低压成套开关设备的短路参数分析和动热稳定性

张白帆

（厦门ABB低压电器设备有限公司）

在低压配电系统中，低压成套开关设备处于极为重要的地位。一方面，低压成套开关设备作为低压开关电器的载体和容器，除了与低压开关电器在安装、使用等方面存在协调与配合，同时还要承受运行电流的温升作用；另一方面，当低压配电线路发生短路时，低压开关设备必须要承受短路电流的电动力冲击和热冲击。

1 低压配电网的短路过程

1.1 无限大容量电力系统

图1 低压电网的运行状态

当低压电网正常工作时，系统的总阻抗为线路阻抗和负载阻抗之和；在短路状态下，因为短路电流总是走阻抗最小的路径，所以短路电流只流经线路阻抗（如图1）。

当供电线路发生短路时，若电力系统的阻抗仅为短路回路总阻抗的1／50，则短路线路的电压为电源电动势的98%，也就是说短路前后电压基本不变。具有此特性的配电网被称为无限大容量电力系统。

1.2 短路过程的电流波形分析

当发生短路时，低压电网从无故障的正常工作状态经历了短路暂态过程，最后稳定在短路稳态过程，整个短路历程经历了三个阶段。这三个阶段分别是：正常运行状态、短路暂态过程和短路稳态过程。在三个阶段中出现了一系列的物理变化，其中电流、电压等过程变化曲线见图2。

当低压电路中突然发生短路时（t为0时），短路电路阻抗突然减小了许多倍，按照欧姆定律，在电源电压不变时，电路电流将增大相应的倍数，这就是短路电流的周期分量ip，也被称为短路电流的交流分量。

由于电路中存在着电感，按照焦耳－楞次定律电感回路中的电流不允许突变，短路电路中将出现一个按指数规律衰减的短路电流，这一电流就是短路电流的非周期分量ig，也被称为短路电流的直流分量。

短路电流的周期分量ip和非周期分量ig的叠加就是短路的全电流ish。

短路后t＝0.01秒时的短路全电流的瞬时值是整个短路过程中最大短路电流瞬时值，最大短路电流瞬时值被称为冲击短路电流峰值ipk。ipk决定了低压成套开关设备的动稳定性。

短路后第一个周期的短路全电流有效值是Is，因为Is是整个短路过程中最大短路电流的有效值，所以Is被称为冲击短路电流。Is是作用在低压电器或者低压成套开关设备上的最大短路电流有效值，随着时间的推移，当直流分量Ig减小到零后，电网中的过电流由瞬态短路电流变为持续短路电流Ik也即短路电流的周期分量Ip。

Is和Ik对短路电路的发热作用共同决定了低压成套开关设备的热稳定性。

图2 短路过程电压、电流变化

1.3 短路电流的简便计算方法

在无限大容量系统中，短路全电流的最终值等于IK，IK在数值上等于为短路电流周期分量Ip。冲击短路电流峰值Ipk与Ik之比被称为峰值系数。在国家标准GB 14048.1《低压开关设备和控制设备 第1部分：总则》（等同于IEC 60947.1）中明确了试验电流与峰值系数之间的关系。见表1。

表1 试验电流、cosφ、时间常数和峰值系数之间的关系

设电力变压器的容量是Sn，阻抗电压是Usr，于是电力变压器低压侧的短路参数是：

式中，In是电力变压器低压侧额定电流，Ik是电力变压器低压侧产生的短路电流稳态值，而Ipk是电力变压器低压侧在短路后产生的冲击短路电流峰值。这个计算方法很重要，在实际工程中大量使用。

1.4 低压成套开关设备主母线受力分析

在低压成套开关设备中发生短路时，影响最严重的是主母线三相短路。同时，无论何种短路，受短路电流电动力冲击影响最大的也是主母线系统。

两根平行的导线间，若电流方向一致，则两根导线之间的作用力是吸引力；若两根导线中的电流相反，则两根导线之间的作用力是排斥力。

在图3中标明“L1”、“L2”和“L3”的是相线主母线，标明“N”的是N极主母线。图3中可见N极主母线等于相线主母线的一半。另外，相线和N线都有四支铜排，按照两支一组安排。

图3 MNS3.0低压开关柜的主母线

铜排或导线之间的最大短路电流作用力F是：

式中，F为电动力（N）；Ipk为冲击短路电流峰值（k A）；L为铜排长度（母线支撑绝缘夹之间的距离）（米）；A为铜排间的中心距离（米）。

计算式说明，冲击短路电流峰值Ipk产生的电动力与铜排间的距离A成反比，与铜排的长度成正比，与冲击短路电流峰值的平方成正比，并且短路电流电动力的频率为电流频率的一倍。

以MNS3.0低压成套开关设备主母线为例：当系统发生短路时，L1相的双母线电流方向相同，因此它们之间承受的是向内的吸引力。同理，L2相、L3相和N极双母线之间也承受的是向内的吸引力。N极母线和L1相母线因为电流方向相反，因此它们还要额外承受对方施予的排斥力。

