民用建筑柴油发电机组冲击短路电流的简易计算方法

李沛岩/许冬梅/李维时/庞晓霞

(中国建筑设计院有限公司,北京 100044)



民用建筑柴油发电机组冲击短路电流的简易计算方法

李沛岩/许冬梅/李维时/庞晓霞

(中国建筑设计院有限公司,北京 100044)

0　引言

在民用建筑中，柴油发电机组是确保重要负荷连续供电的备用电源或应急电源，通常为消防、通信、计算中心及其他重要负荷供电。在柴油发电机组供电系统中，低压电器设备需依据柴油机组的短路电流进行选择，而柴油机组的短路电流计算复杂，在实际工程中进行精确计算较为困难。本文依据我国民用建筑设计中普遍采用的柴油机配电方式和民用建筑设备情况，提出一种较为简易的柴油机组短路电流计算方法，便于在保证质量的情况下提高设计效率。

1　民用建筑柴油机短路的特点

与市政电网供电系统相比，民用建筑常用的柴油机电源容量小、自成闭式供电系统，且与市政电网之间只切换不并网，其供电系统中异步电动机(如消防水泵、消防风机等)较多，且单台容量的大小与发电机容量相当，在计算中不能忽略，发电机和电动机均可作为短路电流的供给源，并按短路点靠近发电机的系统短路计算短路电流。

柴油发电机供电系统短路的主要特点是发电机母线上的电压不能维持恒定，短路电流周期分量和非周期分量均随时间变化。由于发电机转子励磁绕组和阻尼绕组的去磁作用，使得转子绕组的磁链在短路瞬间保持不变，而电压则呈现出由短路瞬间电压值经历次暂态及暂态逐渐衰减至稳态的变化过程；此过程中，电动机由于惯性也作为短路电流的供给源，电压也呈逐渐衰减的变化过程，故可以认为此供电系统短路电流的产生为发电机和电动机共同作用的结果[1]。

2　冲击短路电流计算

2.1发电机冲击短路电流计算

2.1.1发电机的主要参数

发电机直轴超瞬变电抗X″d是发电机在运行中三相突然短路最初瞬间的过渡电抗，结构上，X″d主要由发电机定子绕组和阻尼绕组的漏抗值决定。在发电机突然短路时，由于转子的励磁绕组和阻尼绕组感应出对电枢反应磁通，起去磁作用的电流，使电枢反应磁阻极大，故其相对应的直轴电抗极小，这个等效电抗即为X″d。在有阻尼绕组的发电机突然短路时，定子短路电流周期分量有效值I″由超瞬变电抗X″d限制。

2.1.2发电机冲击短路电流计算

一般在建筑内为部分设备供电的柴油机布置相对集中，一组母线段多采用一台柴油机或两台相同型号的柴油机并车运行，冲击短路电流可按单一发电机或两台发电机叠加考虑。由于发电机出口至主母线处的设备施工质量普遍较好，多数短路情况不会发生，因此不考虑不对称短路电流大于三相短路电流的情况以及近端短路时直流分量的影响。

发电机空载时，忽略由短路瞬态时间常数决定的瞬态电流的衰减和电枢电阻的影响，计算短路1/2周期后的短路电流，则发电机口部最大相电流的周期分量iz·G0和非周期分量if·G0的计算式[2]为：

(1)

(2)

式中，U为相电压，V；t 为短路时间，s；T″d为发电机超瞬态时间常数；Td为发电机电枢回路时间常数。

发电机带负载时，电流周期分量增加，按电流周期分量1.1倍考虑，即周期分量iz·G，则非周期分量if·G为：

(3)

(4)

以t=0.5T，即t=0.01s时的数值作为短路时间，则柴油机出口处的冲击短路电流为：

(5)

式中，T为系统周期，s。

考虑由柴油机至短路点处线路的电阻、电抗影响，其短路电流冲击值ikG·p为：

(6)

