低壓短路電流計算及斷路器分斷能力的改進研究

李子琦++盧權勝++黎永勝++劉超++葉志偉

摘 要：本文首先詳細地闡述了電弧的定義和產生過程，然后通過進行額定短路分斷能力的實驗，詳細論述了低壓短路電流的計算方法和過程，并且提出了對于額定短路分斷能力的改進策略；最后，針對額定短路分斷能力的改進提出了新的見解和看法。

關鍵詞：低壓短路；電流計算；斷路器；分斷能力

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A

進一步提高分斷能力是小型斷路器未來的發(fā)展方向之一，電力系統(tǒng)中的短路電流進行計算是其中的重要部分，對于電氣設計有重要作用。通過計算，可以得到電力系統(tǒng)的短路數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對于高壓電氣設備的選擇。例如高壓斷路器、高壓隔離開關以及電流互感器等提供了信息，并且電力系統(tǒng)的短路數(shù)據(jù)也是繼電保護整定的主要根據(jù)。低壓斷路器是電力配電系統(tǒng)中被廣泛使用的設備，它在系統(tǒng)發(fā)生故障時能夠及時地切斷電源，在防范重大事故方面起到了重要的作用。近年來，隨著我國科技的發(fā)展和制造水平的提高，小體積、高分斷能力的開關設備得到了快速的發(fā)展，所以如何正確選擇設備成為了當前的重要話題。對此，本文對斷路器的分斷能力進行了計算和比較，同時提供短路故障點短路電流的簡易估算方法。

一、電弧的產生機理

電弧產生的主要原因是由于電壓過高，導致空氣電離，在空氣中形成放電電流，電弧的形成簡而言之就是觸頭間中性質子被游離的過程。斷路器電路閉合和斷開時都會產生電弧，但大多數(shù)情況下只觀測和研究斷路器在斷開電路時的作用結果。當斷開電流時，動靜觸頭的接觸面積會逐漸減少，在高溫高導電率的情況下游離氣體會逐漸地形成液態(tài)金屬橋。當接觸面上的溫度升高到一定點時，金屬橋會斷裂，最終形成金屬蒸汽。動靜觸頭間的電子與離子發(fā)生碰撞反應，由此產生電離。最后電源高于起弧電壓時就會使熔融的液態(tài)金屬橋產生電弧。

二、低壓斷路器額定短路分斷能力的改進

提高分斷能力是小型斷路器未來的發(fā)展方向。在低壓配電電網(wǎng)中，斷路器是最主要的電器元件，對它的選取是否正確直接關系著整個電網(wǎng)系統(tǒng)的正常運行，而斷路器分斷能力的合理選用是電網(wǎng)配置經濟性的重要方面，因此很有必要對其分斷能力進行改進。

1.額定短路分斷能力的定義與試驗

額定短路的分斷能力是斷路器開關的一種特殊功能，是指斷路器能夠分斷接于它后面的負載或線路在短路時產生的短路電流的能力。斷路器的分斷能力是指在發(fā)生安全問題時，該斷路器切斷故障電流的能力（即速度），與其額定電流不存在必然聯(lián)系。在選擇斷路器分斷能力時，分斷能力應不小于它所安裝處可能產生的三相短路電流。

1.1 如果Ics=10kA，當線路中發(fā)生10kA的故障電流時，斷路器可以安全切斷電路，不會因為高溫而出現(xiàn)接頭熔接、突然爆炸。但是對于過了極限分斷能力的斷路器，即失效后，就必須對其進行更換。

1.2 假定Ics=10kA，分斷該電流后，雖然斷路器允許合閘后繼續(xù)使用，但是最好在應急過后對其進行更換，因為好的斷路器可以做到Icu=Ics。短路試驗的內容就是在斷路器閉合的情況下進行單次的斷開操作閉合，閉合后間隔一段時間再進行下一次的單次分斷操作，對其的驗證應將試驗側重點放在配電線路以及用電設備受損前及時切除短路故障上。對于短路分斷試后驗證，主要側重于考核介電性能，不再驗證它的操作性能以及溫升等項，對于接觸器短路條件下性能的分類方式也可以進行借鑒。對擁有更好性能的斷路器，還可根據(jù)其規(guī)定的短路后仍然能達到的性能指標進行試驗。

