电线短路对串联和并联的用电器影响相同吗

陈师傅 2027年01月13日 阅读 (7)

路点处的电压与一个比值密切相关,这个比值就是电源内阻+线路电阻与短路点电阻之比Kx。

当短路处的电阻远小于电源内阻与线路电阻之和时,短路点的路端电压近乎为零;当短路处电阻远大于电源内阻与线路电阻之和时,特别是当电源内阻与线路电阻之和小于或者等于短路处电阻的1/50时,短路处的路端电压等于电压电动势的98%。此时短路处的电压表不但有示数,而且短路前后其电压基本不变。我们把这种电源叫做无限大容量电源系统。

以下我来讨论一番。

我们首先看下图:

电线短路对串联和并联的用电器影响相同吗(1)

图1:分析用电路之一

图1的左图是正常电路,它的电源E既可能是交流也可能是直流。我们看到负载电器的两侧安装了电压表,电压表的示值就是路端电压U。

我们设电源的内阻(忽略线路电阻)是r,再设负载电器的等效电阻是R,则路端电压U为:

U=ERr+R=ErR+1=EKx+1U=\frac{ER}{r+R}=\frac{E}{\frac{r}{R}+1}=\frac{E}{K_x+1} ,式1

注意到式1分母中的电阻比Kx。如果电源内阻r相对负载电器等效电阻很小,Kx≈0,则路端电压U近乎等于电源电动势E;如果电源内阻r很大,R远小于r,Kx的值很大,则路端电压U的值必然小于电源电动势E。也即:

现在我们把短路线接在电器的两侧,由于短路线的电阻Rx远远小于电器等效电阻R,故两者的并联值 Rk=Rx//R≈RxR_k=R_x//R\approx R_x 。我们把Rk代入到式1中:

U=ErRk+1U=\frac{E}{\frac{r}{R_k}+1} ,式2

我们同样看到:

我们设6V干电池的内阻r是0.4Ω,负载灯是6V0.1W,见下图:

电线短路对串联和并联的用电器影响相同吗(2)

图2:短路处的电压分析

图2的左图是正常运行电路,右图是把短路线与灯HL并联。图2的左图和右图在负载侧都并接了电压表V。注意到负载灯HL两端的电压其实就是路端电压。

我们先算灯HL的电阻: R=U2P=620.1=360ΩR=\frac{U^2}{P}=\frac{6^2}{0.1}=360\Omega

对于正常运行的电路,由式1可得路端电压U为:

U=ErR+1=60.4360+1≈5.9933VU=\frac{E}{\frac{r}{R}+1}=\frac{6}{\frac{0.4}{360}+1}\approx 5.9933V

我们再来看短路电路。计算得到短路线的电阻Rx=0.017Ω,它与灯HL并联后的电阻是0.017//360约等于0.01699919726Ω,我们看到短路点的电阻Rk近似等于短路线电阻。我们把Rk=0.017Ω代入式2,得到:

U=ErRk+1=60.40.017+1≈0.2446VU=\frac{E}{\frac{r}{R_k}+1}=\frac{6}{\frac{0.4}{0.017}+1}\approx 0.2446V

这个电压值相对电源电动势E的百分比是4.08%,用一般的6V电压表或者万用表是可以看出来的。当然,测量时要冒一定的风险,因为此时短路线会发热,而电池剧烈升温,撑不了多长时间就会炸裂,故电压表有效示数时间有限。

顺便提一下:短路线的温度θk是可以算出来的,公式如下:

θk=1α0\theta _{k} =\frac{1}{\alpha _{0} } ,式3

我们设环境温度是25℃,短路线接入电路后的电流是14.39A,利用式3我们计算出1秒后短路线的温度是26.1114℃,2秒后是27.2276℃,4秒后是29.4744℃。至于电池的温度是多少,就留给题主去计算吧。

注意到电路正常时的Kx值为:

Kx=r/R=0.4/360≈0.001111K_x=r/R=0.4/360\approx 0.001111

当发生短路时的Kx值为:

Kx=r/Rk=0.4/0.017≈23.53K_x=r/R_k=0.4/0.017\approx 23.53

由此可见Kx值与路端电压的关系——电路正常时Kx值小而路端电压高,电路短路时Kx值大而路端电压低。我们已经能看出题主问题答案之所在。

题主所指电器的工作环境应当是低压配电网的末端,即工作电压为380V/220V的配电网。

在任何一本有关供配电的书里,以及我写的书里,都有短路电流波形图,如下:

电线短路对串联和并联的用电器影响相同吗(3)

图3:短路电流波形图

图3的t=0之前(左侧)是正常运行状态下的电压u波形和电流i波形。当t=0时发生了短路,短路电流瞬间增大了许多倍,但我们注意到电压u的波形幅值几乎不变,这说明此配电网属于无限大容量配电系统。

无限大容量配电网的特征是:电源内阻抗与线路阻抗合并的阻抗小于或者等于配电网短路阻抗的1/50,即Kx=1/50。我们按式1,有:

u=ezZk+1=eZk50×Zk+1≈0.98eu=\frac{e}{\frac{z}{Z_k}+1}=\frac{e}{\frac{Z_k}{50 \times Z_k}+1}\approx 0.98e ,式4

式4告诉我们,无限大容量配电网中发生短路前后,系统的电压基本不变。我们再次看到Kx对短路点电压所起到的作用。

低压380V/220V配电网的线路阻抗较大,故不属于无限大容量配电网。当配电网末端发生短路时,例如题主所指的电器处,电压会下降到额定电压的15%;在电力变压器处,例如它的出口母线处发生短路,则电压会下降到额定电压的50%。

电线短路对串联和并联的用电器影响相同吗(4)

图4:低压配电网短路处的电压

注意:图4所显示的短路处的电压值对应于深层短路状态,即短路后任何开关都不执行保护,任由短路发展,此时的短路电流叫做短路电流的稳态值Ik,见图3最右侧的短路电流波形。

题主提到在低压配电网末端电器处发生短路时其并联电压表是否会有示数,答案是肯定的。对于220V交流电,其值大约在33V左右。由于短路电流很大,线路中的开关电器会在很短时间内(一般在50毫秒左右)执行线路保护跳闸,靠目视电压表的变化我们只能看到它从正常电压值下降到零值。

另外,当断路器执行短路保护开断时,如果用电电器属于感性负载,且断路器开断时其触头灭弧功能很强,则开断后会出现过电压。与负载并接的电压表如果灵敏度足够,可以看到电压波动。

我们看下图:

电线短路对串联和并联的用电器影响相同吗(5)

图5:当断路器开断时发生的电压波动

我们从图5最右侧看到电压曲线上寄生了振荡波和过电压,它是负载电感量与线路分布电容谐振造成的。如果寄生振荡超过断路器触头间隙的介质恢复强度,则触头电弧将重燃,负载侧的电压亦不会小。限于篇幅,这里就不细谈了吧,有兴趣的知友们可参阅如下链接文档:

为什么感性负载的投入和切除会引起电力系统内部过电压?58 赞同 · 14 评论回答

电线短路对串联和并联的用电器影响相同吗(6)

原来,短路处的电压不但与短路处的电阻或者阻抗有关,与电源内阻或者内阻抗、线路电阻或者线路阻抗等都有关,而起到关键作用的就是电阻或者阻抗比Kx。

特别地,对于无限大容量电源或者无限大容量配电系统,即便发生了短路,短路处的电压与电路正常运行时的电压基本一致。

电线短路对串联和并联的用电器影响相同吗(7)

图6:电网

由此可见电网的能量是多么巨大。

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