短时耐受电流试验分析.docx
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短时耐受电流试验分析
短时耐受电流能力试验
第 1 节 概述
短时耐受电流能力试验，是用来考核开关电器在发生过载和短路故障的情
况下，并不分断电路但应能承受短时间、大电流所形成的点动力和热效应的作
用而不致破快的能力。
由于开关电器所使用的场合不同，短时耐受电流能力试验可分为两种：
（1）额定短时耐受电流的承载能力试验。
（2）耐受过载电流能力试验。
低压配电线路发生短路故障时，由于线路总阻抗减小，短路电流超过该线
路的额定电流许多倍，对于大容量的低压配电系统，短路电流可能达到几万到
几十万安培。
短路电流产生的巨大电动力效应和热效应会使导体变形、绝缘破
坏、短路电路中的电气元件损坏。
装置在线路上的电器在短路障碍的短暂时间
内应该能经受住短路电流的冲击，不受破坏。
笼型电动机启动时，电动机的启动电流较大，一般均大于 6 倍电动机的额
定电流，用于接通和分断电动机的电器，应能耐受由于启动和加速电动机过程
中出现的过电流及正常工作中一定时间内过载所引用的过电流产生的热效应。
短路故障电流通过电器时，同时产生点动力效应和热效应，并同时对电器
起作用，而且这两种效应对电器的破坏作用又是相互关联的。
电动力效应在电器的动、静触头间所产生的斥力可使触头的接触电阻增大，
从而增大触头的发热，即热效应增加。
而热效应可使电器的所有载流部件的机
械强度下降，从而降低了耐受电动力的能力。
因此，电动稳定性试验和热稳定
性试验严格说来是不应该分开进行的。
短时耐受电流能力试验就是对电器的电
动稳定性和热稳定性的一种综合考核 。
图 7-1 平行直流载流导体间的电动力
1、电动力分析
因为通有电流的导体在其周围要形成 磁场，而处于磁场中的载流导体要受
到机械力的作用，所以两个载流导体 之间也同样存在机械力的作用，这种由于
电流的存在而产生的力通常称为电动力。
1、两导体间的点动力。
如图 7-1 所示的两平行直线导体，导体 a 中通过的电流 I1 在导体 b 处产生
磁场，其强度为 B ， B 的大小正比于导体 a 中的电流 I1 值，即 B∞I1 ，磁场的方
向可用右手螺旋定则来确定。
处于磁场中载流导体 b 受到电动力 F 的作用，磁
场对载流导体的作用力方向可用左手定则来判定，而 F 的大小正比于磁感应强
度 B 和导体 b 中的电流 I2 ，即 F∞BI2 ∞I1I2 。
同理可知，处于载流导体 b 所产生
的磁场中的载流导体 a 同样受到电动力 F 的作用。
a、b 两导体的电动力可简单
表示为
F = CI1 I2
（7-1）
式中 F ——每相导体上所受的点动力；
C ——单位电流的电动力，决定于导体的回路形式、导体长度及相互间的
位置；
I1I2 ——导体中所通过的电流值。
在电器结构中的载流导体间，如图 7-2 所示的两平行或垂直的直流载流导
体、两同轴线且平行放置的载流线圈、环形或 U 形回路等，都有电动力的相互
作用。
图 7-2 各种导体布置的电动力
在式（7-1）中，如 I1 = I2 = I3 ，则
F = CI 2
（7-2）
由式（7-2）可知，导体间相互作用的电动力 F 不仅与通过导体的电流有关，
也与电器的结构尺寸有关。
但力 F 与电流 I 的平方成正比，因此电流大小对电
动力的影响是主要的。
2、触头间的电动力
当电流通过触头的接触点时，由于电流线在接触面附近发生收缩，在触头
间会产生点动力，这是一种电流自身磁场作用下的电动力，如图 7-3 所示。