当发生L1相对N的短路时，N排下支母线与L1相的上支母线将承受最大的电动力。

举例：若冲击短路电流峰值为120 k A，则L1相上部铜排和N极的下部铜排所受到的推力分别是：

这是一个惊人的数值，而且仅仅只是1米长铜排上受到的电动力。如果MNS 3.0一个长度为3米的包装单元内其主母线长度也为3米，则L1相每支母线的受力是1米长铜排上受到的电动力的3倍，为4.2吨力，而N线的每支母线的受力也是1米长铜排上受到的电动力3倍，为6吨力。考虑到3米长的包装单元内有4副母线夹，则每副母线夹至少受到不小于1吨的电动力作用。

对于MNS 3.0开关柜的垂直分支母线，由于垂直分支母线的每相都是单支，所以承受的电动力比主母线要小的多。若在多功能板中还安装了N线垂直分支母线，则最大的电动力应当出现在C相对N线短路后的两支垂直分支母线之间。

MNS3.0开关柜的C形骨架是一种优秀的开关柜结构件，再加上优良的结构设计和考究的柜体组装工艺，MNS 3.0的主母线在型式试验中确认能抵抗高达220k A的短路电流峰值Ipk的冲击，此时Ipk对3米长的主母线的作用力高达11吨力。

MNS3.0的分支母线的Ipk也高达100k A，这也是一个很大的数值。

2 低压成套开关设备的动、热稳定性

在低压电网中存在两类设备，一类被称为主动设备，另一类被称为被动设备。主动设备是指能主动地开断短路电流，例如断路器和熔断器。

被动设备必须具备输送正常电流和短路电流的能力，例如电缆、母线、隔离开关、变压器、电流互感器、串联电抗器和电容器等等。

低压成套开关设备中的主母线属于被动设备。在正常工作状态下主母线起到汇流排的作用，当发生短路时，主母线则要承受冲击短路电流峰值Ipk的电动力作用。

2.1 低压成套开关设备的动稳定性

开关设备所具有的最大瞬时机械抵抗能力，这种能力足以抵御由冲击短路电流峰值产生的最大尖峰电动力。

2.2 短时耐受电流

当电流流过低压电网的线路和负载时，线路和负载中的电阻会因此而产生热能。热能其实就是有用功，用P来表示，P＝UIt＝RI2t。将P除以电阻R后，我们就得到了一个能表征供电线路和元器件发热的参数I2t。当I2t中的电流I为短路电流时，这个参量被定义为允通能量，其对应的电流值被称为短时耐受电流Icw。

开关电器一定会存在内阻（例如断路器的触头接触电阻和电极内阻），允通能量Ea与内阻的乘积就是该开关电器的发热。类似，允通能量与主母线内阻的乘积也代表了主母线的发热。

在GB14048.1《低压开关设备和控制设备 第1部分：总则》中，对短时耐受电流的定义如下：短时耐受电流（short－ti me wit hstand）：指在规定的使用和性能条件下，电路或在闭合位置上的开关电器在指定的短时间内所能承载的电流。

对于低压成套开关设备的主母线来说，额定短时耐受电流是在一段时间内能够承受的最大额定短路允通电流，其物理意义就是开关柜的机械结构承受和抵御主母线发热冲击而不发生形变的能力。短路耐受电流的表达式I2t，时间t一般取1秒。

对于开关电器来说，额定短时耐受电流是指开关电器在一段时间内其结构能够承受的最大短路允通电流I2t的热冲击而不发生形变的能力。时间t一般取1秒或3秒。

2.3 低压成套开关设备的热稳定性

开关设备在一段时间内能够承受短路电流的热冲击而不发生机械形变的能力，这种能力衡量了低压成套开关设备的最大散热性能。

当系统发生短路时，如图4所示的短路电流流过进线断路器QF1，流过主母线，还流过电动机回路的断路器QF11。现在我们来考虑短时耐受电流Icw，Icw作用在进线断路器QF1的接触电阻和内部电阻上，就表征了

图4 系统短路时的短路电流

QF1的发热；同理，作用在I段主母线的线路电阻上和电动机回路断路器QF11上，也就表征了这两部分的发热。发热时间均为1 s。因此，短时耐受电流Icw也代表了低压成套开关设备各个部分抵抗热冲击的综合能力。

2.4 MNS3.0低压成套开关设备主母线的动热稳定性参数

母线系统的动、热稳定性是衡量低压开关柜制造技术和质量水平的重要指标之一。表2是MNS3.0母线系统的额定短时耐受电流Icw和冲击短路电流峰值Ipk。

表2 MNS3.0母线系统的短时耐受电流和冲击短路电流峰值

以表2中防护等级IP31～IP41下母线的额定电流是1 600 A为例，其对应的电力变压器短路电流Ik为40 k A，冲击短路电流峰值Ipk等于2.0 Ik即为80 k A。从表2中可见主母线的短时耐受电流Icw是50 k A，完全能够承受1 s的允通电流热冲击；同时主母线能够承受的额定冲击短路电流峰值Ipk是100 k A，也足以抵挡80 k A的短路电流峰值电动力冲击。

