中值（幾百到幾千歐姆）和高值（幾萬歐姆及以上）三類。其中，並聯低值電阻可限制短路電流、降低工頻和恢復電壓和振幅係數，以及減慢恢復電壓的上升速度；並聯高值電阻的目的通常是為每相使用的高壓斷路器多個斷口進行均壓。

2、並聯電阻的電路

用裝有並聯電阻的高壓開關電器開斷髮電機母線單相接地故障時的電路。該電器有主斷口 和輔助斷口 兩個斷口。將電阻 並聯在主斷口 上。當開斷電路時，主斷口 先打開，並聯電阻 被接入；當主斷口 的電弧完全熄滅後，輔助斷口 打開，開斷流經並聯電阻的電流，使電路完全開斷。

3、並聯電阻 後，主斷口開斷時的電流和恢復電壓的計算

主斷口 開斷時的電路，右圖五b為a的等效電路。其中，電路的阻抗角 。

此時，恢復電壓為

（1-11）

式中， 為工頻恢復電壓， 。

由上式，可畫出主斷口並聯電阻後的恢復電壓曲線。

採用並聯電阻阻尼振盪後，恢復電壓的最大值 將不會超過工頻恢復電壓 。

恢復電壓最大上升速度出現的t=0時，其值為

（1-12）

由上式可知，並聯電阻 越小，恢復電壓的最大上升速度就越低，主斷口的開斷將比較輕鬆。

4、並聯電阻後開斷輔助斷口 時，輔助斷口的開斷電流和電壓的恢復過程

1）輔助斷口的開斷電流 的計算。

為輔助斷口 開斷時的電路，為其等效電路。

忽略流經電容C的電流，則輔助斷口 開斷前，流經電感的電壓e和電流i分別為

（1-13） （1-14）

式中

（1-15）

比較式（1-14）和（1-15），並考慮短路故障時wL>R， >R，得

（1-16）

式中， 為流經主斷口的短路電流。由式（1-16可知，輔助斷口 開斷的電流 要比主斷口 小。

2）並聯電阻 後開斷輔助斷口時的恢復電壓 的計算。

計算輔助斷口 開斷時的恢復電壓的等效電路。工頻恢復電壓 。由式（1-15）可知， 的存在，使 減小， 也隨之減小，因此，作用在輔助斷口 上的工頻恢復電壓 將要比主斷口 上的低。

輔助斷口 的恢復電壓 為

（1-17）

式中， ； 。

雖然輔助斷口的瞬態恢復電壓仍有高頻振盪，但其工頻恢復電壓和開斷電流都得到了一定程度的降低，所以，輔助斷口的開斷條件遠比主斷口的輕鬆。

輸電線路融冰絕緣地線單相短路電流分析

超高壓融冰地線接線系統在不同單相短路狀況下的短路電流分布特徵，並與未絕緣化地線相比較。研究結果表明：單相短路地線感應電壓將引起融冰絕緣地線間隙擊穿，融冰絕緣地線架設改變了短路電流通道迴路；絕緣架設後流回變電站地網短路電流變化不大，不會對地網安全造成影響；在短路點桿塔入地電流值升高最大，需特別考慮其跨步電壓問題。

線路計算條件

南方電網某超高壓輸電線路為利用直流直接融冰，架空地線進行了全線絕緣化設計。仿真計算條件為：某 500kV超高壓單回線路全長127km，共254基鐵塔，每檔線路500m。土壤電阻率200Ω·m，變電站接地網等效電阻 0.5Ω，地線和變電站變壓器中性點之間的連線電阻R₀= R₀ˊ=1Ω，線路鐵塔等效接地電阻10Ω，桿塔波阻抗取為 150Ω，桿塔高度取值為45m。導線參數：相導線4×JL/G1A-400/50-54/7，分裂間距400mm；地線為LBGJ-120，直徑為14.25mm，直流電阻為0.7098Ω/km；光纜為OPGW-100，直徑為14mm，直流電阻為0.632Ω/km。

定義2 種地線接線方式：

方式1，OPGW和普通地線均全線連線且逐塔接地。

方式2，OPGW和普通地線均全線絕緣架設，絕緣地線每隔30km直接接地，線路終端桿塔均設定接地點。

變電站附近短路

若短路點在變電站附近，3號導體(A相電流)在第8基鐵塔處發生單相對地短路。則按照所建模型仿真，得到2 種地線接線方式下地線絕緣間隙電壓、鐵塔入地電流和短路電流，在變電站附近短路，地線絕緣間隙電壓最大瞬時值在短路點處約為160kV左右，短路點附近桿塔絕緣間隙擊穿，桿塔分流。地線間隙電壓向兩側隨著短路電流減少而減小。因為融冰絕緣地線間隙工頻擊穿電壓為66kV，隨著遠離短路點，電壓下降，後續的桿塔間隙不擊穿。融冰絕緣架設後的短路電流經固定接地桿塔、間隙擊穿桿塔和地線回流。

在接線方式1下，經地線流回變電站地網最大短路電流約為11kA，接地方式2下約為12kA。方式1和方式2中，OPGW地線的短路電流大於普通地線的短路電流，這主要是因為OPGW地線的阻抗小於普通地線的阻抗。由於OPGW和普通地線直徑差別很小且對稱排列，感抗差別很小，阻抗的差別主要體現為直流電阻差異。方式1和方式2中，短路電流經地線流回變電站地網電流差別不大。500kV變電站最大短路電流為63kA，融冰絕緣架設地線不會影響地網安全。

鐵塔入地電流主要分布在短路點和變電所附近。在方式2下，由於融冰絕緣間隙未擊穿和中間設定有固定接地桿塔，使桿塔入地電流呈現斷續分布的特徵。對比方式1桿塔入地電流，方式2中桿塔入地電流值較大，因此需特別考慮跨步電壓升高。

線路中間短路

若短路點位於線路中間位置，取3號導體在第128基鐵塔處發生單相對地短路，則按照所建模型仿真，得到2 種地線接線方式下短路電流、鐵塔入地電流和感應電壓。

在輸電線路中間短路，地線絕緣間隙電壓最大瞬時值在短路點處約為150kV，短路點附近桿塔絕緣擊穿，與變電站側短路情況差別不大。隨著遠離短路點，間隙電壓下降，到變電站側電壓下降至5kV 左右。

在方式1下，經地線流回變電站地網最大短路電流約為6.4kA，方式2下約為6kA，均小於變電站附近短路流回變電站地網的短路電流最大值。考慮融冰絕緣架設地線對地網的安全應主要參考變電站附近短路。

鐵塔入地電流主要分布在短路點處，向兩側逐漸減小。方式1中短路點桿塔入地電流約為730A，而方式2下則達到1.3kA。與短路點在變電站附近相比，固定接地桿塔入地電流上升較大，因此固定接地桿塔跨步電壓升高主要應考慮線上路中間位置短路情況。