天津電氣科學研究院有限公司 張曉戈

短路時通過導體沖擊電流產(chǎn)生的電動力可達很大的數(shù)值，導體和電器可能因此而產(chǎn)生變形或損壞。閘刀式隔離開關(guān)可能自動斷開而產(chǎn)生誤動作，造成嚴重事故。開關(guān)電器觸頭壓力明顯減少，可能造成觸頭熔化或熔焊，影響觸頭的正常工作或引起重大事故[1]。

1 電動力的計算

1.1 計算電動力的目的

當?shù)蛪撼商组_關(guān)設(shè)備內(nèi)部的母線系統(tǒng)或載流導體流過短路電流時，短路電流會對母線系統(tǒng)和載流導體產(chǎn)生巨大的電動力沖擊作用，低壓開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)件也將承受瞬間巨大的破壞作用。當可以計算出短路電流產(chǎn)生的電動力、對電動力有所認知和了解時，就可更方便選用適當強度的電器設(shè)備及其附件，用以保證足夠的電動力穩(wěn)定性；必要時也可采用限流保護器件來限制短路電流的措施。這樣就可杜絕或減少電動力的沖擊給低壓成套設(shè)備帶來不必要的損壞，避免安全事故的發(fā)生。適當加強低壓成套設(shè)備機械結(jié)構(gòu)能使設(shè)備在短路時的動穩(wěn)定性得到提高，從而為輸配電線路的穩(wěn)定運行提供保障。

1.2 電動力的作用方向

首先要明確電流電動力的作用方向，通過圖1進行判斷電動力的作用方向。首先需判斷電磁力線的方向。在左圖中可看到兩支導線的電流方向一致，根據(jù)右手螺旋定則可知：上導線在下導線周圍產(chǎn)生的磁力線方向是流入紙面，圖中用×作標記；下導線在上導線周圍產(chǎn)生的磁力線方向是流出紙面的，圖中用●作標記。同理，右圖中兩導線電流方向相反，磁力線方向如圖中標記所示。根據(jù)左手定則可知導線的受力方向，即上下兩根導線中的電流方向一致時，兩導線間會產(chǎn)生相吸的電動力。上下兩導線中的電流方向相反時，兩導線間會產(chǎn)生相斥的電動力。

圖1 判斷電磁力線的方向

1.3 電動力的計算

對于平行導體間的電動力計算，可根據(jù)安培力公式及畢奧-薩伐爾定律來計算矩形母線間短路電動力，設(shè)兩根銅排中流過的電流分別是i1和i2，則銅排之間的作用力為式中F為銅排之間的電動力（N）；Kx為矩形銅排形狀系數(shù)；i1為第一根銅排中流過的電流（A）；i2為第二根銅排中流過的電流（A）；L為銅排長度（m）；a為兩銅排間的中心距（m）。

圖2 銅排形狀系數(shù)Kx計算用圖

Kx可理解為由于電流并不集中在導體軸線上而需進行修正的系數(shù)。圓形導體的形狀系數(shù)Kx=1，那么矩形銅排形狀系數(shù)Kx可通過下列方法來確定：Kx計算復雜，實際中已制成截面形狀系數(shù)曲線或表格（圖2）,以這種查表的方式更簡捷方便設(shè)計時使用。也可以通過公式計算來得出Kx的值。假設(shè)銅排中心距為a、寬度是h、厚度是b，其中b/h和(ab)/(h+b)這兩個參數(shù)與Kx密切相關(guān)（圖2）。

2 低壓成套設(shè)備的電動力分析

在低壓成套設(shè)備的使用過程中，會發(fā)生的短路情況有相對地、兩相短路、三相短路等，其中兩相短路和三相短路故障對設(shè)備的損害相對較大。發(fā)生兩相短路時電動力的計算為公式1，式中ich2為兩相短路時的短路沖擊電流；發(fā)生三相短路電流時電動力的計算為公式2，其中ich3為三相短路時的短路沖擊電流。在低壓成套開關(guān)設(shè)備中一般采用的三相四線制，在同一平面平行布置。當發(fā)生兩相短路時，因為兩相短路電流是三相短路電流0.866倍，即式3，那么在該型式的成套開關(guān)設(shè)備中兩相短路所產(chǎn)生的電動力應(yīng)為式4，通過計算分析，三相短路時設(shè)備所受的電動力最大，應(yīng)采用三相短路電流來進行動穩(wěn)定效應(yīng)。

