民用建筑柴油發(fā)電機(jī)組沖擊短路電流的簡(jiǎn)易計(jì)算方法

李沛巖/許冬梅/李維時(shí)/龐曉霞

(中國(guó)建筑設(shè)計(jì)院有限公司,北京 100044)

?

民用建筑柴油發(fā)電機(jī)組沖擊短路電流的簡(jiǎn)易計(jì)算方法

李沛巖/許冬梅/李維時(shí)/龐曉霞

(中國(guó)建筑設(shè)計(jì)院有限公司,北京 100044)

0　引言

在民用建筑中，柴油發(fā)電機(jī)組是確保重要負(fù)荷連續(xù)供電的備用電源或應(yīng)急電源，通常為消防、通信、計(jì)算中心及其他重要負(fù)荷供電。在柴油發(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng)中，低壓電器設(shè)備需依據(jù)柴油機(jī)組的短路電流進(jìn)行選擇，而柴油機(jī)組的短路電流計(jì)算復(fù)雜，在實(shí)際工程中進(jìn)行精確計(jì)算較為困難。本文依據(jù)我國(guó)民用建筑設(shè)計(jì)中普遍采用的柴油機(jī)配電方式和民用建筑設(shè)備情況，提出一種較為簡(jiǎn)易的柴油機(jī)組短路電流計(jì)算方法，便于在保證質(zhì)量的情況下提高設(shè)計(jì)效率。

1　民用建筑柴油機(jī)短路的特點(diǎn)

與市政電網(wǎng)供電系統(tǒng)相比，民用建筑常用的柴油機(jī)電源容量小、自成閉式供電系統(tǒng)，且與市政電網(wǎng)之間只切換不并網(wǎng)，其供電系統(tǒng)中異步電動(dòng)機(jī)(如消防水泵、消防風(fēng)機(jī)等)較多，且單臺(tái)容量的大小與發(fā)電機(jī)容量相當(dāng)，在計(jì)算中不能忽略，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)均可作為短路電流的供給源，并按短路點(diǎn)靠近發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)短路計(jì)算短路電流。

柴油發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)短路的主要特點(diǎn)是發(fā)電機(jī)母線上的電壓不能維持恒定，短路電流周期分量和非周期分量均隨時(shí)間變化。由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組和阻尼繞組的去磁作用，使得轉(zhuǎn)子繞組的磁鏈在短路瞬間保持不變，而電壓則呈現(xiàn)出由短路瞬間電壓值經(jīng)歷次暫態(tài)及暫態(tài)逐漸衰減至穩(wěn)態(tài)的變化過(guò)程；此過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)由于慣性也作為短路電流的供給源，電壓也呈逐漸衰減的變化過(guò)程，故可以認(rèn)為此供電系統(tǒng)短路電流的產(chǎn)生為發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同作用的結(jié)果[1]。

2　沖擊短路電流計(jì)算

2.1發(fā)電機(jī)沖擊短路電流計(jì)算

2.1.1發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)

發(fā)電機(jī)直軸超瞬變電抗X″d是發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中三相突然短路最初瞬間的過(guò)渡電抗，結(jié)構(gòu)上，X″d主要由發(fā)電機(jī)定子繞組和阻尼繞組的漏抗值決定。在發(fā)電機(jī)突然短路時(shí)，由于轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁繞組和阻尼繞組感應(yīng)出對(duì)電樞反應(yīng)磁通，起去磁作用的電流，使電樞反應(yīng)磁阻極大，故其相對(duì)應(yīng)的直軸電抗極小，這個(gè)等效電抗即為X″d。在有阻尼繞組的發(fā)電機(jī)突然短路時(shí)，定子短路電流周期分量有效值I″由超瞬變電抗X″d限制。

