代淑芬

（無錫南洋職業(yè)技術學院 智能裝備與信息工程學院，江蘇 無錫214081）

低壓電氣柜母線短路動、熱穩(wěn)定性研究

代淑芬

（無錫南洋職業(yè)技術學院 智能裝備與信息工程學院，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)和載流導體產(chǎn)生巨大的電動沖擊力，同時，也使得開關柜內的母線、電纜和元器件等導電部件溫度迅速升高，導致低壓電氣柜內的母線系統(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算它的動、熱穩(wěn)定性，以便順利通過型式試驗，為工程技術人員提供一定的理論依據(jù)。

低壓電氣柜；短路；母線；動穩(wěn)定性；熱穩(wěn)定性

低壓電氣柜是以開關設備為主體的配電裝置，廣泛應用于發(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行控制、保護、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備的正常工作，也可能破壞電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和損壞電氣設備。

當?shù)蛪弘姎夤駜炔康哪妇€系統(tǒng)或者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)生巨大的電動沖擊力，開關柜的結構件瞬間也將承受巨大的破壞力。同時，短路電流使得開關柜內的母線、電纜和元器件等導電部件溫度迅速升高。盡管線路保護裝置會在很短的時間內切斷短路電流，但由于時間短，導電部件來不及散熱，所以導電部件的溫度會迅速上升。如果溫度超過了低壓開關設備母線系統(tǒng)和元器件的容忍極限，則開關設備將會受到破壞，因此在進行電氣控制柜設計時，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。實踐證明，在所有短路中，三相短路造成的毀壞程度是最嚴重的，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穩(wěn)定和熱穩(wěn)定。

二、三相短路過程分析

當配電網(wǎng)中的某處發(fā)生短路時，電力變壓器低壓側在短路瞬間電壓基本不變，又因為短路電路的阻抗較小，故電流強度將大幅度增加，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值/短路電流直流分量有效值；ish/Ish為短路電流全電流瞬時值/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半周期內的有效值；ik/Ik為持續(xù)短路電流瞬時值/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的波形在時間零點的左側，當配電網(wǎng)在零時刻發(fā)生短路時，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)生一個大小相等方向相反的電流ig疊加在ip上。由于ig是一個逐漸衰減的直流電流，其衰減時間與短路線路的阻抗有關，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、短路電流電動力分析

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

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

當某相主母線的兩條銅排流過同一方向的電流時，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，當兩條導線中的電流方向一致時，導線之間的作用力相吸；當兩條導線中的電流方向相反時，導線之間的作用力相斥。實踐證明，適當增大兩平行導體中心線距離以及選擇合適的導體截面形狀可以降低短路電流產(chǎn)生的沖擊力。

圖2 兩條平行導線之間的電動力

計算矩形母線間短路電動力的方法源于畢奧-薩伐爾定律。設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力波形曲線。設電流i流過矩形銅排，其產(chǎn)生的電動力F表達式為：

式（2）中C為電動力系數(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。

導體流過短路電流后，所受到的電動力由兩部分組成。一部分為電動力的恒定分量F′，它反映的是交流電動力的平均值；另一部分為電動力的交變分量F″，它以兩倍于電流頻率而變化。電動力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的波形曲線與電動力F的波形曲線

當短路電流流過矩形銅排時，短路電流會對矩形銅排產(chǎn)生電動力。從短路電動力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力F的波形曲線

四、動穩(wěn)定研究

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

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

式（3）中Ipk為成套開關設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計算和主母線熱穩(wěn)定性

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

短路電流比正常電流大許多倍，所以導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設備母線系統(tǒng)和元器件的容忍極限，開關設備將會受到破壞。為此，把電氣設備具有承受短時的短路電流熱沖擊效應的能力稱為開關設備的熱穩(wěn)定性。

圖5 短路前后導體的溫度變化

在圖5中，短路前的溫度為θL，是由正常的負荷電流引起的。t1時刻發(fā)生了短路故障，導體溫度迅速上升。t2時刻線路保護裝置動作切斷故障線路，導體溫度到達最髙點θK。之后因為故障線路已經(jīng)被切斷，所以溫度按指數(shù)曲線下降到θ0，直到導體與周圍環(huán)境溫度相同為止。

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

短路全電流ish是一個變量，要準確地計算出短路電流流經(jīng)的導體產(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∞等效計算短路電流所產(chǎn)生的熱量。圖6中短路電流IK的作用時間從0到tK,假設IK在tK時間內產(chǎn)生的熱量與短路穩(wěn)態(tài)電流I∞在時間tima內產(chǎn)生的熱量一致。于是有：

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

圖6 短路發(fā)熱假象時間

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

式（5）中Icw為主母線的短時耐受電流（kA),短路時間長度為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間，對于低壓開關柜一般取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、結語

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

因此，在設計制造開關柜時，要充分考慮各個不利因素的影響，尤其是短路電流引起的短路電動力和短路熱效應的影響。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，使其性價比達到最優(yōu)。

[1]張玉清.大電流開關柜設計中電動力問題探討[J].江蘇電器，2003（5）:10-12.

[2]張業(yè)真.低壓成套開關設備存在的問題解析[J].電工電氣，2016（3）:37-40.

[3]何銳鑫,楊國清.低壓成套開關設備的參數(shù)化設計[J].電器與能效管理技術，2016（17）:67-69.

[4]馬桂芬.低壓成套開關設備的出廠試驗與產(chǎn)品質量問題的探討[J].科技創(chuàng)新報，2009（28）:55-56.

[5]張白帆.低壓成套開關設備的短路參數(shù)分析和動熱穩(wěn)定性[J].通信電源技術，2012（?？?12-116.

[6]李志鴻.低壓成套開關設備的可靠性分析[J].機械與設備,2013（12）：382-389.

[7]沈凱.低壓成套開關設備的設計要點及其可靠性指標的確立[J].機電信息，2013（15）:140-141.

[8]鄭美海.低壓電氣柜結構設計中有關動穩(wěn)定性能設計的探討[J].電氣制造，2014（1）:34-35.

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，內蒙古赤峰人，講師，碩士，研究方向為電工技術。

（編輯:林鋼）