式中，XL为线路电抗，Ω；RL为线路电阻，Ω。

2.2电动机的冲击短路电流计算

建筑内电机多采用感应异步电机，应用位置较为分散，距离短路点的电气距离难以逐一确定，且电机型号各异，其短路电流较难统计；而从负荷性质角度考虑，柴油机系统中负荷相对重要，其中消防负荷更是要保证在负荷电流过载的情况下仍能继续供电。故笔者认为，电动机的冲击短路电流计算可以以供电范围内电机的容量为基础，进行近似计算。

直接启动的感应电动机作为附加电流源，其反馈的短路电流的超瞬态值与电机堵转电流值有直接关系，而堵转电流与电机启动峰值电流从数值上是相等的，因此，可以认为通过电机产品数据提供的启动电流近似处理电机的短路电流冲击值的计算[3]，则电动机反馈短路电流冲击值ikM·p为：

(7)

式中，KxMi为第i台电动机校正系数，依据电动机与短路点的电气距离，可取0～1.0；KpMi为第i台电动机反馈电流峰值系数，依据电动机容量情况，一般可取1.0～1.7，在民用建筑一般取1.2；KstMi为第i台电动机的反馈电流倍数，取起动电流倍数；IrMi为第i台电动机额定电流，A。

在考虑计入电动机的短路电流时，还需综合考虑电动机的容量和离短路点的电气距离。一般情况下，在异步电动机容量较大，且在短路点附近时予以考虑异步电动机对短路电流的影响，距离较远时，由于线路的损耗冲击反馈电流较小，则不予考虑影响。

2.3总冲击短路电流的计算

综合考虑柴油机至短路点处冲击短路电流和电动机冲击短路电流，总冲击短路电流[3]为：

(8)

3　计算举例

某办公楼柴油发电机供电系统短路情况如图1所示。选定发电机型号为IFC5-502-8、590kVA、472kW，同时运行的电动机m1～10共30台，总功率120kW，另外在短路点电气距离较近处有一台150kW的电动机M，短路点k在距发电机40m远的分配电盘上，求k点的短路电流。

图1　柴油机供电系统短路示意图

1)柴油机特性数据

2)电缆

(3×240+2×120)mm2、40m长的电缆参数：R1=3.64mΩ，X1=3.08mΩ。

3)柴油机冲击短路电流

=4.16kA

=12.11kA

4)电动机冲击短路电流

太阳能电动机M的校正系数KxM1为1，冲击反馈电流ikM1·p为：

=3.72kA

考虑将电动机m1～10看作 1台，因其较为分散，校正系数KxMi可取0.5，反馈冲击电流ikM2·p为：

=1.49kA

5)总冲击短路电流

=12.11+3.72+1.49

=17.32kA

4　结束语

通过提出的一种计算民用建筑柴油机系统短路电流的简易方法，为合理选择电器设备提供了有力依据，并有效提高了计算柴油机系统的冲击短路电流的效率。由于本方法并未考虑不对称短路电流大于三相短路电流的情况以及近端短路时直流分量的影响，得出的计算值较实际值偏大，仅宜作为快速选择电器的参考。如果针对的是重要项目中的柴油机供电系统，仍需按更为精确的方法全面核算冲击短路电流。

[1]李光琦.电力系统暂态分析[M].第三版,北京:中国电力出版社,2007.

[2]中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册[M].第三版,北京:中国电力出版社,2005.

[3]《钢铁企业电力设计手册》编委会.钢铁企业电力设计手册[M].北京:冶金工业出版社,1996.

A Simple Calculation Method of Short-circuit Current for Diesel Generator Sets in Civil Buildings

Li Peiyan/Xu Dongmei/Li Weishi/Pang Xiaoxia

根据柴油发电机组供电系统在民用建筑中的应用特点，提出一种简易计算该类系统内冲击短路电流的方法。通过该方法计算的冲击短路电流，可为校核电器的短路特性提供参考依据。

柴油发电机短路电流计算

According to the characteristics of the power supply system of diesel generator set in civil buildings,a simple method is proposed to calculate the short-circuit current,which can provide reference for checking short-circuit characteristics of electrical apparatus.

diesel generator,short-circuit current calculation