如
果把电流线看作载流元导体，各元导体所受电动力 F 垂直于电流线，将电动力
F 分解成水平方向分力 Fx 和垂直方向分力 Fy ，因电流线分布对称，则水平方向
分力相抵消，接触面两侧垂直方向分力相加，且其合力方向相反，这就是触头
间的电动斥力。
根据触头接触面附近电流的收缩区电流——电位场的理论分析，触头间的
电动斥力 Fd 与触头电流 I 的平方成正比，当短路故障电流通过触头时，在触头
间产生很大的电动斥力，当电动斥力大于触头压力时，就会使触头斥开而产生
电弧，导致触头的严重烧损或发生触头熔焊，甚至整合电器遭到破坏，以致扩
大短路事故。
3、交流电流时的电动力
式（7-2）同样适用于交流电，设导体系统中通有相位相同的单相正弦电流
时的电流
式中
Im ——交流正弦电流的幅值。
则导体所受的电动力为
F = Ci2 = CIm sin2 ωt =
CIm （1- cos 2ωt ）
2
11
22
由式（7-4）可知，单相交流正弦电流的电动力由两部分所组成：
一部分为
恒定分量 F ' ，也是交流电动力的平均值；另一部分是交变分量 F '' ，它以两倍
电源的频率而变化。
单相交流电流时电动力随时间的变化规律如图 7-4 所示。
从图 7-4 可见，电动力的最大值为恒定分量的两边，即
Fmax = 2F ' = CIm
电动力的最小值为
Fmin = 0
电动力的作用方向不变。
图 7-4 单相交流电流的电动力曲线
当发生单相短路时，短路电流的过渡过程中常包括周期分量和非周期分量
两部分，周期分量的大小和回路的功率因素角、短路瞬间电压的相位角有关。
设短路前电流为零，短路时的电源电源为
U = Um sin （ωt +ψ ）
式中
Um ——交流电源电压的幅值；
ψ ——短路瞬间电压的相位角。
根据短路的过渡过程分析，短路电流为
i =
R
sin（ωt +ψ - ϕ ） - m sin（ψ - ϕ ）e L
Z Z
式中
R
= Im ⎢sin （ωt+ψ -ϕ ） - sin （ψ -ϕ ）e L ⎥
⎣ ⎦
= i' + i''
Z ——电路阻抗；
ϕ ——电流滞后电压的相角；
R ——电路电阻；
L ——电路电感；
Im ——短路电流周期分量的幅值。
式（7-6）中第一项为周期分量即稳态分量 i' ，第二项为非周期分量即暂态
分量 i'' 。
图 7-5 给出了单相短路电流随时间的变化规律。
图 7-5 单相短路电流曲线
由式（7-6）可知，当合闸相角ψ = ϕ 时，电流中非周期分量为零，也就是
说，短路后不经过过渡过程而立即立即进入稳定状态。
当合闸相角
ψ = ϕ - π 2 时，非周期分量电流最大，短路电路过渡过程最长。
要计算可能发生的最大电动力，就应按可能出现的最大电流来考虑。
当
ψ = ϕ - π 2 时候， i 最大，即
22
R
L
]
R
= Im ç - cosωt + e L ⎪
⎝⎭
（7-7）
当 ωt = π ，即 t = 0.01s ， i = icj ，即第一个周期电流峰值，称为短路冲击电
流。
此时出现最大电动力，即 Fmax = Cicj 。
与此相应所产生的电动力随时间的变化曲线如图 7-6 所示。
可知，电动力
的方向不变，而电动力的数值是变化的，可将电动力随时间的变化曲线分为两
列半波，一列半波有逐渐减小的峰值；另一列半波有逐渐增大的峰值。
当电流
达到稳定值后，短路电流中非周期分量即完全消失，此时电动力的两列半波的
峰值也趋于相等，
电器结构的机械强度应以电动力的最大值来参考，因此，允许通过的最大
