低壓電氣柜母線短路動(dòng)、熱穩(wěn)定性研究

代淑芬

（無錫南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能裝備與信息工程學(xué)院，江蘇 無錫214081）

低壓電氣柜母線短路動(dòng)、熱穩(wěn)定性研究

代淑芬

（無錫南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能裝備與信息工程學(xué)院，江蘇 無錫214081）

短路是電力系統(tǒng)常見的故障，短路電流會對母線系統(tǒng)和載流導(dǎo)體產(chǎn)生巨大的電動(dòng)沖擊力，同時(shí)，也使得開關(guān)柜內(nèi)的母線、電纜和元器件等導(dǎo)電部件溫度迅速升高，導(dǎo)致低壓電氣柜內(nèi)的母線系統(tǒng)遭到破壞。文章通過對短路現(xiàn)象的分析，深入研究了短路對母線的影響以及如何分析計(jì)算它的動(dòng)、熱穩(wěn)定性，以便順利通過型式試驗(yàn)，為工程技術(shù)人員提供一定的理論依據(jù)。

低壓電氣柜；短路；母線；動(dòng)穩(wěn)定性；熱穩(wěn)定性

低壓電氣柜是以開關(guān)設(shè)備為主體的配電裝置，廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠、變電站、工礦企業(yè)、高層建筑等各種用電場所。作為接受和分配電能以及對電路進(jìn)行控制、保護(hù)、監(jiān)測的裝置，電氣柜在電力系統(tǒng)中起到非常重要的作用。

一、短路對低壓電氣柜的影響

短路是電力系統(tǒng)中常見的、非常嚴(yán)重的故障。短路將使系統(tǒng)電壓降低，回路中的電流瞬間增加，它不僅能破壞對用戶的正常供電和電氣設(shè)備的正常工作，也可能破壞電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和損壞電氣設(shè)備。

當(dāng)?shù)蛪弘姎夤駜?nèi)部的母線系統(tǒng)或者載流導(dǎo)體流過短路電流時(shí)，短路電流會對母線系統(tǒng)和載流導(dǎo)體產(chǎn)生巨大的電動(dòng)沖擊力，開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)件瞬間也將承受巨大的破壞力。同時(shí)，短路電流使得開關(guān)柜內(nèi)的母線、電纜和元器件等導(dǎo)電部件溫度迅速升高。盡管線路保護(hù)裝置會在很短的時(shí)間內(nèi)切斷短路電流，但由于時(shí)間短，導(dǎo)電部件來不及散熱，所以導(dǎo)電部件的溫度會迅速上升。如果溫度超過了低壓開關(guān)設(shè)備母線系統(tǒng)和元器件的容忍極限，則開關(guān)設(shè)備將會受到破壞，因此在進(jìn)行電氣控制柜設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮短路的影響。

短路的基本類型有三相短路、兩相短路、單相接地短路和兩相接地短路。實(shí)踐證明，在所有短路中，三相短路造成的毀壞程度是最嚴(yán)重的，因此本文以三相短路電流作為母線的選擇條件之一來研究短路動(dòng)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定。

二、三相短路過程分析

當(dāng)配電網(wǎng)中的某處發(fā)生短路時(shí)，電力變壓器低壓側(cè)在短路瞬間電壓基本不變，又因?yàn)槎搪冯娐返淖杩馆^小，故電流強(qiáng)度將大幅度增加，由此形成了短路電流。短路電流會對電路產(chǎn)生極大的破壞作用。短路電流波形如圖1所示。

圖1 短路電流波形分析

圖1中ip/Ip為短路電流交流分量瞬時(shí)值/短路電流交流分量有效值；ig/Ig為短路電流直流分量瞬時(shí)值/短路電流直流分量有效值；ish/Ish為短路電流全電流瞬時(shí)值/短路電流全電流有效值；ipk為沖擊短路電流峰值；IS為短路電流在第一個(gè)半周期內(nèi)的有效值；ik/Ik為持續(xù)短路電流瞬時(shí)值/持續(xù)短路電流有效值；U為配電網(wǎng)電壓；I為配電網(wǎng)中正常的工作電流；Φ為U與I之間的相位差。

