張曉戈

摘? 要：適當(dāng)提高開關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度，能夠使設(shè)備短路耐受力得到提高，為低壓配電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。而在設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，短路沖擊系數(shù)為關(guān)鍵指標(biāo)，能夠使最大電動(dòng)力給繞組帶來(lái)的影響得到揭示。通過研究發(fā)現(xiàn)，單相短路在零狀態(tài)響應(yīng)下產(chǎn)生的電動(dòng)力最大，合理進(jìn)行短路沖擊系數(shù)取值，能夠避免結(jié)構(gòu)損壞。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng);短路沖擊系數(shù);最大電動(dòng)力

中圖分類號(hào)：TM41? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）16-0072-02

Abstract： Properly improving the mechanical strength of the switchgear structure can improve the short-circuit resistance of the equipment and provide a guarantee for the stable operation of the low-voltage distribution system. In the structural strength design of the equipment， the short-circuit impact coefficient is the key index， which can reveal the influence of the maximum electric force on the winding. Through the study， it is found that the electric force produced by single-phase short circuit under zero state response is the largest， and the reasonable value of short circuit impact coefficient can avoid structural damage.

Keywords： power system; short-circuit impact coefficient; maximum electric force

引言

伴隨著電力需求的不斷增加，電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模也得到了不斷擴(kuò)大。而在低壓配電系統(tǒng)中，低壓成套開關(guān)設(shè)備一旦發(fā)生嚴(yán)重短路，將導(dǎo)致配電網(wǎng)中產(chǎn)生最大短路電流，促使線路產(chǎn)生最大電動(dòng)力。在設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足的情況下，就可能發(fā)生損壞，導(dǎo)致電力系統(tǒng)受到嚴(yán)重破壞。而線路最大電動(dòng)力大小與短路沖擊系數(shù)密切相關(guān)，因此還應(yīng)加強(qiáng)短路沖擊系數(shù)運(yùn)算分析，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 電力系統(tǒng)短路沖擊電流與電動(dòng)力分析

在電力系統(tǒng)線路通電后，低壓成套開關(guān)設(shè)備中的電流會(huì)與周圍漏磁場(chǎng)發(fā)生相互作用，促使主母排中產(chǎn)生電動(dòng)力。電動(dòng)力大小為電流與漏磁場(chǎng)磁通密度乘積。在系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下，線路受到的電動(dòng)力較小，結(jié)構(gòu)可以承受。但發(fā)生短路后，電流峰值將達(dá)到額定值的20-30倍。而磁通密度與電流成正比，意味著線路上短路電動(dòng)力與短路電流平方成正比，數(shù)值能夠達(dá)到額定工況的數(shù)百倍。所謂的短路沖擊電流，則是最惡劣短路狀況下產(chǎn)生的短路電流，能夠達(dá)到最大瞬時(shí)值，給線路帶來(lái)較大沖擊。該種沖擊發(fā)生在短路后1/2周期內(nèi)，為前一個(gè)1/2周期內(nèi)電流與短路沖擊電流系數(shù)的乘積。短路沖擊電流的產(chǎn)生，將導(dǎo)致最大電動(dòng)力的出現(xiàn)，在低壓成套開關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)缺乏足夠抗短路能力的情況下，將導(dǎo)致線路結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。而在電力系統(tǒng)中，相與相或相與地（中性線）發(fā)生短路時(shí)，系統(tǒng)線路才會(huì)流過最大短路電流。因此在對(duì)系統(tǒng)線路結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)短路沖擊系數(shù)加強(qiáng)短路沖擊電流和最大電動(dòng)力分析，以便對(duì)短路發(fā)生時(shí)結(jié)構(gòu)機(jī)械應(yīng)力的動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 電力系統(tǒng)的短路沖擊系數(shù)和最大電動(dòng)力

2.1 短路分析條件

對(duì)電力系統(tǒng)的短路沖擊系數(shù)展開分析，需要對(duì)系統(tǒng)在空載和負(fù)載等不同狀況下的短路電流展開分析，并且對(duì)單相和對(duì)稱三相短路兩種不同情況進(jìn)行進(jìn)一步探討，確定最大電動(dòng)力的產(chǎn)生情形?？紤]到各種數(shù)據(jù)運(yùn)算較為復(fù)雜，還要利用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行數(shù)值模擬分析和計(jì)算。而無(wú)論是單相還是對(duì)稱三相系統(tǒng)，如果存在中性線，在發(fā)生短路時(shí)按照電路等效理論，短路沖擊電流應(yīng)該為初始電流不為0的RL串聯(lián)電路接通正弦電壓源的情況，此時(shí)短路電流周期分量幅值可以根據(jù)短路后系統(tǒng)電壓、電阻和電抗確定，系統(tǒng)瞬時(shí)電流滿足：