峰值电流是短时耐受电流能力试验的一项主要参数指标，称为峰值耐受电流，
这一电流一般相当于短路电流第一个周波的峰值。
在三相交流电流系统中，如果各相的负载相同就，即在负载对称的情况下，
则各相电流也必然是正弦对称三相电流，即各相电流的幅值相等而相位互差
120o。
三相电力系统的短路形式有多重，其短路电流值及电动力也均不相同。
在三相对称短路时，由于各相电流的相位不同，各相短路电流交替改变其大小
和方向，三相导体之间的电动力要由电流瞬时值的大小和方向来决定，在同一
短路电流值下，单相短路的电动力大于三相短路的电动力。
这是因为在单相短
路时，两相位导体中同时出现短路电流的最大峰值，所以电动力最大；而三相
对称短路时，在三相导体系统中不会同时出现短路电流的最大峰值，
三极开关电器在进行三相交流短时耐受电流能力试验时，除各相的第一周
期峰值电流不相同以外，如果第一个周期最大峰值电流是出现在三相的中间相
或是出现在三相的边相（任一边相），其综合电动力也将不同。
根据计算分析可
知，当第一个周期最大峰值电流出现在中间相时将在此开关极上产生最大的电
动力、它比第一个周期最大峰值电流出现在边相上时的电动力更大。
但也必须
指出，这时试品更合理的做法应是，采用选相合闸开关把最大峰值电流轮流地
加在每极上依次考核。
2、热效应的概念
电网发生短路的一种严重故障，要求保护电器必须迅速动作，在几秒钟或
更短的时间内切除故障。
因此，这就要求主电路上的电路能承受短时间内的短
路电流发热的考验。
即电器能承受故障电流所形成的热效应作用而不致被破坏。
电器的导体被短路电流加热的特征是：
电流的数值很大而持续时间很短。
在这很短的时间内，由短路电流所产生的热量几乎全部用来升高导体自身的温
度，而来不及向周围散热。
因此，电路温度上升很快。
如果由于线路发生短路，
电流突然猛增至电器额定电流的几十倍甚至上百倍时，就会在电器中产生强烈
的发热。
当温升超过一定的限度时，电器的导电零件和触头等就必然发生熔焊、
变形或机械轻度降低；绝缘材料也必然迅速老化，绝缘性能下降；甚至烧毁整
台产品，进而扩大短路事故。
如果电器通电后，其全部发热均为电器吸收，并使其温度升高（散热为零），
则热平衡关系变为
Pdt = cmdτ
（7-
8）
τ =
cm
I t
（7-
9）
式中
τ ——发热体的温升；
Kad ——附加损耗系数；
R ——发热体电阻；
C ——发热体比热容；
m ——发热体质量。
由式（7-9）可知，电器在绝热情况下，温升τ 与 I 2t 成正比。
因此，除第
一个周期峰值电流外，稳态电流 I 和通电持续时间 t 也是考核短时耐受电流能力
的两个主要 参数指标。
前者称为短时耐受电流，对交流来说是周期分量有效值；
对直流来说是稳态电流值。
第 2 节 额定短时耐受电流的承载能力试验
额定短时耐受电流的承载能力试验是考核电器在实际运行中当电路发生短
时短路故障时是否能耐受此电流的一种模拟试验。
由于在试验过程中电器只承
载试验电流，而不接通也不分断此试验电流，因此，它与前述的短路接通和分
段能力试验及温升试验既有相同点又有不同点。
相同点是短路故障电流较大，
因而对试验设备和线路的要求基本相同；不同点是时间很短，不油被试电器分
断试验电路，而是人为切断电源。
表征电器承载短路电流能力的参数是额定短路耐受电流 Icw ，电器的额定短
时耐受电流是在有关产品标准规定的试验条件下电器能够无损地承载的短时耐
受电流值。
该值由制造厂规定。
现以低压断路器产品为例介绍额定短时耐受电流的承载能力试验方法。
一、试验条件
进行额定短时耐受电流的承载能力试验时，被试电器和试验电路等应满足
