孫海峰

摘要：在電氣設(shè)計(jì)中短路電流計(jì)算應(yīng)用在電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、運(yùn)行校核、繼電保護(hù)等諸多方面，通過對(duì)電氣元件的電磁暫態(tài)模型進(jìn)行計(jì)算分析，以此確定電路是否發(fā)生短路問題。本文將從電氣設(shè)計(jì)短路保護(hù)要求出發(fā)，以此研究在電氣設(shè)計(jì)中不同計(jì)算關(guān)于短路防護(hù)器保護(hù)的選擇性配合情況，使短路防護(hù)器滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：電氣設(shè)計(jì);短路防護(hù)器;短路計(jì)算

引言：

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，由短路引發(fā)的配電網(wǎng)故障問題逐漸增多，主要原因就是設(shè)備選型不滿足短路計(jì)算后電氣設(shè)備設(shè)計(jì)要求，致使電氣設(shè)備在短路時(shí)加快絕緣材料老化，縮短使用壽命，甚至引發(fā)火災(zāi)。

1電氣設(shè)計(jì)短路保護(hù)要求

根據(jù)《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》中的有關(guān)規(guī)定，電纜應(yīng)能承受預(yù)期的短路電流和其保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，對(duì)于非熔斷器保護(hù)的回路，應(yīng)校驗(yàn)電纜的最小截面;第6.2.4條規(guī)定，當(dāng)短路保護(hù)電器為斷路器時(shí)，被保護(hù)線路末端的短路電流不應(yīng)小于低壓斷路器瞬間或短延時(shí)過電流脫扣器整定電流的1.3倍;被保護(hù)回路內(nèi)任意一點(diǎn)發(fā)生短路故障是，防護(hù)電器都應(yīng)在保護(hù)回路導(dǎo)體溫度上升到臨界值前切斷電源，這些要求的實(shí)現(xiàn)都必須由電氣設(shè)計(jì)中短路電流的計(jì)算來得出，短路防護(hù)器也是為了防止因線路故障短路電流產(chǎn)生線路的過熱造成設(shè)備損壞而設(shè)置的設(shè)備，必須要滿足電氣設(shè)計(jì)中短路保護(hù)要求。需要注意的是，并非所有電氣設(shè)計(jì)上都需設(shè)置短路防護(hù)器，比如在電源設(shè)備出線口、中性線、二次回路等情況下不應(yīng)安裝短路防護(hù)器。另外，若短路防護(hù)器切斷回路電源造成的影響比不切斷電源造成的影響更嚴(yán)重時(shí)，也不應(yīng)裝設(shè)短路防護(hù)器。

2短路防護(hù)器保護(hù)的計(jì)算研究

2.1計(jì)算原則

在實(shí)際電氣設(shè)計(jì)中一般采用低壓斷路器和熔斷器作為電流保護(hù)的設(shè)備，根據(jù)具體的保護(hù)需求來選擇斷路器或熔斷器作為保護(hù)設(shè)備。計(jì)算的原則是兩者之間就電氣設(shè)計(jì)的選擇性配合，通過短路防護(hù)中上下級(jí)動(dòng)作的選擇性可以避免越級(jí)跳閘造成大規(guī)模停電。以熔斷器之間的選擇性配合為例。上下級(jí)之間的電弧時(shí)間小于0.1s時(shí)，要對(duì)總I2t特性進(jìn)行校驗(yàn)。級(jí)間配合原則指出不動(dòng)作的器件弧前I2t，需大于動(dòng)作熔斷器的熔斷I2t。若串聯(lián)熔斷體的電流值大于16A，過電流比為1.6：1，則可以實(shí)現(xiàn)選擇性熔斷。一般來說由于要保護(hù)設(shè)備和器件，根據(jù)I2t選擇熔斷器的標(biāo)準(zhǔn)是熔斷器的熔斷I2t要小于保護(hù)設(shè)備和器件，并且在設(shè)計(jì)時(shí)常留10%冗余，在計(jì)算時(shí)也需考慮進(jìn)去[1]。

2.2計(jì)算方法

電路設(shè)計(jì)中短路防護(hù)器的計(jì)算方法有電磁暫態(tài)程序（EMTP）、標(biāo)幺值法、有名值法、IEC法、ANSI/IEEE法。其中電磁暫態(tài)程序是用于電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析的仿真軟件，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試證實(shí)后，建立短路防護(hù)器和各種開關(guān)、電機(jī)的模型，能夠模擬斷路器或熔斷器在電路聯(lián)接中的變化以及非線性電阻的特性曲線。雖然這種方式計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，但計(jì)算量較大，收集數(shù)據(jù)較多，不適合實(shí)際工程應(yīng)用。

