低压断路器的选择与低压短路电流计算.docx

低压断路器分断能力的选择和低压短路电流计算赵庆贤 鞍山冶金设计研究院摘要：通过对影响低压主母线上短路电流的各种因素的分析与具体计算，找出影响短路电流的主要因素，进而得出简化计算办法。同时根据计算得出的三相短路电流周期分量和短路冲击电流值，合理选择断路器的分断能力。关键字：短路电流；分断能力；电力系统的短路电流计算是电气设计中的主要文件之一。通过计算，获取系统的短路数据，为高压电气设备的选择：如，高压断路器、高压隔离开关、电流互感器选择等提供了依据。同时，也是继电保护整定的主要依据。而上述主要针对高压系统的短路计算书，因为对低压系统的特殊性质没有全面包含，因而不能直接用来选择低压断路器。本文结合国外某矿山项目的设计，阐述低压短路电流计算在低压断路器选型上的应用。1 低压短路电流的计算1.1 依据某矿山项目的设计，截取其中一段线路的计算结果 (见表1)及计算用线路图（见图1），两者都表明，上述计算中对于415V的计算，指的是6.6KV/0.415KV变压器的二次出口，而不是低压主母线。换言之，影响低压主母线上短路电流的许多因素，上述计算中没有予以考虑。例如：变压器二次出线电缆（或母线）阻抗，低压受电断路器的阻抗，低压隔离开关的阻抗、低压主母线阻抗，等。表1: 短路电流计算结果表Short-curcuit Point Branch Base ImpedanceCalculated ResultUjIjSjMAXIIichIchS(kV)(kA)(MVA)MIN(kA)(kA)(kA)(kA)(MVA)K1 Point 33kVIk1.maxPowerSystem34.651.6661000.062.26.87526.87568.53140.8501612.903Ik1.min0.7572.2012.2015.6133.346132.1K2 Point 6.6kVIk2.maxPowerSystem6.98.3671000.59514.05514.05535.84021.364167.973Ik2.min1.296.4856.48516.5369.85777.499Point Convert to 33kVIk1.max.c34.641.6661000.5952.7992.7997.1374.254Ik1.min.c1.291.291K3 Point (0.415kV)Ik3.max2000kVA0.433133.337 1003.595 37.086 37.086 94.570 56.371 27.814 Ik3.minTransformer 4.290 31.079 31.079 79.250 47.239 23.308 K3 Point Convert to 6.6kVIk2.max.c6.98.367 1003.595 2.327 2.327 5.935 3.537 Ik2.min.c4.290 1.950 K3 Point Convert to 33kVIk1.max.c334.651.666 1003.595 0.463 0.463 1.182 0.704 图1: 计算电路图1.2 另外，在电力系统的高压短路电流计算中，通常不计及各种元件的电阻。而在低压短路计算时，元件电阻的影响，不能忽略。1.3 根据规范：验算电器在短路条件下的通断能力，应采用安装处预期短路电流周期分量的有效值，当短路点附近所接电动机额定电流之和超过短路电流的1%时，应计入电动机反馈电流的影响。在高压短路电流计算中，一般没有考虑低压电动机反馈电流的影响。1.4 低压短路电流的计算：1） 系统阻抗 ：Xx = Ue*Ue*1000/Sdx =1.12mXx=系统阻抗；Ue=0.433Kv；Sdx=系统短路容量 或变压器高压侧短路容量；Sdx =168MVA(根据短路电流计算结果)。2） 变压器阻抗（2000kVA）Rb = Pd*Ue*Ue*1000/(Se * Se) =0.70 mRb = 变压器电阻m；Pd = 15000w（变压器负载损耗）；Se= 2000kVA（变压器容量）。