如下要求。
1、被试电器
（1） 试验应该在完好的电器上进行。
（2） 被试电器应按正常使用情况 接线并完整安装在其固有支架或等效的
支架上。
（3） 施加到电器接线端子螺钉上的拧紧力矩应按制造厂的规定。
（4） 具有整体外壳（构成装置一部分的外壳）的电器应完整地安装在外
壳中，正常工作时通常关闭的孔，在试验时应关闭。
（5） 预期使用在单独外壳（仅为容纳一台电器而设计和确定尺寸的外壳）
中的电器，应在制造厂规定的最小外壳中进行试验。
（6） 电器应在自由空气中进行试验。
（7） 电器在试验前可以空载操作几次。
低压断路器产品标准中规定的附加要求如下。
（1）除非有关标准另有规定，试验实在给定壳架等级最大额定电流的断
路器上进行，而且被认为是包括了该壳架等级的所有额定电流。
（2）试验时，应使断路器尽可能模拟运行情况进行操作。
装设有关动力
操作的断路器，试验时应采用控制能源（电压或气压）在其额定值的 85%下进
行闭合。
装设无关动作操作的断路器，试验时应采用储能到制造厂规定的最大
值的操动机构来完成闭合。
假设储能操作的断路器，试验时应采用以辅助电源
额定电压的 85%储能的操作装置进行闭合。
（3）试验时，断路器应处于闭合位置。
如果断路器具有过电流脱扣器，
包括瞬时超越脱扣器（如果有的话），则在试验过程中很有可能动作，这是不
允许的。
为此，应采取措施阻止脱扣器动作或使其动作失效。
2、试验电路
（1） 试验电路由电源、负载电阻器、负载电抗器和被试电器组成。
（2） 电源应有足够的容量，以保证制造厂规定的电器特性能够得以验证。
（3）交流电源可以是冲击发电机或电源变压器，电源空载电压波形基本
上为正弦，其波线失真不大于 5%。
（4）直流电源可以是发电机、蓄电池或三相桥式整流电源，电源空载电
压的波纹系数应不大于 5%。
（5）试验负载应由电阻器串联空心电抗器组成，电阻器和电抗器应能调
整到满足规定的试验条件。
电抗值应由各个电抗器串联耦合得到。
只有并联的
电抗器具有实际上相同的时间常数的条件下，才允许电抗器并联连接。
二、试验依据
断路器的额定短时耐受电流 Icw 是制造厂按标准规定的试验条件下对断路器
确定的短时耐受电流值。
额定短时耐受电流应不小于表 7-1 所示的相应值。
与额定短时耐受电流相应的短延时应不小于 0.05s，其优选值为
0.05、0.1、0.25、0.5、1s。
断路器应处于闭合位置进行试验，预期电流等于额定短时耐受电流，并在
相应的工作电压和规定的一般条件下进行试验。
若试验站用额定工作电压进行试验有困难的话，则可在任何合适的较低电
压下进行试验，在此情况下实际试验电流等于额定短时耐受电流。
1、交流情况下
试验应在断路器的额定频率下进行，频率的允差为 ±25% ，功率因素根据
表 6-9 所对应的试验电流，即额定短时耐受电流确定。
试验整定电流值是所有相交电流分量有效值的平均值，平均值应等于额定
值，整定电流的允差为 ±5% 。
每相电流的允差应是额定值的 ±5% 。
当试验在额
定工作电压下进行时候=，整定电流是预期电流。
当试验在任何较低的电压下进
行时，整定电流是实际试验电流。
通电时间应达到规定时间，在此时间内交流分量的有效值应保持恒定。
试验整定电流在第一个周波中的最大峰值应不小于 n 倍额定短时耐受电流，
对应于该电流值的 n 值按表 6-9 选择。
如果实验站的特性不能满足上述要求时，允许作一下适当变更，但应满足
如下要求。
1） 保证 I 2t 不小于规定值
10）
式中
ts ——试验的通电时间；
ts
0