2.斷路器分斷能力選擇

對斷路器分斷能力進行判定的一個基礎原則就是斷路器的短路分斷能力要大于線路的預期短路電流。如果短路點周圍所連電動機的額定電流相加大于短路電流的1%，這時就應該考慮電動機反饋電流的作用。根據(jù)短路電流這一物理變化過程，我們不難理解，針對A類、B類斷路器固有分斷的動作時間不同，當動作時間大于0.04s時，不考慮短路電流的非周期分量，即三相短路電流為短路電流周期分量的有效值；當動作時間小于0.02s時，應考慮短路電流的非周期分量，即三相短路電流為短路沖擊電流。在低壓電網(wǎng)中，短路電流周期分量有效值驗證斷路器額定極限短路分斷能力應采用安裝處預期短路電流周期分量的有效值；但是在實際應用中，此類斷路器用于配電支路、線路發(fā)生三相短路時，其短路電流首先經過暫態(tài)過程。

3.額定短路分斷能力的改進

線路發(fā)生三相短路時，其短路電流首先經過暫態(tài)過程，線路發(fā)生短路故障，絕大部分發(fā)生在支路里，在這些故障中，相鄰兩相之間的故障占7.8%，其短路值不大，相對地已經完全能滿足需要。如果線路很長，建議再安裝電路末端保護用小型斷路器。單相短路電流與斷路器的瞬動整定電流之比，必須大于或等于1.35?？梢钥紤]采用以下的方法來改進低壓斷路器額定斷路分斷能力：保持滅弧室的高壓力，并不斷地進行高壓吹弧，促進電弧運動，降低電弧停滯時間，這樣可以減少電弧冷卻的時間；為了增大短路電流時的電動斥力，可以通過合理設計動靜觸頭閉合時處于平行位置的結構，來提高其限流能力設計出氣孔的尺寸，讓它能夠與電弧的緩沖區(qū)相匹配；同時，可優(yōu)化滅弧柵的結構，來提高滅弧室的吸弧能力。

4.短路電流的計算

需要注意的是，在電力系統(tǒng)的高壓短路電流計算過程中，一些元件的電阻值常常會被忽略，并且不需要考慮電動機反饋電流造成的影響。但是在進行低壓短路的計算時，一些元件電阻的影響不可以被忽略。依據(jù)相關規(guī)范，對短路條件下電器通斷能力進行驗證時，應選取安裝處預期短路電流周期分量的有效值，如果短路點周圍所連電動機的額定電流相加大于短路電流的1%，應當計入電動機反饋電流的影響。

4.1 計算變壓器最大預期短路電流時通常使用的公式：

I（變壓器最大預期短路電流）=I2（變壓器二次側電流）/Uk（變壓器的短路電壓比）

4.2 低壓網(wǎng)絡三相短路電流有效值I″：

其計算公式為

（其中，rk為短路電路總電阻；xk為短路電路總電抗）

低壓斷路器分斷能力校驗的過程就通過公式計算短路電流，再與斷路器的分斷能力進行比較。很顯然，這個公式的計算相對復雜冗繁，在具體實踐工作中并不適用。

三、改進額定短路分斷能力時需要注意的問題

1.首先，線纜如果沒有完全絕緣或者短路，那么不是人為因素，就是其他原因導致的線路老化。所以需要定期的檢查，在施工的時候及時排查，改進施工的技術，避免人為方面造成的線路受損影響絕緣效果；同時要注意天氣的影響，尤其是夏季打雷等自然現(xiàn)象。

2.如圖1所示，當斷路器出線端發(fā)生短路的時候。分段能力應該需要保證大于三相短路電流Ik1或者Ik2。因此，兩臺斷路器QF1或者QF2的分段能力都應該按照比較大的預期短路電流來選取。

3.在不考慮阻抗影響的條件下，當斷路器在出線端處發(fā)生短路時，理論上斷路器流過的電流是Ik1+Ik2。但是在實際計算短路電流時，通常是按照一路進線查附表得出相應電流值，再將兩個短路電流值相加，然后根據(jù)前面的分析思路來選取分路斷路器設備及部件。

結語

提高分斷能力是小型斷路器未來的發(fā)展方向之一，相關行業(yè)人員要加強理論知識的學習和提高應用能力，不斷提高自己的維護維修技能和水平，降低產品的研發(fā)和制造成本，適應機電設備最新技術發(fā)展趨勢。同時，在日常的實際工作中要定期對設備進行檢查，對易發(fā)故障的設備做好維護工作，如果對短路分斷能力能夠采取新的考核方式，不僅可以提高操作中的安全效益，同時運行成本也會大大地降低。

參考文獻

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