孫 立 安

[同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司,上海 200092]

0 引 言

近年來,隨著我國城市化水平的不斷提高,大型綜合體建筑、大型科研教育園區(qū)也越來越多。這些建筑或建筑群構(gòu)造復(fù)雜,配電要求高,供配電系統(tǒng)中存在大量的一、二級(jí)用電負(fù)荷。為滿足這些一、二級(jí)用電負(fù)荷的供電要求,自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器(ATSE)的應(yīng)用越來越廣泛。

在建筑電氣設(shè)計(jì)中,要正確地選擇ATSE,需要明確額定工作電壓、額定工作電流、相數(shù)、額定短時(shí)耐受電流、額定短路接通能力、轉(zhuǎn)換條件、使用類別、轉(zhuǎn)換時(shí)間等設(shè)備參數(shù)。本文對(duì)ATSE的設(shè)備選擇中比較重要同時(shí)又容易被忽視的PC級(jí)ATSE的額定短時(shí)耐受電流Icw的選擇進(jìn)行計(jì)算和分析,以幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)備選擇。

1 PC級(jí)ATSE的額定短時(shí)耐受電流Icw的選擇要求分析

PC級(jí)ATSE不具備保護(hù)能力,在發(fā)生短路故障時(shí)需要在一定的時(shí)間內(nèi)耐受一定的短路電流通過。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14048.11—2016《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第6-1部分:多功能電器轉(zhuǎn)換開關(guān)電器》[1]中第8.2.5.1條對(duì)ATSE的額定短時(shí)耐受電流進(jìn)行了規(guī)定,驗(yàn)證短路操作能力的試驗(yàn)電流值如表1所示。

表1 驗(yàn)證短路操作能力的試驗(yàn)電流值

額定短時(shí)耐受電流的通電時(shí)間見國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14048.11—2016第5.3.6.1條規(guī)定,即額定工作電流小于或等于400 A時(shí),交流為額定頻率的1.5個(gè)周波,額定工作電流大于400 A時(shí),交流為額定頻率的3個(gè)周波。

但是上述規(guī)定僅僅是國標(biāo)規(guī)范中的最低要求。國家標(biāo)準(zhǔn)GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[2]中第7.5.4.3條規(guī)定:當(dāng)采用PC級(jí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器時(shí),應(yīng)能耐受回路的預(yù)期短路電流,且ATSE的額定電流不應(yīng)小于回路計(jì)算電流的125%。因此,ATSE具體的額定短時(shí)耐受電流選擇還是要通過短路電流計(jì)算并對(duì)短路電流進(jìn)行熱效應(yīng)換算得出。

2 ATSE需要耐受的短路電流分析

ATSE在電氣回路中的最大預(yù)期短路電流是三相短路電流。而在不同的供電條件和供電距離下,三相短路電流是不同的。

2.1 三相短路電流的計(jì)算公式

根據(jù)國標(biāo)圖集19DX101-1《建筑電氣常用數(shù)據(jù)》附錄15-3中公式,對(duì)稱穩(wěn)態(tài)三相短路電流有效值為

(1)

式中:XQt、XTK、XL——系統(tǒng)、變壓器、線路的電抗;

RQt、RTK、RL——系統(tǒng)、變壓器、線路的電阻;

Un——系統(tǒng)標(biāo)稱電壓;

c——電壓系數(shù),在低壓系統(tǒng)中取1.10。

2.2 短路電流的熱效應(yīng)換算

ATSE對(duì)回路的預(yù)期短路電流的耐受能力即ATSE對(duì)短路電流的熱效應(yīng)的耐受能力。短路電流引起的熱效應(yīng)為

(2)

式中:ikt——短路電流瞬時(shí)值;

t——短路電流持續(xù)時(shí)間。

參考相關(guān)品牌的斷路器產(chǎn)品樣本可知,塑殼斷路器瞬時(shí)脫扣元件的最大分?jǐn)鄷r(shí)間為0.03 s。因此短路電流持續(xù)時(shí)間也按0.03 s計(jì)算。短路電流持續(xù)時(shí)間小于0.1 s的情況下,計(jì)算短路電流熱效應(yīng)時(shí)應(yīng)計(jì)入非周期分量的影響。為簡化計(jì)算,按三相短路全電流最大有效值計(jì)算,即在0.03 s的持續(xù)時(shí)間內(nèi),三相短路電流有效值保持三相短路全電流最大有效值不變。

三相短路全電流最大有效值計(jì)算時(shí)需包含周期與非周期分量有效值的方均根值。由于非周期分量是變化的,因此近似按短路后1/2周期(0.01 s)處的瞬時(shí)值計(jì)算,三相短路全電流最大有效值為

(3)

式中:Ik——對(duì)稱穩(wěn)態(tài)三相短路電流有效值;

Kp——沖擊系數(shù),在1～2之間,工程上一般取1.8。

2.3 不同供電條件和配電距離下短路全電流計(jì)算

計(jì)算考慮6種低壓供電條件,即變壓器分別為630 kVA(Uk%=4.5)、800 kVA(Uk%=4.5)、1 000 kVA(Uk%=6)、1 250 kVA(Uk%=6)、1 600 kVA(Uk%=6)、2 000 kVA(Uk%=6)的情況。

計(jì)算時(shí),統(tǒng)一考慮系統(tǒng)短路阻抗SS=200 MVA;由于變壓器短路電阻遠(yuǎn)小于短路電抗,因此忽略RTK;變壓器出線側(cè)低壓采用密集型銅母線,母線長度為10 m。根據(jù)GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》條文解釋第6.2.2條的要求,配電線路的配電距離不超過250 m。因此計(jì)算中考慮配電距離10～250 m的情況。變壓器低壓側(cè)母線選擇及其阻抗值如表2所示;低壓電纜線路單位長度阻抗如表3所示。

表2 變壓器低壓側(cè)母線選擇及其阻抗值

表3 低壓電纜線路單位長度阻抗

圖1 短路全電流隨配電距離的變化曲線

根據(jù)以上的短路全電流計(jì)算,ATSE額定短時(shí)耐受電流Icw選擇如表4所示。

表4 ATSE額定短時(shí)耐受電流Icw選擇

3 結(jié) 語

PC級(jí)ATSE在設(shè)計(jì)中廣泛使用,如果選擇不當(dāng)在短路故障時(shí)很有可能產(chǎn)生觸頭熱熔的風(fēng)險(xiǎn),本文通過對(duì)ATSE需要耐受的短路電流進(jìn)行計(jì)算分析的同時(shí),加入實(shí)際運(yùn)用場景中PC級(jí)ATSE額定短時(shí)耐受電流的選取分析,得出相應(yīng)部分根據(jù)不同變壓器和線路敷設(shè)距離等條件確認(rèn)ATSE額定短時(shí)耐受電流選擇表,可為相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供參考。