6.1 短路的基本知识
6.1.1 短路的原因、类型及危害
在电力系统的运行过程中，时常会发生各种故障，对系统危害最大，而且发生概率最高的是短路故障(简称短路) 。
所谓短路，是指电力系统正常运行情况以外的相与相或相与地(或中性线) 之间的连接。在正常运行时，除中性点外，相与相或相与地之间是绝缘的。
产生短路的主要原因是电气设备载流部分的相间绝缘或相对地绝缘被破坏。正常运行时电力系统各部分绝缘是足以承受所带电压的，且具有一定的裕度。但架空输电线路的绝缘子可能由于受到过电压(例如由雷击引起) 而发生闪络或者由于空气的污染使绝缘子表面在正常工作电压下放电；其它电气设备如发电机、变压器、电缆等载流部分的绝缘材料在运输、安装及运行中削弱或损坏，造成带电部分的相与相或相与地形成通路；运行人员在设备(线路) 检修后未拆除地线就加电压或者带负荷拉刀闸等误操作也会引起短路故障；此外，鸟兽跨接在裸露的载流部分以及大风或导线覆冰引起架空线路杆塔倒塌所造成的短路也屡见不鲜。
短路故障分为三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路四种，各种短路故障的示意图及符号如图6-1所示。三相短路时三相系统仍然保持对称，故称为对称短路，其余三种类型的短路发生时，三相系统不再对称，故称不对称短路。
(a) 三相短路 (b) 两相短路 (c) 两相接地短路 (d) 单相接地短路
图6-1 各种短路故障的示意图及符号
电力系统的运行经验表明，在各种短路故障中，单相接地短路发生的机率最高。而在系统各元件中，高压架空输电线路长距离裸露在空气中，工作条件相对比较恶劣，短路故障发生的机率最高。
短路故障对电力系统的正常运行和电气设备有很大的危害，主要表现在如下几方面:
发生短路时，由于电源供电回路的阻抗减小以及突然短路的暂态过程，使短路回路中的短路电流值大大增加，可能超过该回路的额定电流许多倍。短路点距发电机的电气距离越近(即阻抗越小) ，短路电流越大。例如在发电机端发生短路时，流过发电机定子回路的短路电流最大瞬时值可达发电机额定电流的 倍，在大容量系统中的短路电流可达几万甚至几十万安培。短路点的电弧有可能烧坏电气设备；短路电流通过电气设备中的导体时，其热效应会引起导体或其绝缘的损坏。同时，导体也会受到很大的电动力冲击，致使导体变形，甚至损坏。因此，各种电气设备应有足够的热稳定度和动稳定度，使电气设备在通过最大可能的短路电流时不致损坏。
短路时短路点的电压比正常运行时低，如果是三相短路，则短路点的电压为零。这必然导致整个电网电压大幅度的下降，可能使部分用户的供电受到破坏，接在电网中的用电设备不能正常工作。例如在用电设备中占有很大比重的异步电动机，其电磁转矩与电压的平方成正比，当电压下降幅度较大时，电动机将停止转动；在离短路点较远处的电动机，因电压下降幅度较小而能继续运转，但转速将降低，导致产生废、次产品。此外，由于电压下降，转速降低，而电动机拖动的机械负载又未变化，电动机绕组将流过较大的电流，如果短路持续时间较长，电动机必然过热，使绝缘迅速老化，缩短电动机的寿命。
在由多个发电机组成的电力系统中发生短路时，由于电压大幅度下降，发电机输出的电磁功率急剧减少，如果由原动机供给的机械功率来不及调整，发电机就会加速而失去同步，(极端情况下) 使系统瓦解而造成大面积停电，这是短路造成的最严重、最危险的后果。
接地短路时出现的零序电流会产生零序磁通，在邻近的平行线路(如通信线路、电话线、铁路信号系统等) 上感应电动势，造成对邻近通信线路的危险和干扰影响，这不仅会降低通信质量，还会威胁设备和人身的安全。
6.1.2 计算短路电流的基本目的
短路故障对电力系统的正常运行影响很大，所造成的后果也十分严重，因此无论从设计、制造、安装、运行和维护检修等各方面来说，都应着眼于防止短路故障的发生，以及在短路故障发生后要尽量限制所影响的范围。这就要求必须了解短路电流的产生和变化规律，掌握分析计算短路电流的方法。
短路电流计算是电力系统最常用的计算之一，短路电流计算的具体目的有如下几个方面：
1. 选择电气设备
电气设备(如开关电器、母线、绝缘子、电缆等) 必须具有充分的电动力稳定和热稳定性，而电气设备的电动力稳定和热稳定的校验是以短路电流计算结果为依据的。
2. 继电保护的配置和整定