（1）

式（1）中，I0為系統(tǒng)瞬時(shí)電流，帶'的量指的是短路前的穩(wěn)態(tài)量，Im為短路電流周期分量幅值，w為相位角，Φ為短路后功率因數(shù)角，ψ指的是短路后電壓初相角，t為某點(diǎn)到短路瞬間時(shí)間間隔。

2.2 單相短路分析

在對(duì)單相短路展開分析時(shí)，如果線路發(fā)生短路前處于空載狀態(tài)，電流零狀態(tài)響應(yīng)與接通RL串聯(lián)電路的正弦電壓源等效。此時(shí)電流初始值為0，對(duì)零狀態(tài)響應(yīng)極值進(jìn)行求取，還要加強(qiáng)極點(diǎn)坐標(biāo)分析。具體來(lái)講，就是在ψ0等于0或π的情況下，wt0=90°+Φ-δ，其中，δ指的是提前角。如果無(wú)法找到極點(diǎn)，說明ψ0不在90°+Φ的范圍內(nèi)，wt0也不在180°范圍內(nèi)。在Φ的取值存在差異時(shí)，極值的提前角也存在一定差異，將導(dǎo)致wt0所處范圍發(fā)生變化。在空載狀態(tài)下，如果提前角處于0-7.46°范圍內(nèi)，最大值為7.46°，Φ的取值為69.32°。如果存在負(fù)載，并且初始電流與短路電流周期分量幅值比值不超過1/10，提前角最大值能夠達(dá)到16.32°，可以得到Φ的取值為74.34°。此時(shí)，由于系統(tǒng)中多數(shù)設(shè)備阻抗電壓有功和無(wú)功分量的比值不超過阻抗角Φ的大小，因此能夠得到R/L比值不超過22.3。發(fā)生單相空載短路，Φ的取值為85.9°，在初始電壓初相角數(shù)值為0 的情況下，能夠得到wt0數(shù)值為172.6°，提前角大小為3.28°。根據(jù)極值點(diǎn)，可以得到得到電動(dòng)力F（Φ，δ）=0，帶入式（1）進(jìn)行求導(dǎo)、簡(jiǎn)化，能夠得到系統(tǒng)短路沖擊系數(shù)：

在R/wL取值為0.071的情況下，能夠得到短路沖擊系數(shù)Km約為1.80。

2.3 多相短路分析

對(duì)多相短路情況展開分析，需要對(duì)非零狀態(tài)下三相系統(tǒng)發(fā)生的短路展開分析。按照上述方法對(duì)極值進(jìn)行求解，需要確定初始狀態(tài)線路電流幅值大小。系統(tǒng)采用配電設(shè)備阻抗電壓能夠達(dá)到5%，如果采用大型設(shè)備則能達(dá)到10%。根據(jù)設(shè)備負(fù)載電流幅值，可以對(duì)短路前后電流幅值比進(jìn)行分析，通常在1/10到1/20范圍內(nèi)。在倍數(shù)較小的情況下，說明系統(tǒng)短路越接近零響應(yīng)狀態(tài)，短路極值將與之前的分析接近。排出這一狀態(tài)，需要對(duì)系統(tǒng)電機(jī)反饋電流展開分析，將短路前后負(fù)載短路電流幅值比設(shè)定為1/10。對(duì)極值點(diǎn)進(jìn)行查找，可以發(fā)現(xiàn)初始電壓初相角數(shù)值不超6°，wt0=90°+Φ-δ'。作為非零狀態(tài)下的提前角，δ'可以在6°到16.3°范圍內(nèi)取值。在系統(tǒng)處于非零狀態(tài)時(shí)，短路沖擊系數(shù)可以減小。通過數(shù)值分析，可以發(fā)現(xiàn)極限狀態(tài)下短路沖擊系數(shù)最大不超5.5%。