在实际工程中，低压成套开关设备中往往都配套母联开关，将汇流母线分段为多段主母线。母联开关的全称是母线联络开关，当低压成套开关设备处于正常运行状态时，母联开关的断路器一般处于分断位置，因此变压器产生的冲击短路电流峰值Ipk将受到限制。若母线未分段，则在短路时由变压器产生的冲击短路电流峰值Ipk是未受限制的。

当低压成套开关设备中的主母线满足冲击短路电流峰值Ipk的要求时，母线系统乃至于全系统都是稳定的，能够有效地抵抗冲击短路电流峰值Ipk产生的电动力冲击效应和额定短时耐受电流Icw产生的热冲击效应。

我们来看图5中的供电方案，其中向上的箭头表示进线回路，向下的箭头表示出线回路：

图5 3台变压器供电的方案

图5 中所示是3台变压器供电的方案，其中1台居中向两侧供电，2台从两侧向中间供电。若母线系统为单母线不分段，则母线上流过的工作电流等于1.5倍In；当母线侧发生短路时，母线的左右侧任一点将流过2倍Ipk的短路电流。

值得注意的是：若短路发生在负载侧，则流过负载侧开关电器的冲击短路电流等于3倍的Ipk。

2.5 母线上的负载分配原则和限制母线上短路电流峰值的措施

在安排母线上的负载时应当尽量将负载平均地分配给各段母线。将各段母线上负载容量平均配置是必要的，这样可以使得母线的工作电流得到平衡，也使得低压成套开关设备的工作时的温升实现平均分布和最小化。

3 发生短路时低压成套开关设备与元器件之间的关系

由前文描述已经知道低压成套开关设备属于被动式元件或者被动式部件，而断路器则属于主动式元件。当线路中发生短路时，低压成套开关设备只能被动地承受短路电流的电动力冲击和热冲击，而断路器却能主动地分断短路电流。

我们知道，冲击短路电流峰值出现的时间是在短路后10 ms。那么断路器能否在冲击短路电流还未到来之前切断线路呢？答案是否定的。图6为某型断路器脱扣曲线图，其中I参数是断路器的短路保护瞬时脱扣曲线。

图6 某断路器脱扣曲线

从图6中很容易看出：短路保护瞬时脱扣的最短时间大约为15 ms，它大于冲击短路电流峰值Ipk所出现的时间。

这个特性具有通性，也即不管采用哪个品牌的断路器，都具有此特性。也就是说：当发生短路时，低压成套开关设备和断路器都必须要能够承受冲击短路电流峰值的电动力冲击。又因为低压开关柜主母线的长度远大于断路器主回路导体的长度，所以短路电流产生的巨大电动力对低压开关柜的影响远大于对断路器的影响。

那么断路器能否承受冲击短路电流峰值Ipk的冲击呢？答案也是肯定的。

根据断路器的制造标准IEC60947.2和国家标准GB14048.2《低压开关设备和控制设备 第2部分：低压断路器》，断路器必须具有短路接通能力Icm这个参数，而且短路接通能力Icm与断路器的极限短路分断能力Icu之比等于峰值系数n，也即冲击短路电流峰值Ipk与短路电流Ik之比n。由此我们可以看出IEC标准制定者们的用意：只要在选用断路器时使得极限短路分断能力大于或等于线路中可能出现的最大计算短路电流，则断路器一定能承受线路中出现的冲击短路电流峰值的影响。

同理，对于短路电流产生的热冲击，低压成套开关设备因为导线和母线远远长于断路器，所以短路电流对低压开关柜产生的热冲击也远远大于对断路器的热冲击。因此在选用低压开关柜时，应当使得低压开关柜主母线的短时耐受电流Icm大于低压断路器的短时耐受电流Ic w。

4 结 论

表3 ABB的MNS3.0低压开关柜的技术参数

低压成套开关设备的动热稳定性非常重要，它是低压配电系统能否稳定工作的前提条件。

若以为采用了优秀的低压开关电器元件，而低压开关柜就可以选用品质稍逊的产品，这种想法是错误的。应当选用低压成套开关设备和低压开关电器元件都满足要求的产品，这才是唯一正确的做法。

示例：若某工程中电力变压器的容量是2 500 k VA，变压器的阻抗电压是6%，于是可以计算出：变压器的额定电流In≈3 609 A；短路电流Ik≈60.2 k A；冲击短路电流峰值Ipk＝n Ik＝2.2×60.2≈132.4 k A。

我们发现M NS3.0低压成套开关设备完全满足技术要求，它的峰值耐受电流为220k A，远远大于线路的冲击短路电流峰值132.4 k A；同时，按照热冲击电流Is≈1.1 Ik＝1.1×60.2＝66.22 k A可知，MNS 3.0的Icw＝100 k A也完全满足要求。

再看断路器选型：我们可以选用ABB的E4S4000断路器作为主开关，断路器的额定电流是4 000 A，大于变压器的额定电流3 609 A；断路器的极限短路分断能力Icu等于75 k A，大于变压器的短路电流60.2 k A；断路器的短路接通能力I c m等于165 k A，也大于变压器的冲击短路电流峰值132.4 k A。