2.1.2發(fā)電機(jī)沖擊短路電流計(jì)算

一般在建筑內(nèi)為部分設(shè)備供電的柴油機(jī)布置相對(duì)集中，一組母線段多采用一臺(tái)柴油機(jī)或兩臺(tái)相同型號(hào)的柴油機(jī)并車運(yùn)行，沖擊短路電流可按單一發(fā)電機(jī)或兩臺(tái)發(fā)電機(jī)疊加考慮。由于發(fā)電機(jī)出口至主母線處的設(shè)備施工質(zhì)量普遍較好，多數(shù)短路情況不會(huì)發(fā)生，因此不考慮不對(duì)稱短路電流大于三相短路電流的情況以及近端短路時(shí)直流分量的影響。

發(fā)電機(jī)空載時(shí)，忽略由短路瞬態(tài)時(shí)間常數(shù)決定的瞬態(tài)電流的衰減和電樞電阻的影響，計(jì)算短路1/2周期后的短路電流，則發(fā)電機(jī)口部最大相電流的周期分量iz·G0和非周期分量if·G0的計(jì)算式[2]為：

(1)

(2)

式中，U為相電壓，V；t 為短路時(shí)間，s；T″d為發(fā)電機(jī)超瞬態(tài)時(shí)間常數(shù)；Td為發(fā)電機(jī)電樞回路時(shí)間常數(shù)。

發(fā)電機(jī)帶負(fù)載時(shí)，電流周期分量增加，按電流周期分量1.1倍考慮，即周期分量iz·G，則非周期分量if·G為：

(3)

(4)

以t=0.5T，即t=0.01s時(shí)的數(shù)值作為短路時(shí)間，則柴油機(jī)出口處的沖擊短路電流為：

(5)

式中，T為系統(tǒng)周期，s。

考慮由柴油機(jī)至短路點(diǎn)處線路的電阻、電抗影響，其短路電流沖擊值ikG·p為：

(6)

式中，XL為線路電抗，Ω；RL為線路電阻，Ω。

2.2電動(dòng)機(jī)的沖擊短路電流計(jì)算

建筑內(nèi)電機(jī)多采用感應(yīng)異步電機(jī)，應(yīng)用位置較為分散，距離短路點(diǎn)的電氣距離難以逐一確定，且電機(jī)型號(hào)各異，其短路電流較難統(tǒng)計(jì)；而從負(fù)荷性質(zhì)角度考慮，柴油機(jī)系統(tǒng)中負(fù)荷相對(duì)重要，其中消防負(fù)荷更是要保證在負(fù)荷電流過(guò)載的情況下仍能繼續(xù)供電。故筆者認(rèn)為，電動(dòng)機(jī)的沖擊短路電流計(jì)算可以以供電范圍內(nèi)電機(jī)的容量為基礎(chǔ)，進(jìn)行近似計(jì)算。

直接啟動(dòng)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為附加電流源，其反饋的短路電流的超瞬態(tài)值與電機(jī)堵轉(zhuǎn)電流值有直接關(guān)系，而堵轉(zhuǎn)電流與電機(jī)啟動(dòng)峰值電流從數(shù)值上是相等的，因此，可以認(rèn)為通過(guò)電機(jī)產(chǎn)品數(shù)據(jù)提供的啟動(dòng)電流近似處理電機(jī)的短路電流沖擊值的計(jì)算[3]，則電動(dòng)機(jī)反饋短路電流沖擊值ikM·p為：

(7)

式中，KxMi為第i臺(tái)電動(dòng)機(jī)校正系數(shù)，依據(jù)電動(dòng)機(jī)與短路點(diǎn)的電氣距離，可取0～1.0；KpMi為第i臺(tái)電動(dòng)機(jī)反饋電流峰值系數(shù)，依據(jù)電動(dòng)機(jī)容量情況，一般可取1.0～1.7，在民用建筑一般取1.2；KstMi為第i臺(tái)電動(dòng)機(jī)的反饋電流倍數(shù)，取起動(dòng)電流倍數(shù)；IrMi為第i臺(tái)電動(dòng)機(jī)額定電流，A。