电力系统中应配置哪些继电保护以及保护装置的参数整定，都必须对电力系统各种短路故障进行计算和分析，而且不仅要计算短路点的短路电流，还要计算短路电流在网络各支路中的分布。并要作多种运行方式的短路计算。
3. 电气主接线方案的比较和选择
在发电厂和变电站的主接线设计中往往遇到这样的情况：有的接线方案由于短路电流太大以致要选用贵重的电气设备，使该方案的投资太高，但如果适当改变接线方式或采取某些限制短路电流的措施就可能得到既可靠又经济的方案，因此，在比较和评价主接线方案时，短路电流计算是必不可少的内容。
4. 在设计及以上电压等级的架空输电线路时，要计算短路电流，以确定电力线路对邻近架设的通信线是否存在危险及干扰影响。
5. 其它目的
电力工程中计算短路电流的目的还有很多，如确定中性点的接地方式；验算接地装置的接触电压和跨步电压；计算软导线的短路摇摆；计算输电线路分裂导线间隔棒的间距等等。
综上所述，对电力系统短路故障进行分析计算是十分重要的。但是，实际的电力系统是十分复杂的，突然短路的暂态过程更加复杂，要精确计算任意时刻的短路电流非常困难。然而实际工程中并不需要十分精确的计算结果，但却要求计算方法简捷、实用，其计算结果只要能满足工程允许误差即可。因此，工程中适用的短路计算，是采用在一定假设条件下的近似计算方法，这种近似计算方法在电力工程中称为短路电流实用计算。
短路故障称为电力系统的横向故障，因为它们是电力系统相与相或相与地的问题，而相与相或相与地的关系认为是横向关系。还有一种常见的故障是断线造成的故障，称为电力系统纵向故障。所谓断线，通常是发生一相或两相短路后，故障相开关跳开造成非全相运行的情况。断线故障有一相断线和两相断线，它们也属于不对称故障，分析方法与不对称短路的分析方法相似。
电力系统中仅有一处出现故障称简单故障，若同时有两处或两处以上发生故障，称复杂故障，复杂故障的分析方法以简单故障的分析方法为基础，在本书中不作具体介绍。
一般情况下三相短路是最严重的短路(某些情况下单相接地短路或两相接地短路电流可能大于三相短路电流) 。因此，绝大多数情况是用三相短路电流来选择或校验电气设备。另外，三相短路是对称短路，它的分析和计算方法是不对称短路分析和计算的基础。因此，本书先进行三相短路的分析和计算，在此基础上再讨论各种不对称短路。
6.1 短路的基本知识
6.1.1 短路的原因、类型及危害
在电力系统的运行过程中，时常会发生各种故障，对系统危害最大，而且发生概率最高的是短路故障(简称短路) 。
所谓短路，是指电力系统正常运行情况以外的相与相或相与地(或中性线) 之间的连接。在正常运行时，除中性点外，相与相或相与地之间是绝缘的。
产生短路的主要原因是电气设备载流部分的相间绝缘或相对地绝缘被破坏。正常运行时电力系统各部分绝缘是足以承受所带电压的，且具有一定的裕度。但架空输电线路的绝缘子可能由于受到过电压(例如由雷击引起) 而发生闪络或者由于空气的污染使绝缘子表面在正常工作电压下放电；其它电气设备如发电机、变压器、电缆等载流部分的绝缘材料在运输、安装及运行中削弱或损坏，造成带电部分的相与相或相与地形成通路；运行人员在设备(线路) 检修后未拆除地线就加电压或者带负荷拉刀闸等误操作也会引起短路故障；此外，鸟兽跨接在裸露的载流部分以及大风或导线覆冰引起架空线路杆塔倒塌所造成的短路也屡见不鲜。
短路故障分为三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路四种，各种短路故障的示意图及符号如图6-1所示。三相短路时三相系统仍然保持对称，故称为对称短路，其余三种类型的短路发生时，三相系统不再对称，故称不对称短路。
(a) 三相短路 (b) 两相短路 (c) 两相接地短路 (d) 单相接地短路
图6-1 各种短路故障的示意图及符号
电力系统的运行经验表明，在各种短路故障中，单相接地短路发生的机率最高。而在系统各元件中，高压架空输电线路长距离裸露在空气中，工作条件相对比较恶劣，短路故障发生的机率最高。
短路故障对电力系统的正常运行和电气设备有很大的危害，主要表现在如下几方面:
发生短路时，由于电源供电回路的阻抗减小以及突然短路的暂态过程，使短路回路中的短路电流值大大增加，可能超过该回路的额定电流许多倍。短路点距发电机的电气距离越近(即阻抗越小) ，短路电流越大。例如在发电机端发生短路时，流过发电机定子回路的短路电流最大瞬时值可达发电机额定电流的 倍，在大容量系统中的短路电流可达几万甚至几十万安培。短路点的电弧有可能烧坏电气设备；短路电流通过电气设备中的导体时，其热效应会引起导体或其绝缘的损坏。同时，导体也会受到很大的电动力冲击，致使导体变形，甚至损坏。因此，各种电气设备应有足够的热稳定度和动稳定度，使电气设备在通过最大可能的短路电流时不致损坏。