正常狀態(tài)下U與I的波形在時(shí)間零點(diǎn)的左側(cè)，當(dāng)配電網(wǎng)在零時(shí)刻發(fā)生短路時(shí)，由于電壓U不變，U在短路電路的線路阻抗上將產(chǎn)生短路電流。短路全電流ish可分為短路電流周期分量ip和短路電流直流分量ig。ip的頻率與電網(wǎng)頻率一致，稱為短路電流的交流分量，又稱短路電流的周期分量。

短路前的工作電流I在短路后并沒有消失，根據(jù)焦耳-愣次定律，工作電流I將產(chǎn)生一個(gè)大小相等方向相反的電流ig疊加在ip上。由于ig是一個(gè)逐漸衰減的直流電流，其衰減時(shí)間與短路線路的阻抗有關(guān)，稱為短路電流的直流分量，又稱為短路電流的非周期分量。

三、短路電流電動(dòng)力分析

低壓成套開關(guān)設(shè)備發(fā)生短路時(shí)，影響最嚴(yán)重的是主母線三相短路，同時(shí)無論何種短路，受短路電流電動(dòng)力沖擊影響最大的也是主母線系統(tǒng)。

當(dāng)導(dǎo)體中有電流通過時(shí)，各導(dǎo)體之間就有電動(dòng)力的產(chǎn)生。開關(guān)柜處于正常工作時(shí)，工作電流不大,作用在導(dǎo)體上的電動(dòng)力很小，對開關(guān)柜一般沒有影響。但是，當(dāng)電路發(fā)生短路時(shí)，短路電流瞬間增大，可達(dá)幾萬甚至幾十萬安培，此時(shí)會產(chǎn)生很大的電動(dòng)力，導(dǎo)致一些支撐和結(jié)構(gòu)部件的斷裂或損壞，從而引發(fā)事故。

當(dāng)某相主母線的兩條銅排流過同一方向的電流時(shí)，利用右手螺旋定則判斷出各條銅排產(chǎn)生的電力線方向，再用左手定則判斷出兩條銅排之間的作用力方向，如圖2所示。通過判斷可知，當(dāng)兩條導(dǎo)線中的電流方向一致時(shí)，導(dǎo)線之間的作用力相吸；當(dāng)兩條導(dǎo)線中的電流方向相反時(shí)，導(dǎo)線之間的作用力相斥。實(shí)踐證明，適當(dāng)增大兩平行導(dǎo)體中心線距離以及選擇合適的導(dǎo)體截面形狀可以降低短路電流產(chǎn)生的沖擊力。

圖2 兩條平行導(dǎo)線之間的電動(dòng)力

計(jì)算矩形母線間短路電動(dòng)力的方法源于畢奧-薩伐爾定律。設(shè)兩條銅排中流過的電流分別為I1和I2，則銅排之間的作用力為：

式（1）中F為矩形銅排之間的電動(dòng)力，單位為N；K為矩形銅排形狀系數(shù)；I1為第一條矩形銅排中流過的電流，單位為A；I2為第二條矩形銅排中流過的電流，單位為A；L為矩形銅排長度，單位為m或mm,與a的單位統(tǒng)一；a為矩形銅排中心距，單位為m或mm，與L的單位統(tǒng)一。

接下來分析短路電動(dòng)力波形曲線。設(shè)電流i流過矩形銅排，其產(chǎn)生的電動(dòng)力F表達(dá)式為：

式（2）中C為電動(dòng)力系數(shù)，對于矩形母線來說 ，C＝0.2L/a；I表 示 流 過 矩 形 銅 排 的 電 流 ，i=Imsinωt。

導(dǎo)體流過短路電流后，所受到的電動(dòng)力由兩部分組成。一部分為電動(dòng)力的恒定分量F′，它反映的是交流電動(dòng)力的平均值；另一部分為電動(dòng)力的交變分量F″，它以兩倍于電流頻率而變化。電動(dòng)力F與電流i的波形曲線如圖3所示，F(xiàn)的最大值為恒定分量的兩倍。