Ur% = Pd /(10*Seb) =0.75Ur% = 变压器电阻电压百分数.Ux% = （Uz%*Uz%）+ (Ur%*Ur%) =6.05Ux% = 变压器电抗电压百分数; Uz% = 变压器阻抗电压百分数 = Ud % =6Xb = 10*Ux%*Ue*Ue*1000/Se =5.673） 变压器二次电缆阻抗设计中选用400m2 ;5根并联单芯交联电缆（n=5）;长度L=25m；电阻r=0.06/km (m/m)；电抗x=0.08/km (m/mRl = L * r / n =0.28 mXl = L * x / n =0.40 m4） 母线阻抗（415v受电）母线-2(125x10mm)Rm = 21.4 x L/S=0.02 mL = 母线长度 =2m；S = 母线截面 =2500mm2Xm(母线电抗)= 0.145x Lg(Dj/Gjx)=0.10 mDj为母线相间几何间距，当在同一平面且间距相等时，为1.26D；Dj=157.5mm；D = 125mm；Gjx为母线相间几何均距:Gjx = 0.2236 x (a + b) =32.42mm；a =125 mm (母线宽)；b=20 mm (母线厚)。5） 断路器接触电阻（415v受电）estimated Racb =0.05 m6） 断路器过流线圈阻抗（415v受电）:700/5时 0.04mestimated Rgl =0.02 mestimated Xgl =0.01 m7） 总的阻抗R = Rx + Rb + Rl +Rm + Racb + Rgl =1.07 mX = Xx + Xb + Xl +Xm + Xacb + Xgl =7.20 m8） 415V母线上三相短路电流(周期分量)Iz=Ue*1000/1.73/R*R+X*X =34.40KA9） 415V母线上短路冲击电流（第一周期全电流峰值）X/R = X/ R=6.07Kch =1.63(三相短路电流冲击系数)a. 电网提供的冲击电流：ichx=2 * Kch * I =79.07KAb. 电动机提供的冲击电流：ichd = 6.5 * Kchd * Ied=18.10KAKchd =1 (0.81.28,简化为1);根据示例Ied 为若干台电动机额定电流之和Ied = P /(1.73 X 0.415 X COS X ) KA（当取变压器额定电流的100%时）Ied =2.79KA （2000KVA变压器额定电流 =2.785KA）c. 总的三相短路冲击电流：ich = ichx+ ichd=97.17KA10）415V母线上三相短路第一周期全电流有效值a 由电网提供的：当Kch1.3时（系数1.34）Ichx = Iz 1+2(Kch-1)(Kch-1) =46.08KA当Kch1.3时Ichx = Iz 1+Ta/0.02Ta 三相短路电流非周期分量衰减系数 （s）Ta = X / 2 f Rb 由电动机提供的：Ichd = 3.9 * Kchd * Ied =10.86KA（Ied取变压器额定电流的100%）c 电网提供的与电动机提供的合计：Ich = Ichx + Ichd =56.94KA如用估算公式4xIed:Ichd = 4 * Ied =11.14KAIch = Ichx + Ichd =57.22KA 两者误差仅0.49%表2计算方法方法1方法2所有阻抗全考虑进去仅考虑电缆阻抗KAKA变压器出口处I（由高压计算得出）37.0937.09I 415V母线处34.4034.51Ichx46.0847.20Ichd10.8610.86Ich56.9458.06与1的误差1.98%1.5 根据计算结果“表2”， 方法1的计算结果是56.94KA。如果采用方法2，既：忽略小的阻抗（低压受电断路器的阻抗，低压隔离开关的阻抗、低压主母线阻抗），仅考虑影响最大的电缆阻抗，计算结果是58.06KA。两者的误差仅仅1.98%。因此，在设计实践中，可以采用方法2，以简化计算。2 低压断路器选择2.1 低压断路器(又称自动开关)是一种不仅可以接通和分断正常负荷电流和过负荷电流，还可以接通和分断短路电流的开关电器。