標(biāo)幺值法是國(guó)內(nèi)普遍應(yīng)用于短路電流計(jì)算的方法，在統(tǒng)一功率、平均電壓后，將各電機(jī)的電抗有名值轉(zhuǎn)化為等值電抗標(biāo)幺值后，對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，只得到短路防護(hù)器節(jié)點(diǎn)和短路點(diǎn)的簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)，兩者之間僅有轉(zhuǎn)移電抗。此方法的原理是忽略電阻，保留電抗，能夠避免電壓變化帶來的繁瑣折算問題。當(dāng)在較大電力系統(tǒng)中計(jì)算電抗時(shí)可不考慮短路電流交流分量的衰減，有名值為：

I0=I1IN Izt=I1ztIN

式中，IN為電源額定電流;I1為0時(shí)刻周期分量標(biāo)幺值;I1zt為t時(shí)刻周期分量標(biāo)幺值。若在有限源電力系統(tǒng)中進(jìn)行計(jì)算，則需要根據(jù)計(jì)算電抗后查詢制定完成的計(jì)算曲線求出短路電流的標(biāo)幺值，再依據(jù)基準(zhǔn)電流即可求出有名值。

IEC法在不同的短路電流中有著不同的應(yīng)用方法，根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)來到看三相短路電流是計(jì)算其他類型短路電力的基礎(chǔ)。因此，主要分析此種短路電流的計(jì)算方法。IEC法在低壓三相短路電流中的計(jì)算公式為：

式中，Un為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓（kV）;Zk為三相短路阻抗（Ω）;Rk為三相短路電阻（Ω）;Xk為三相短路電抗（Ω）。電壓系數(shù)c應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同標(biāo)稱電壓來進(jìn)行選用，計(jì)算最大值時(shí)選擇最大電壓系數(shù)，計(jì)算最小值時(shí)則選用最小電壓系數(shù)。需要注意cUn不宜超過短路防護(hù)器設(shè)備的最高電壓，在計(jì)算中還需允許電壓偏差為+10%的低壓系統(tǒng)，若為380V允許電壓偏差為+6%。

ANSI/IEEE法主要是利用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ANSI/IEEE來進(jìn)行短路計(jì)算，將短路位置用等效電壓源代替所有外部電壓源和電機(jī)電壓源，忽略線性電容器和靜態(tài)負(fù)荷。比如末段回路是最容易發(fā)生短路的位置，在ANSI/IEEE法標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)條件下就可以忽略前端電網(wǎng)結(jié)構(gòu)隨短路持續(xù)時(shí)間變化的狀況。不過，此種方法也不會(huì)考慮短路處的過渡電阻，需要使用單獨(dú)的阻抗和容抗來計(jì)算抗阻比。而在實(shí)際電氣設(shè)計(jì)中往往上下級(jí)具有不同斷路器或熔斷器，也導(dǎo)致此方法的計(jì)算存在一定限制[2]。

2.3結(jié)果分析

根據(jù)對(duì)短路防護(hù)器所處電力系統(tǒng)的短路計(jì)算，可以得出保護(hù)所需設(shè)置的保護(hù)限制和動(dòng)作延時(shí)。以三級(jí)電力系統(tǒng)為例，在發(fā)生短路故障或接地故障電流達(dá)到整定閾值后都需經(jīng)過0.1s至0.4s的延時(shí)脫扣，并且由處在最下級(jí)控制線的短路防護(hù)器先行實(shí)施脫扣動(dòng)作，在發(fā)出脫離信號(hào)后依次向上級(jí)傳輸。若上級(jí)未檢測(cè)到短路故障或接地故障電流達(dá)到整定閾值，則不會(huì)執(zhí)行脫扣動(dòng)作。在此電力系統(tǒng)中最上級(jí)脫扣器延時(shí)時(shí)間可設(shè)置為0.4s，次級(jí)脫扣器延時(shí)時(shí)間可設(shè)置為0.2s，最下級(jí)因處在末端，設(shè)置長(zhǎng)延時(shí)和瞬時(shí)保護(hù)即可。

結(jié)論：短路防護(hù)器是電路發(fā)生短路故障的瞬間對(duì)故障電路進(jìn)行保護(hù)的有效設(shè)備，通過切除電路連接的方式避免短路故障影響范圍擴(kuò)大。通過對(duì)短路防護(hù)器所在電路進(jìn)行短路計(jì)算，能夠明確短路防護(hù)器所需設(shè)置的保護(hù)限制和動(dòng)作延時(shí)，再結(jié)合電氣設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，確定各級(jí)保護(hù)器配合的整定時(shí)間與關(guān)系，即可實(shí)現(xiàn)電路在發(fā)生短路故障的有效保護(hù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊青.國(guó)內(nèi)外短路電流計(jì)算方法比較及對(duì)國(guó)標(biāo)的建議[J].電工技術(shù)，2021（11）：88-90.

[2]張武洋，李籽良，李永照，等.一種電網(wǎng)等值分解及短路計(jì)算新方法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2020，48（14）：43-49.