圖3 電流i的波形曲線與電動(dòng)力F的波形曲線

當(dāng)短路電流流過矩形銅排時(shí)，短路電流會對矩形銅排產(chǎn)生電動(dòng)力。從短路電動(dòng)力F的波形可以分析出，它的頻率為短路電流頻率的兩倍，如圖4所示。

圖4 短路全電流ish的波形曲線和短路電動(dòng)力F的波形曲線

四、動(dòng)穩(wěn)定研究

低壓電氣柜的動(dòng)穩(wěn)定性是指開關(guān)設(shè)備具有抵御最大瞬時(shí)機(jī)械作用力的能力。沖擊短路電流峰值ipk是短路電流在低壓電氣柜中產(chǎn)生最大電動(dòng)力的主因，成套開關(guān)設(shè)備抵御ipk的能力被稱為成套開關(guān)設(shè)備的動(dòng)穩(wěn)定性。由于主母線上承載了絕大部分的短路電流，因此成套開關(guān)設(shè)備的動(dòng)穩(wěn)定性主要是指主母線系統(tǒng)的動(dòng)穩(wěn)定性。在進(jìn)行型式試驗(yàn)時(shí)，讓低壓開關(guān)柜的主母線在0.1s內(nèi)流過制造廠指定的最大峰值電流。試驗(yàn)后低壓開關(guān)柜的外形未發(fā)生明顯變化，柜內(nèi)導(dǎo)電體仍然滿足電氣間隙和爬電距離的要求，各個(gè)絕緣件，特別是主母線的絕緣支撐即母線線夾未出現(xiàn)裂紋，柜內(nèi)主元件未損壞，則此低壓開關(guān)柜滿足動(dòng)穩(wěn)定性要求。

低壓電氣柜的動(dòng)穩(wěn)定性就是主母線的動(dòng)穩(wěn)定性，因此在選用低壓電氣柜時(shí)，使開關(guān)柜的動(dòng)穩(wěn)定性參數(shù)滿足低壓配電網(wǎng)的短路條件，即：

式（3）中Ipk為成套開關(guān)設(shè)備主母線的峰值耐受電流（kA)；ipK為電力變壓器的沖擊短路電流峰值（kA)。

五、短路電流對主母線的熱效應(yīng)計(jì)算和主母線熱穩(wěn)定性

當(dāng)?shù)蛪号潆娋W(wǎng)發(fā)生短路時(shí)，短路電流使得開關(guān)柜內(nèi)的母線、電纜和元器件等導(dǎo)電部件溫度迅速升高，盡管線路保護(hù)裝置會在很短的時(shí)間內(nèi)切斷短路電流，但由于時(shí)間短，導(dǎo)電部件來不及散熱，所以短路電流所致導(dǎo)電部件的發(fā)熱屬于絕熱過程，短路電流在開關(guān)柜內(nèi)導(dǎo)電部件上產(chǎn)生的熱量全部用來提高導(dǎo)體溫度。

短路電流比正常電流大許多倍，所以導(dǎo)電部件的溫度會迅速上升（見圖5），如果溫度超過了低壓開關(guān)設(shè)備母線系統(tǒng)和元器件的容忍極限，開關(guān)設(shè)備將會受到破壞。為此，把電氣設(shè)備具有承受短時(shí)的短路電流熱沖擊效應(yīng)的能力稱為開關(guān)設(shè)備的熱穩(wěn)定性。

圖5 短路前后導(dǎo)體的溫度變化

在圖5中，短路前的溫度為θL，是由正常的負(fù)荷電流引起的。t1時(shí)刻發(fā)生了短路故障，導(dǎo)體溫度迅速上升。t2時(shí)刻線路保護(hù)裝置動(dòng)作切斷故障線路，導(dǎo)體溫度到達(dá)最髙點(diǎn)θK。之后因?yàn)楣收暇€路已經(jīng)被切斷，所以溫度按指數(shù)曲線下降到θ0，直到導(dǎo)體與周圍環(huán)境溫度相同為止。

