裸铜绞线在短路电流下的性能表现主要受热效应、电磁力效应及机械应力共同作用，可能导致导线熔断、变形甚至系统崩溃。短路电流通常幅值极大（可达额定电流的数十倍）、持续时间短（毫秒级），其能量释放速度远超过载电流，对导线性能的考验更为严苛。以下从性能变化机制、关键影响因素、典型失效模式及防护措施等方面展开分析：

一、短路电流对裸铜绞线的性能影响

1. 极端热效应与材料相变

• 瞬时温升：
  短路电流产生的焦耳热（$Q=I^{2}Rt$）在极短时间内（通常<1s）使导线温度急剧升高。例如，额定电流100A的导线若承受10kA短路电流（持续0.1s），温升可达：

$$\Delta T=\frac{I^{2}Rt}{mc}=\frac{(10^4{)}^2\times R\times 0.1}{m\times 385}\approx 2600\times \frac{R}{m}(\text{℃})$$

（铜的比热容$c=385\text{J/(kgcdotp℃)}$，$m$为导线质量，$R$为电阻）
实际中，导线电阻较小，但温升仍可能超过1000℃，远超铜的熔点（1083℃），导致局部熔化。

• 材料相变与蒸发：
  当温度超过铜的熔点时，导线表面开始熔化并形成液态铜池；若能量持续输入，液态铜可能蒸发（沸点约2562℃），产生金属蒸汽电弧，进一步加剧能量释放。

• 绝缘破坏（如存在绝缘）：
  虽然裸铜绞线无外部绝缘，但若用于电缆或设备内部，周围绝缘材料（如交联聚乙烯XLPE）可能因高温碳化或分解，释放可燃气体（如甲烷、氢气），引发爆炸或二次火灾。

2. 电磁力效应与机械破坏

• 洛伦兹力导致的排斥效应：
  短路电流在绞合线各股间产生同向电流，根据安培力公式（$F=I\cdot L\cdot B$），股间排斥力急剧增大。例如，直径2mm的铜绞线承受10kA电流时，单位长度排斥力可达：

$$F\approx \frac{{\mu }_0{I}^2}{2\pi d}\cdot L\approx \frac{4\pi \times 10^{-7}\times (10^4{)}^2}{2\pi \times 0.002}\times 1\approx 10^4\text{N/m}$$

（${\mu }_0$为真空磁导率，$d$为股间距离，$L$为导线长度）
如此大的力可能导致绞线松散、断裂或飞散，形成短路电弧的导电通道。

• 导体弯曲与变形：
  在母线或大截面导线中，短路电流产生的电磁力可能使导体弯曲或扭曲。例如，矩形母线在三相短路时，中间相承受的电磁力可达：

$$F=2\times 10^{-7}\cdot \frac{I^2\cdot l}{a}$$

（$a$为相间距离，$l$为母线长度）
若$I=50\text{kA}$、$l=1\text{m}$、$a=0.1\text{m}$，则$F=5000\text{N}$，足以使母线永久变形。

3. 接触电阻激增与局部过热

• 连接点熔焊：
  短路电流通过导线连接点（如螺栓压接、焊接处）时，接触电阻可能因电流密度过高而急剧增大，导致局部温升远超导线本体。例如，接触电阻从10μΩ增至100μΩ时，功率损耗（$P=I^{2}R$）增加10倍，可能引发连接点熔焊或烧毁。

• 电弧侵蚀：
  若导线断裂或连接点松动，短路电流可能拉断电弧，电弧温度高达数千摄氏度，会侵蚀导线表面，形成凹坑或裂纹，降低机械强度。

4. 系统稳定性崩溃

• 电压骤降：
  短路电流导致系统电压急剧下降（可能降至额定值的20%-50%），影响设备正常运行（如电机停转、灯光熄灭）。

• 示例：某变电站10kV母线短路时，电压跌落至2kV，导致周边工厂生产线停机。

• 保护装置动作：
  短路电流触发断路器、熔断器等保护装置快速分断（通常在0.02-0.1s内），但分断过程中可能产生电弧重燃或过电压，对导线及设备造成二次损伤。