在系統(tǒng)發(fā)生三相短路的情況下，零狀態(tài)響應(yīng)滿足：

完成導(dǎo)線平行直列布置，在三相對(duì)稱的情況下，A和C屬于邊相，產(chǎn)生的最大電動(dòng)力相等，B為中間相，產(chǎn)生的電動(dòng)力最大。按照步長(zhǎng)為1°進(jìn)行分析，在Φ0為-15°，wt0為173°的條件下，可以得到邊相電動(dòng)力Fm=-2.63CIm2，中間相電動(dòng)力Fm=-3.25CIm2。C指的是單位電流產(chǎn)生的電動(dòng)力，從分析結(jié)果來(lái)看，三相發(fā)生短路中間相最大電動(dòng)力數(shù)值最大，因此在電路設(shè)計(jì)中需要將中間相最大電動(dòng)力數(shù)值當(dāng)成是基礎(chǔ)指標(biāo)，以便使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠抵抗最大短路沖擊電流。而由于中間相產(chǎn)生最大電動(dòng)力的條件與單相空載狀態(tài)相同，可以確定單相空載短路產(chǎn)生的短路沖擊電流與最大電動(dòng)力與三相短路相同。此外，從各相極值點(diǎn)取值來(lái)看，在Φ為固定值的情況下，單相空載與三相短路擁有相同的wt0取值，并且提前角的大小也相同，因此可以只對(duì)電力系統(tǒng)的一種短路狀態(tài)展開分析，以便使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的動(dòng)穩(wěn)定性分析得到簡(jiǎn)化。

2.4 最大電動(dòng)力分析

實(shí)際對(duì)電力系統(tǒng)突發(fā)短路情況展開分析，還應(yīng)意識(shí)到系統(tǒng)三相同時(shí)發(fā)生短路才會(huì)引發(fā)最大短路沖擊電流，同時(shí)設(shè)備處于空載運(yùn)行狀態(tài)，一次側(cè)電壓初相角滿足ψ0=π/2+Φ0，從而分析得到最大的短路沖擊系數(shù)。但在現(xiàn)實(shí)生活中，這種條件較難滿足，如果按照這一條件對(duì)短路帶來(lái)的機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，將造成電路設(shè)計(jì)過于嚴(yán)格，容易導(dǎo)致設(shè)計(jì)成本增加，使得系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性下降。結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可以對(duì)條件進(jìn)行放寬。首先，可以假設(shè)在三相同時(shí)發(fā)生短路時(shí)，單相短路與其擁有同等大小的電動(dòng)力極大值。其次，在設(shè)備空載運(yùn)行的過程中，可以得到最大的短路沖擊系數(shù)，但在設(shè)備承擔(dān)一定負(fù)載的情況下，短路沖擊系數(shù)至少能夠達(dá)到5.5%。最后，在設(shè)備一次側(cè)電壓初相角超出的π/2+Φ0范圍時(shí)，可以在ψ0為0的狀態(tài)下進(jìn)行極值求取。如果為三相電路，可以在ψ0為-60°的狀態(tài)下進(jìn)行極值求取。按照上述條件完成最大電動(dòng)力分析，在R/wL取值為0.071時(shí)，分析可以得到短路沖擊系數(shù)Km為1.8035，Km2為3.253，能夠基本保證電力系統(tǒng)不因短路沖擊發(fā)生結(jié)構(gòu)損壞。在對(duì)最大電動(dòng)力展開分析時(shí)，應(yīng)確保單相短路零狀態(tài)響應(yīng)的短路沖擊系數(shù)比非零狀態(tài)要大，同時(shí)比三相短路邊相零狀態(tài)下的系數(shù)取值大，與中間相零狀態(tài)的短路沖擊系數(shù)相等。從總體來(lái)看，單相短路在零狀態(tài)響應(yīng)下發(fā)生的短路沖擊電流最大，可以在ψ0=0，wt0=90°+Φ-δ的條件下取極值，得到提前角在0-7.46°范圍內(nèi)。在負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)下，可以在ψ0不超過6°，wt0=90°+Φ-δ'的條件下取極值，得到δ'在6-16.3°范圍內(nèi)。在對(duì)中間相非零狀態(tài)展開分析時(shí)，需要在ψ0=-60°，wt0=90°+Φ-δ的條件下取極值，得到提前角在0-7.46°之間。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，電力系統(tǒng)中的低壓成套開關(guān)設(shè)備一旦發(fā)生短路，將給系統(tǒng)帶來(lái)較大短路電流，促使設(shè)備線路產(chǎn)生較大電動(dòng)力，給結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性帶來(lái)嚴(yán)重威脅。因此在低壓成套開關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，需要對(duì)單相、三相的零響應(yīng)和非零響應(yīng)狀態(tài)展開分析，完成短路沖擊系數(shù)的合理取值，以便使設(shè)備結(jié)構(gòu)能夠抵抗最大短路電流帶來(lái)的最大電動(dòng)力，避免設(shè)備發(fā)生損傷，繼而為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

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