50Hz、60H峰值短路电动流对比
2017-03-22涂治宇简晓刚
涂治宇++简晓刚
摘 要通过阐述交流短路电流的原理,揭示了50Hz和60Hz峰值短路电流的关系,为计算峰值短路电流、峰值短路电动力铺垫了基础;为不同工作频率下的产品进行区别地设计和考核提供了理论依据。
【关键词】电力系统频率 峰值短路电流 非周期分量 周期分量
1 前言
电力系统频率是指电力系统的运行参数。电力系统的频率取决于负荷的频率特性和发电机的频率特性。中国、东南亚国家和欧洲国家电力系统采用50Hz频率,而美国、日本、加拿大及台湾地区等则采用60Hz频率。随着国内高压开关技术的发展与成熟,各厂家陆续开始生产60Hz电网需求的订单。不同频率的产品需要区别地进行设计和试验考核。由于50Hz和60Hz 下短路峰值电流不同,因此在电动力计算和母线校核时需要区别对待。
2 50Hz、60H峰值短路电动流對比
由于交流电随着时间作正弦变化,导体间电动力也相应作脉动变化。但交流电路的短路电流更为复杂,电流中除正弦周期分量外通常还含有非周期分量,非周期分量电流值大小与发生短路时的电压相位角有关。
非周期分量的产生是由于短路回路中存在着电感,根据楞次定律理论,短路瞬间短路电流不能突变而产生。在短路瞬间为了维持电流的连续性,系统在短路回路中产生一个自感电流来阻止电流的突变,这个自感电流就是非周期分量。短路电流的非周期分量是按指数规律衰减,其衰减快慢取决于短路回路的时间常数t,一般在0.2S即衰减到初值的2%。如图1所示。
不含周期分量和含有非周期分量的短路电流表达式分别如下:
i=Im sin(ωt) (1)
(2)
式中:
Icc——额定短路电流的有效值,电力设备通常按照标准将其为12.5kA、16kA、20kA、25kA、31.kA、40kA、50kA等。
?——短路瞬间电压的相位角。
φ——电流滞后于电压的相位角。
R——线路电阻。
L——线路电感。
R/L——短路电流非周期分量的衰减系数,系统平均值约为22.311S-1。
从含有周期分量的短路电流表达式可以看出,第一项为电流的周期分量,即稳态分量;第二项为电流的非周期分量即瞬态分量。由上式可以看出,当?= φ时非周期分量电流为零,即电流是周期回路;当?-φ=-π/2时周期分量最大,瞬态分量最大,也就是短路电流的最大值。此时交流电短路电流公式为:
(3)
图2中:
is——短路电流。
Ism——含非周期分量短路电流最大值。
Im——周期分量短路电流最大值。
is1——短路电流周期分量。
is2——短路电流非周期分量。
对于50Hz电网,交流电频率f=50Hz,交流电流以20mS为周期变化。对于公式2.29,当ωt=π,即半周期10mS时短路电流达到最大,电动力也达到峰值。同样的对于60Hz电网,交流电频率f=60Hz,交流电以17mS为周期变化。对于上式当ωt=π,即半周期8.3mS时短路电流达到最大,峰值电流结果分别如下。
(4)
(5)
由此可见,60Hz系统的峰值短路电动力大于50Hz。在普通电力系统(R/L=22.311S-1)中,峰值短路电流60Hz约为50Hz的1.04倍,峰值短路电动力60Hz约为50Hz的1.08倍。
正如公式2.20和公式2.21计算所示,与50Hz相比60Hz达到峰值的半波时间从10mS缩短到8.3mS,峰值电流冲击系数,即峰值电流Ism与交流分量有效值Icc的比值,50Hz为2.5,60Hz为2.6。例如,额定断流电流31.5KA在50Hz频率下的考核的峰值短路电流为80KA,而在60Hz频率下考核为82KA,额定短路电流为40KA在50Hz和60Hz条件下分别为100KA和104KA。因此,在开关产品设计时,需要考虑频率对电动力峰值的影响。
3 总结
(1)相同短路条件下,60Hz电力系统电流达到短路峰值更早,60Hz情况下为8.3mS,50Hz情况下为10mS。
(2)因短路周期不同,60Hz电力系统峰值短路电流Ism是额定短路电流的2.6倍,50Hz是额定短路电流的2.5倍。
(3)通过理论计算可得,相同短路条件下60Hz电力系统更为严酷,6Hz峰值短路电动力为50Hz短路电动力的1.1倍。
作者单位
同济大学 上海市 200092