i2dt ≥ I 2td
（7-
is ——交流分量不是恒定或有效值不等于额定短时耐受电流 Icw 时的试验
整定电流；
td ——规定的通电时间；
I ——交流分量恒定且其有效值等于额定耐受电流 Icw 时的试验整定电流。
2）保证最大峰值电流不小于规定值。
如果实验站的短路电流的衰减使其
在通电起始没有过高的电流而不能得到规定时间的额定短时耐受电流，则试验
时电流有效值允许下降至地狱规定值，而通电时间适当增加，但最大峰值电流
应不小于规定值。
如果为了得到规定的电流峰值，而电流的有效值必须增加至规定值以上，
则试时应相应减少。
2、直流情况下
短路应施加规定的电流值，承载规定的时间，从整定电流记录波形中确定
其平均值应至少等于额定短时耐受电流。
如果试验站的特性在通电起始没有过高的电流而不能得到规定时间的额定
短时耐受电流，则试验时电流允许下降至低于规定值，而通电时间适当增加，
但最大电流值应不小于规定值。
如果实验站不能进行上述直流试验，则在制造厂和用户的同意下，某些断
路器可以应用交流代替直流试验。
但应采取适当的防护措施，例如防止试验电
流的峰值超过规定电流的允许范围。
图 7-7 单极电器的单相交流或直流试验电路图
G-电源；QP-保护开关；PV-电压测量器；R-可调电阻器；L-可调电抗器；SV1、SV2-
电压传感器；Q-合闸开关；QF-被试电器（保护连接电缆）；W-整定用临时连接线；SA-电
流传感器；E 接地点（负载侧或电源侧仅一点接地）
3、试验电路
额定短时耐受电流的承载能力试验主电路与短路接通和分断能力试验主电
路类同，在电源端保护开关。
（1） 单机电器的单相交流或直流试验电路如图 7-7 所示。
（2） 双极电器的单相交流或直流试验电路如图 7-8 所示。
（3） 三极电器的三相交流试验电路如图 7-9 所示。
额定短时耐受电流的承载能力试验是模拟电路发生短时故障的条件，它是
在被试电器出线端处于短接的情况下验证电器承受短路电流作用的能力。
因此
在试验电路图 7-7~图 7-9 中，负载电阻器 R 和负载电抗器 L 应链接在电源 G 和
被试电器 QF 之间，被试电器后面不接负载阻抗。
试验电路应有一点接地也允许一点接地，接地点可以是短路连接点、电源
中性点或任何其他合适点。
试验电压可用电压表 PV 接在试验电路的电源端直接测量，在电压超过
1kV 时，可通过电压传感器 SV 用光线示波器来测量其波形。
并联于被试触头两端的电压传感器 SV，用于测量和记录试品触头的电压波
形，以判定试品触头是否被电动力斥开过，因为触头如果被电动力所斥开，就
必然会有电弧电压波形出现。
试验整定电流可以通过电流传感器 SA 用光线示波器来测量和记录。
图 7-8 双极电器的单相交流或直流试验电器图
G-电源；QP-保护开关；PV-电压测量器；R-可调电阻器；L-可调电抗器；SV1~SV3-
电压传感器；Q-合闸开关；QF-被试电器（保护连接电缆）；W-整定用临时连接线；
SA1、SA2-电流传感器；E 接地点（负载侧或电源侧仅一点接地）
图 7-9 三极电器的三相交流试验电路图
G-电源；QP-保护开关；PV-电压测量器；R-可调电阻器；L-可调电抗器；SV1~SV6-
电压传感器；Q-合闸开关；QF-被试电器（保护连接电缆）；W-整定用临时连接线；
SA1~SA3-电流传感器；E 接地点（负载侧或电源侧仅一点接地）
4、试验方法
1、试验参数的调整
调整试验电路时，用阻抗值可以忽略的临时连接线 W 代替被试电器 QF，
连接线 W 应尽可能地靠近用来连接被试电器的端子。