分断能力是断路器的一种特殊功能,如：36KA、50KA、65KA等规格,是指该断路器安全切断故障电流的能力，与其额定电流无必然联系。分断能力一般分为极限分断能力Icu和运行分断能力Ics两项。对具有三段保护功能（长延时、短延时、速断）的断路器，还有第三项：短时耐受电流Icw,。比如一个断路器Icu=60KA，那么当实际线路中发生60KA的冲击故障电流，该断路器可以安全切断电路，而不发生触头熔接、爆炸等异常状况。低压断路器的分断能力是厂家经过试验标定的。断路器的各种短路分断能力具体描述如下：A额定极限短路分断能力(Icu)，指在规定(电压、短路电流、功率因数)条件下，按照下列试验条件标定的分断能力。规定程序：0tCO。其具体实验是：把线路的电流调整到预期的短路电流值(例如380 V，50KA)，而实验按钮未合，被试断路器处于合闸位置，按下实验按钮，断路器通过50KA短路电流，断路器立即开断(OPEN简称O)并熄灭电弧，断路器应完好，且能再合闸。t为间歇时间，一般为3min，此时线路处于热备状态。断路器再进行一次接通(CLOSE简称C)和紧接着的开断(O)试验。接通实验是考核断路器在峰值电流下的电动和热稳定性及动、静触头因弹跳而造成的磨损情况。经过上述试验，断路器能完全分断、熄灭电弧，并未超出规定的损伤，就认定它的极限分断能力实验成功。低压断路器的额定极限短路分断能力(Icu)对应于实际系统中的冲击电流Ich（三相短路第一周期全电流有效值）。对于本文的计算示例而言，实际值为56.94KA。B额定运行短路分断能力(Ics)，是指规定(电压、短路电流和功率因数)条件下，按照下列试验条件标定的分断能力：规定程序：OtCOtCO。其具体实验比Icu的实验程序多了一次CO。经过实验，断路器能完全分断，熄灭电弧，并未超出规定的损伤，就认定它的额定进行短路分断能力实验通过。其中：O实验表示分断。在预期短路电流通过处于合闸状态的断路器时，断路器能自动分断并熄灭电弧的实验。CO实验表示接通(Close)后立即分段。在实验时使断路器合闸(考核断路器在经受接通电流即峰值电流时，会不会因峰值电流产生的电功斥力和热量而遭致破坏)然后立即分断。t表示O与CO操作的间隔时间，一般不小于3min。如O操作后，脱扣器还不能再扣，则可延时至能再扣为止。通常ICSICU*(5075)%。低压断路器的额定运行短路分断能力对应于实际系统中415V母线上三相短路电流(周期分量)，对于本文的计算示例而言，实际值为34.40KA.C短时耐受电流(Icw),是指在一定的电压、短路电流、功率因数下，承受0.05、0.1、0.25、0.5或1s而断路器保持不脱扣的能力。Icw是对具有三段保护功能的断路器，在短延时期间内，对断路器的动稳定性和热稳定性的考核指标。 2.2低压断路器的选择方法选择低压断路器除了要考虑额定电压、额定电流等常规因素外，另一个重要原则是，断路器的短路分断能力线路的预期短路电流。 根据低压配电设计规范GB5005495第2.1.2条的规定：验算电器在短路条件下的通断能力，应采用安装处预期短路电流周期分量的有效值，当短路点附近所接电动机额定电流之和超过短路电流的1%时，应计入电动机反馈电流的影响。A,动作时间在0.02s以上的低压断路器分断能力的选择在实际应用中，此类断路器一般为用于受电、母联的框架式断路器(ACB)，例如：SIEMENS 3WT ACB 。其开关的额定运行短路分断能力（均方根值）Ics,应该大于415V母线处短路电流周期分量有效值I”。如果此类断路器在实际应用中带有短延时，则断路器的额定短时耐受电流(Icw)也应大于415V母线处短路电流周期分量有效值I”。B, 动作时间在0.02s以下的低压断路器分断能力的选择此类断路器一般为用于配电支路、电动机回路等的朔壳式断路器(MCCB)，例如：SIEMENS 3VL MCCB。开关的分断电流Ics,应该大于415V母线处短路电流周期分量有效值I”。开关的分断电流峰值Icu,应该大于415V母线处三相短路电流第一周期全电流有效值Ich。根据计算结果，该值是56.94KA。3结语根据低压短路电流的计算，Ich/I”