在考慮計(jì)入電動(dòng)機(jī)的短路電流時(shí)，還需綜合考慮電動(dòng)機(jī)的容量和離短路點(diǎn)的電氣距離。一般情況下，在異步電動(dòng)機(jī)容量較大，且在短路點(diǎn)附近時(shí)予以考慮異步電動(dòng)機(jī)對(duì)短路電流的影響，距離較遠(yuǎn)時(shí)，由于線路的損耗沖擊反饋電流較小，則不予考慮影響。

2.3總沖擊短路電流的計(jì)算

綜合考慮柴油機(jī)至短路點(diǎn)處沖擊短路電流和電動(dòng)機(jī)沖擊短路電流，總沖擊短路電流[3]為：

(8)

3　計(jì)算舉例

某辦公樓柴油發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)短路情況如圖1所示。選定發(fā)電機(jī)型號(hào)為IFC5-502-8、590kVA、472kW，同時(shí)運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)m1～10共30臺(tái)，總功率120kW，另外在短路點(diǎn)電氣距離較近處有一臺(tái)150kW的電動(dòng)機(jī)M，短路點(diǎn)k在距發(fā)電機(jī)40m遠(yuǎn)的分配電盤上，求k點(diǎn)的短路電流。

圖1　柴油機(jī)供電系統(tǒng)短路示意圖

1)柴油機(jī)特性數(shù)據(jù)

2)電纜

(3×240+2×120)mm2、40m長(zhǎng)的電纜參數(shù)：R1=3.64mΩ，X1=3.08mΩ。

3)柴油機(jī)沖擊短路電流

=4.16kA

=12.11kA

4)電動(dòng)機(jī)沖擊短路電流

太陽(yáng)能電動(dòng)機(jī)M的校正系數(shù)KxM1為1，沖擊反饋電流ikM1·p為：

=3.72kA

考慮將電動(dòng)機(jī)m1～10看作 1臺(tái)，因其較為分散，校正系數(shù)KxMi可取0.5，反饋沖擊電流ikM2·p為：

=1.49kA

5)總沖擊短路電流

=12.11+3.72+1.49

=17.32kA

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)提出的一種計(jì)算民用建筑柴油機(jī)系統(tǒng)短路電流的簡(jiǎn)易方法，為合理選擇電器設(shè)備提供了有力依據(jù)，并有效提高了計(jì)算柴油機(jī)系統(tǒng)的沖擊短路電流的效率。由于本方法并未考慮不對(duì)稱短路電流大于三相短路電流的情況以及近端短路時(shí)直流分量的影響，得出的計(jì)算值較實(shí)際值偏大，僅宜作為快速選擇電器的參考。如果針對(duì)的是重要項(xiàng)目中的柴油機(jī)供電系統(tǒng)，仍需按更為精確的方法全面核算沖擊短路電流。

[1]李光琦.電力系統(tǒng)暫態(tài)分析[M].第三版,北京:中國(guó)電力出版社,2007.

[2]中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第三版,北京:中國(guó)電力出版社,2005.

[3]《鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)》編委會(huì).鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1996.

A Simple Calculation Method of Short-circuit Current for Diesel Generator Sets in Civil Buildings

Li Peiyan/Xu Dongmei/Li Weishi/Pang Xiaoxia

根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng)在民用建筑中的應(yīng)用特點(diǎn)，提出一種簡(jiǎn)易計(jì)算該類系統(tǒng)內(nèi)沖擊短路電流的方法。通過(guò)該方法計(jì)算的沖擊短路電流，可為校核電器的短路特性提供參考依據(jù)。

柴油發(fā)電機(jī)短路電流計(jì)算

According to the characteristics of the power supply system of diesel generator set in civil buildings,a simple method is proposed to calculate the short-circuit current,which can provide reference for checking short-circuit characteristics of electrical apparatus.

diesel generator,short-circuit current calculation