（1）对于单相交流。
调整可调电阻器 R 和可调电抗器 L，通过拍摄预期电
流波形使试验电流达到规定值的要求。
为了满足短时耐受电流能力试验对通电
后第一个周波的最大峰值电流的要求，对于单相试验，一般都采用选相合闸装
置。
试验时首先测定试验电路的功率因数，然后根据表 6-5 给出的功率因数与
冲击系数关系，确定满足电流峰值要求的电流周期分量有效值，并根据调整电
路参数。
如果选择的电流周期分量有效值大于或小于要求值，则可以适当地减少或
增加通电时间，使相应的 I 2t 值等于要求值。
（2）对于三相交流。
三极电器进行三相交流短路耐受电流能力试验时，从
图 7-9 中可知，三相电路中各相的阻抗是相同的，因此通电时各相电流的周期
分量也将是相同的，但各相电流的第一个周波峰值电流并不相同，这是因为三
相交流电流各相电流的相位互差120o的缘故。
如果选相合闸装置使其中某一相
的第一个周波峰值电流为最大并等于要求值，则其他两相的第一个周波峰值电
流都将小于要求值，这是三相试验与单相试验的不同点之一。
因此如果不要求
指定某一相在某一合闸相角下合闸，则三极断路器的短时耐受电流能力试验也
可以不必采用选相合闸装置，即改用一般合闸开关合闸。
因为三相试验时不论
电压合闸相角如何，总是有一相的第一周波峰值电流达到最大值或接近于最大
值。
不过，如果不用选相合闸装置就不可能预先选定或预先知道电流的最大值
将出现在哪一相上。
（3）试验程序
试验电流经调整好后，用被试电路及其连接电缆替换临时连接线，进行额
定短时耐受电流的承载能力试验。
断路器型式试验采用程序试验方法，对于每一程序，所有试验均按所列项
目一次进行。
额定短时耐受电流的承载能力试验的试验程序见表 7-2.
试验程序 IV：
额定短时耐受电流。
本试验程序适用于使用类别 B 的断路器。
依次进行如下试验项目，
（1）验证过载脱扣器。
（2）额定短时耐受电流。
（3）验证温升。
（4）最大短时耐受电流时的短路。
（5）验证介电耐受能力。
（6）验证过载脱扣器。
如果带熔断器的断路器属使用类别 B 的话，则这些断路器应符合此程序的
要求。
额定短时耐受电流试验，断路应处于闭合位置进行试验，预期电流等于额
定短时耐受电流 Icw ，并在相应的工作电压和标准规定的一般条件下进行试验。
试验步骤和程序控制过程为：
试验触头闭合 → 伯虎开关 QP 闭合 → 光线示
波器 P 启动 → 合闸开关 Q 闭合 → 试验电流出现并持续规定时间后保护开关 QP
自动脱扣断开，把试验电流切断 → 合闸开关 Q 断开 → 光线示波器 P 停止拍摄
→ 检查试品和分析示波图。
-控制程序的时序图如图所示。
图中， t3 :
t4 是通过持续时间，由于通电持
续时间为可调参数，设计时应定为变量。
在试验时被试电器始终处于闭合状态，由合闸开关接通试验电流，用保护
开关分断试验电流。
用选相合闸开关进行交流试验时，可做 1 次；如无选相合
闸开关，则必须做多次，直至试验参数满足要求为止，每进行 3 次后允许更换
试品。
5、试验结果的判定
电器额定短时耐受电流的承载能力试验中试验中电器的状况由有关产品标
准规定。
试验后，触头不发生熔焊，机械部件和绝缘件应无损坏和变形而影响
正常工作。
要求电器用其正常操动方式操作应能正常动作。
低压断路器产品标准规定，短路试验结束后的断路器状况应每一使用程序
所规定的验证项目加以检验，每一验证程序的试验均合格，方能判为合格，否
则判为不合格。
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