短路时短路点的电压比正常运行时低，如果是三相短路，则短路点的电压为零。这必然导致整个电网电压大幅度的下降，可能使部分用户的供电受到破坏，接在电网中的用电设备不能正常工作。例如在用电设备中占有很大比重的异步电动机，其电磁转矩与电压的平方成正比，当电压下降幅度较大时，电动机将停止转动；在离短路点较远处的电动机，因电压下降幅度较小而能继续运转，但转速将降低，导致产生废、次产品。此外，由于电压下降，转速降低，而电动机拖动的机械负载又未变化，电动机绕组将流过较大的电流，如果短路持续时间较长，电动机必然过热，使绝缘迅速老化，缩短电动机的寿命。
在由多个发电机组成的电力系统中发生短路时，由于电压大幅度下降，发电机输出的电磁功率急剧减少，如果由原动机供给的机械功率来不及调整，发电机就会加速而失去同步，(极端情况下) 使系统瓦解而造成大面积停电，这是短路造成的最严重、最危险的后果。
接地短路时出现的零序电流会产生零序磁通，在邻近的平行线路(如通信线路、电话线、铁路信号系统等) 上感应电动势，造成对邻近通信线路的危险和干扰影响，这不仅会降低通信质量，还会威胁设备和人身的安全。
6.1.2 计算短路电流的基本目的
短路故障对电力系统的正常运行影响很大，所造成的后果也十分严重，因此无论从设计、制造、安装、运行和维护检修等各方面来说，都应着眼于防止短路故障的发生，以及在短路故障发生后要尽量限制所影响的范围。这就要求必须了解短路电流的产生和变化规律，掌握分析计算短路电流的方法。
短路电流计算是电力系统最常用的计算之一，短路电流计算的具体目的有如下几个方面：
1. 选择电气设备
电气设备(如开关电器、母线、绝缘子、电缆等) 必须具有充分的电动力稳定和热稳定性，而电气设备的电动力稳定和热稳定的校验是以短路电流计算结果为依据的。
2. 继电保护的配置和整定
电力系统中应配置哪些继电保护以及保护装置的参数整定，都必须对电力系统各种短路故障进行计算和分析，而且不仅要计算短路点的短路电流，还要计算短路电流在网络各支路中的分布。并要作多种运行方式的短路计算。
3. 电气主接线方案的比较和选择
在发电厂和变电站的主接线设计中往往遇到这样的情况：有的接线方案由于短路电流太大以致要选用贵重的电气设备，使该方案的投资太高，但如果适当改变接线方式或采取某些限制短路电流的措施就可能得到既可靠又经济的方案，因此，在比较和评价主接线方案时，短路电流计算是必不可少的内容。
4. 在设计及以上电压等级的架空输电线路时，要计算短路电流，以确定电力线路对邻近架设的通信线是否存在危险及干扰影响。
5. 其它目的
电力工程中计算短路电流的目的还有很多，如确定中性点的接地方式；验算接地装置的接触电压和跨步电压；计算软导线的短路摇摆；计算输电线路分裂导线间隔棒的间距等等。
综上所述，对电力系统短路故障进行分析计算是十分重要的。但是，实际的电力系统是十分复杂的，突然短路的暂态过程更加复杂，要精确计算任意时刻的短路电流非常困难。然而实际工程中并不需要十分精确的计算结果，但却要求计算方法简捷、实用，其计算结果只要能满足工程允许误差即可。因此，工程中适用的短路计算，是采用在一定假设条件下的近似计算方法，这种近似计算方法在电力工程中称为短路电流实用计算。
短路故障称为电力系统的横向故障，因为它们是电力系统相与相或相与地的问题，而相与相或相与地的关系认为是横向关系。还有一种常见的故障是断线造成的故障，称为电力系统纵向故障。所谓断线，通常是发生一相或两相短路后，故障相开关跳开造成非全相运行的情况。断线故障有一相断线和两相断线，它们也属于不对称故障，分析方法与不对称短路的分析方法相似。
电力系统中仅有一处出现故障称简单故障，若同时有两处或两处以上发生故障，称复杂故障，复杂故障的分析方法以简单故障的分析方法为基础，在本书中不作具体介绍。
一般情况下三相短路是最严重的短路(某些情况下单相接地短路或两相接地短路电流可能大于三相短路电流) 。因此，绝大多数情况是用三相短路电流来选择或校验电气设备。另外，三相短路是对称短路，它的分析和计算方法是不对称短路分析和计算的基础。因此，本书先进行三相短路的分析和计算，在此基础上再讨论各种不对称短路。