低壓電氣柜中各種載流導(dǎo)體都有各自允許的發(fā)熱值，比如銅母線，正常運(yùn)行時(shí)的最髙溫度為70℃，而短路時(shí)最高允許溫升為320℃；70℃對應(yīng)θL，320℃對應(yīng)θK， 銅母線的最高允許溫升τp.S=θK-θL=320℃-70℃=250℃。

短路全電流ish是一個(gè)變量，要準(zhǔn)確地計(jì)算出短路電流流經(jīng)的導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量θK比較難。為此，采用恒定的短路穩(wěn)態(tài)電流I∞等效計(jì)算短路電流所產(chǎn)生的熱量。圖6中短路電流IK的作用時(shí)間從0到tK,假設(shè)IK在tK時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量與短路穩(wěn)態(tài)電流I∞在時(shí)間tima內(nèi)產(chǎn)生的熱量一致。于是有：

式（4）中R為導(dǎo)體電阻；tima為假想的短路發(fā)熱時(shí)間；top為短路保護(hù)裝置執(zhí)行短路保護(hù)的最長延遲時(shí)間；toc為斷路器的斷路時(shí)間；IK為短路穩(wěn)態(tài)電流，在短路終了時(shí)等于I∞。

圖6 短路發(fā)熱假象時(shí)間

低壓電氣柜的熱穩(wěn)定性就是主母線的熱穩(wěn)定性，在選用開關(guān)柜時(shí)，使低壓開關(guān)柜的熱穩(wěn)定性參數(shù)滿足低壓配電網(wǎng)的短路條件，即：

式（5）中Icw為主母線的短時(shí)耐受電流（kA),短路時(shí)間長度為1s；Sn為電力變壓器容量（kV·A)；Up為電力變壓器低壓側(cè)線電壓（V)；Usr為電力變壓器阻抗電壓；tima為短路電流的假想時(shí)間，對于低壓開關(guān)柜一般取0.75～1s；ipk為電力變壓器沖擊短路電流峰值kA；n為峰值系數(shù)。

六、結(jié)語

在電氣柜的設(shè)計(jì)中，對母線短路動(dòng)、熱穩(wěn)定性校驗(yàn)具有至關(guān)重要的作用。首先，這保證了設(shè)備一旦發(fā)生短路故障，不至于所有器件都燒毀；其次，如果不提前進(jìn)行動(dòng)、熱穩(wěn)定校驗(yàn)，可能將通不過型式試驗(yàn)和出廠試驗(yàn)，而這兩項(xiàng)試驗(yàn)是電氣柜允許投入使用的必需條件。

因此，在設(shè)計(jì)制造開關(guān)柜時(shí)，要充分考慮各個(gè)不利因素的影響，尤其是短路電流引起的短路電動(dòng)力和短路熱效應(yīng)的影響。在不增加成本的前提下，通過提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，讓電氣柜能夠順利通過各種型式試驗(yàn)，使其性價(jià)比達(dá)到最優(yōu)。

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On Dynamic and Thermal Stability of Busbar Short Circuit Fault in Low Voltage Electric Cabinet

DAI Shu-fen
（School of Smart Equipment and Information Engineering,Wuxi South Ocean College,Wuxi 214081,China）

Short circuit fault occurs frequently in power system,and short-circuit current not only produces great electric impact on the bus system and current-carrying conductor,but increases rapidly the temperature of conductive components of the switch cabinet such as bus bar,cable and electric parts,which results in damage to the bus system of low voltage electric cabinet.Based on the analysis of the short circuit phenomenon,the present paper makes an in-depth study of the impact of short circuit fault on the bus and of how to analyze and calculate its dynamic and thermal stability,aiming to provide a theoretical reference to engineering and technical workers.

Llow voltage electric cabinet;short circuit;busbar;dynamic stability;thermal stability

TM 727.3

A

1671-4806（2017）06-0102-04

2017-09-12

代淑芬（1974—），女，內(nèi)蒙古赤峰人，講師，碩士，研究方向?yàn)殡姽ぜ夹g(shù)。

（編輯:林鋼）