二、关键影响因素分析

1. 短路电流参数

• 幅值：短路电流越大，热效应和电磁力越强，导线损坏越严重。

• 数据：10kA短路电流的能量是1kA的100倍，但持续时间缩短时，总能量可能更低（需结合$I^{2}t$值评估）。

• 持续时间：短路持续时间越长，导线温升越高，机械破坏越显著。

• 标准：IEC 60865要求短路电流持续时间通常按0.1s、0.2s、0.5s或1s考虑。

• 波形：直流短路电流无过零点，电弧难以熄灭，破坏性更强；交流短路电流因过零效应，电弧可能短暂熄灭后重燃。

2. 导线特性

• 截面积：大截面积导线电阻更低，但电磁力与电流平方成正比，且热容量更大，温升可能稍低，但机械应力更大。

• 对比：截面积从50mm²增至200mm²时，电阻降至1/4，但电磁力增至4倍。

• 绞合结构：紧密绞合可减少股间排斥力，但可能增加电感效应；松散绞合散热更好但机械强度较低。

• 测试：松散绞合导线在短路时股间排斥力比紧密绞合低30%，但断裂风险高20%。

• 材料纯度：高纯度铜（>99.95%）电阻率更低，温升稍低，但成本更高。

3. 系统配置

• 短路点位置：靠近电源侧的短路电流更大，导线损坏更严重。

• 案例：发电机出口短路电流可达额定电流的10-15倍，而末端短路电流可能仅2-3倍。

• 保护装置响应时间：断路器分断时间需与导线耐热时间匹配，避免保护失效导致导线熔断。

• 标准：IEC 60909要求保护装置动作时间≤0.1s（对于快速断路器）。

• 接地方式：中性点直接接地系统短路电流更大，对导线要求更高。

三、典型失效模式与案例

1. 导线熔断与电弧故障

• 机制：短路电流使导线局部熔化，形成液态铜桥；若电流持续，铜桥蒸发产生电弧，电弧能量进一步熔化导线，最终导致断路。

• 案例：某10kV电缆终端头短路时，电缆导体在0.05s内熔断，电弧引燃电缆绝缘，造成火灾。

2. 母线弯曲与设备损坏

• 机制：三相短路电流使母线承受巨大电磁力，导致母线弯曲、支撑绝缘子破裂或设备移位。

• 案例：某变电站35kV母线短路时，中间相母线弯曲90°，支撑绝缘子碎裂，导致相间短路扩大。

3. 连接点烧毁与系统瘫痪

• 机制：短路电流通过连接点时，接触电阻激增导致局部过热，熔化连接螺栓或压接管，引发系统停电。

• 案例：某工厂低压配电柜短路时，铜排连接点熔焊，导致全厂停电，修复时间超过24小时。

四、防护措施与解决方案

1. 短路电流计算与导线选型

• 热稳定校验：根据$I^{2}t$值选择导线截面积，确保短路时温升不超过允许值（如铜导体允许温升≤250℃）。

• 公式：$S\ge \frac{I\sqrt{t}}{K}$，其中$S$为截面积，$I$为短路电流，$t$为持续时间，$K$为热稳定系数（铜取143）。

• 动稳定校验：验证导线在短路电磁力作用下的机械强度，确保不发生永久变形或断裂。

• 公式：${\sigma }_{\text{max}}\le {\sigma }_{\text{allow}}$，其中${\sigma }_{\text{max}}$为最大应力，${\sigma }_{\text{allow}}$为允许应力（铜取约40MPa）。

2. 快速保护装置配置

• 断路器选型：选择分断能力高、动作时间短的断路器（如限流式断路器），将短路电流限制在导线耐受范围内。

• 数据：限流式断路器可在0.005s内将短路电流从50kA限制至10kA。

• 熔断器匹配：根据导线载流量选择熔断器额定电流，确保短路时快速熔断（如gG型熔断器分断时间≤0.01s）。

3. 机械加固与散热优化

• 支撑结构加固：对母线或大截面导线增加支撑绝缘子数量或采用刚性夹具，减少短路时的弯曲变形。

• 示例：将母线支撑间隔从1m缩短至0.5m，可降低弯曲应力50%。

• 散热设计：在短路可能发生的区域（如电缆终端头）增加散热片或强制风冷，降低温升速度。

4. 状态监测与预警

• 电流互感器（CT）监测：实时监测线路电流，结合SCADA系统实现短路预警（如电流突变率>10倍额定值时触发报警）。

• 红外测温：定期检测导线连接点温度，发现热点及时处理（如紧固螺栓或更换连接件）。

5. 应急响应与事后处理

• 短路故障定位：使用行波测距或阻抗法快速定位短路点，缩短停电时间。

• 导线更换与修复：对熔断或严重变形的导线进行更换，对轻微损伤的导线进行打磨或补焊处理。

五、结论

裸铜绞线在短路电流下主要面临极端热效应、电磁力破坏及系统稳定性崩溃三重挑战，可能导致导线熔断、机械变形或设备损坏。通过精确计算短路电流、合理选型导线、配置快速保护装置、加固机械结构及实施状态监测等综合措施，可有效控制短路风险，确保导线在极端工况下的安全运行。在实际工程中，需结合系统重要性、成本约束及环境条件，制定差异化的防护策略，避免因短路引发重大安全事故或长时间停电。