再來分析不同排規(guī)和間距時所產(chǎn)生的電動力。設(shè)低壓成套開關(guān)設(shè)備主母線銅排規(guī)格為寬（h）×厚（b）=80mm×8mm，對于不同的銅排中心距依據(jù)圖2可得不同的Kx值。例如：當a=400mm時可得出Kx值為1；當a=200mm時通過計算得出Kx值為0.95，依據(jù)公式和各個已知的值可計算出不同間距的Kx值。

由于低壓成套開關(guān)設(shè)備帶電體之間的電氣間隙不得小于25mm，所以查上表可知Kx=0.1，雖然上述Kx是用80mm×8mm銅排截面推導出來的，但其適用于銅排規(guī)格各種情況。通過公式可分析得出，當其他各值都一定的情況下，相與相之間的間距越大，發(fā)生短路故障時所產(chǎn)生的電動力就越小，在低壓成套開關(guān)設(shè)備的設(shè)計前期，可根據(jù)實際需要確定出母排規(guī)格、走向、間距，預(yù)期短路電流各值，通過計算可選擇相應(yīng)的母線夾的距離，最大限度的節(jié)省成本，以避免過度安裝絕緣支撐件造成浪費的情況下又使得成套設(shè)備內(nèi)空間減小，間接的造成正常運行時溫升滿足不了使用要求；或是過度減少支撐件個數(shù)，這樣就會造成設(shè)備不滿足短路強度中的動穩(wěn)定參數(shù)，當發(fā)生短路時電動力就會給設(shè)備造不可想象的破壞力。

電路中所能承受的最大電流為額定峰值耐受電流Ipk，將該值代入電動力公式即可求得銅排間的最大承受電動力。值得注意的是，通過理論計算分析可以得知，當三相導體在同一平面平行布置、發(fā)生三相短路時，由于中間母線同時受兩側(cè)母線的電動力疊加作用，根據(jù)理論推導在三相短路時受力最大的是中間相。所以在設(shè)計低壓成套開關(guān)設(shè)備時，應(yīng)按三相短路時中間相所受電動力來設(shè)計電氣設(shè)備的動應(yīng)能力。

同樣也可通過理論推導得出，對于四極母線系統(tǒng)(三相主母線和N線)，在相同的電流值下，單相短路的電動力大于三相短路的電動力。這是因為四極母線系統(tǒng)發(fā)生單相短路時，靠近N母線的相銅排與N母線銅排中同時出現(xiàn)大小相等方向相反的短路峰值電流，所以當電流值相同的情況下，單相短路時主母線承受的短路電動力最大。而在實際使用時，低壓成套開關(guān)設(shè)備一般處于輸配電線路中的線路側(cè)，即當在發(fā)生單相對N或?qū)Φ囟搪窌r，所產(chǎn)生的短路電流一般為三相短路電流的0.5倍及以內(nèi)?？赏ㄟ^如下公式推導出單相短路電流為三相短路電流為其中Z是線路阻抗，ZN為線路N或地的阻抗。在實際使用中ZN≥Z，那么從中就可得出Ik1≤0.5Ik3。

理論和型式試驗都可證明，在相同電流的情況下，低壓成套開關(guān)設(shè)備的四極主母線中，靠近N線銅排的相線銅排與N線銅排之間會出現(xiàn)最大的短路電動力，約為三相短路電動力的2倍。因此必須認真仔細地設(shè)計低壓成套開關(guān)設(shè)備四極主母線系統(tǒng)的母線夾和柜體結(jié)構(gòu)。如對N有特殊要求的，對于母線夾的材質(zhì)也要予以特殊關(guān)注，除要確保母線夾的絕緣性能外，更務(wù)必確保母線夾能夠承受最大短路電動力的沖擊。

通過以上的計算可知，對于一般線路中的低壓成套設(shè)備來說，對N排這條線路中的母線夾和柜體結(jié)構(gòu)強度要求均可低于對三相母線中的母線夾和柜體結(jié)構(gòu)強度。這樣既可節(jié)省設(shè)備的成本，又可滿足電動力強度的要求。

綜上，當發(fā)生短路故障時所產(chǎn)生的電動力是和短路電流的大小以及母線的形狀、結(jié)構(gòu)、走向、間距等均有密不可分的關(guān)系。三相短路電流產(chǎn)生的電動力是最大的，在設(shè)計低壓成套設(shè)備時，可能通過計算來分析出該設(shè)備應(yīng)選用母線規(guī)格、母線間距以及絕緣支撐件的間距，以便使設(shè)備結(jié)構(gòu)能夠抵抗最大短路電流帶來的最大電動力，避免設(shè)備發(fā)生損傷，繼而為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供保障。