低压网络短路电流计算及其应用

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司, 湖北 武汉 430010)

低压网络短路电流计算及其应用

石伟

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司, 湖北 武汉 430010)

通过对低压配电设计中与短路电流相关几个问题讨论，对设计中需注意的问题提出参考意见，希望对于低压配电网设计提供一定帮助。

短路电流计算；低压配电；热稳定校验；低压线路保护

1 引言

供配电设计中的短路电流(短路电流和接地故障电流)计算问题是在工程设计中较为容易忽视的问题，本文主要对于低压网络短路电流计算进行详细探讨，希望对于低压配电网设计提供一定帮助。

2 低压配电设计要求[1]

在《低压配电设计规范》GB 50054-2011中与配电线路及保护相关的要求至少有以下几个方面：

(1)配电线路应装设短路保护、过负载保护；

(2)配电线路应装设间接接触防护的自动切断电源防护(接地故障保护)；

(3)作为分断短路电流的保护电器，还应具有足够的分断能力；

(4)上下级配电线路保护电器的动作应具有选择性，使故障时只切断该故障线路，而上级保护电器不应动作，力求缩小停电范围；

(5)导体截面要和保护电器能协调配合，满足动热稳定要求。

上述对配电线路设计要求主要是建立在线路短路电流计算基础上进行的，对于低压配电线路，我们一般计算的短路电流有三相短路电流和单相接地故障电流两种，前者用以校验保护电器分断能力是否足够；后者是确定接地故障时保护电器动作灵敏性的重要依据。

3 低压网络短路电流计算方法[2]

低压网络短路电流的计算方法与高压系统短路电流基本相同，但低压网路也有一些特点，可利用这些特点并假设计算条件，简化计算。

(1)一般用电单位配电用变压器容量远小于系统容量，短路点一般为远端短路，按无限大容量电力系统计算网络短路电流，可以认为高压侧短路电流周期分量不衰减。

(2)一般不考虑短路点的开关设备、导线连接点的接触电阻、电流互感器的电抗等。

(3)计入短路回路各元件的有效电阻。

(4)由于低压线路电阻较大，短路电流非周期分量衰减较快，可忽略非周期分量的影响。

(5)变压器接线方式为Dyn11。

(6)计算过程采用有名单位制，电压用V、电流用kA、容量用kVA、阻抗用mΩ。

(7)计算三相短路电流时计算电压取400V，计算单相短路电流时计算电压取220V。

(8)计算配电线路末端短路电流时，其变电所配电母线长按8m，母线相间净间距按125mm计。

在低压网络中我们主要考虑了系统、变压器、母线和线路的阻抗值，并且考虑大电机反馈电流对短路电流的影响。但低压配电线路由于线路长度较长，电缆芯线截面较小，其线路阻抗远大于电力系统阻抗，故系统阻抗可忽略不计。低压网络短路电流计算简图如下图：

图1 系统图

图2 等效电路图

按此假设条件推导出低压网络三相短路电流交流分量有效值计算公式：

(1)

式(1)中:Ik为三相短路电流，A；RT、Rm、RL、XT、Xm、XL为短路电路变压器、母线和线路电阻、电抗，mΩ。

TN接地系统低压网络单相接地故障电流计算公式为：

(2)

式(2)中:Id为单相接地故障电流，A；Rphp、Xphp为短路电路的相线-保护线回路电阻、电抗、阻抗，mΩ。

上述短路回路各元件的阻抗值都可通过相关设计手册中查表获得。

4 低压短路电流计算实例

下面以一个实例说明计算过程，电路图及元件参数如下：

图3 工程实例图

通过查表(见《工业与民用配电设计手册(第三版)》)各元件及阻抗值见下表。

表1 元件及阻抗值(单位mΩ)

表2 元件及阻抗值(单位mΩ)(续)

按上面的推导的公式：

三相短路电流：

接地故障电流：

5 低压网络短路电流计算的应用

低压网络短路电流计算主要目的有两个：

(1)为选择电器元器件及设备提供依据；

(2) 为保护整定提供依据。

5.1 校验低压开关柜动热稳定

低压配电设备除按正常工作条件选择外，还应按短路工作条件校验设备的耐受能力应满足在短路条件先短时耐受电流的要求。上例中以K1点处的短路电流数据确定开关设备技术参数指标要求。

K1点短路电流IK(K1)=21.98kA，峰值电流ip=2.55×IK(K1)=56kA

因此低压开关柜应选用热稳定电流40kA，动稳定电流70kA的产品。

5.2 低压断路器的选择及校验

根据断路器的分断能力和选择性配合要求，断路器型式和保护脱扣器的设置一般按如下几种情况选择：

(1)变压器低压侧进线断路器、800A及以上的出线断路器一般选用框架断路器：变压器低压侧进线断路器一般设有长延时和短延时过电流脱扣器、瞬时保护一般闭锁；

(2)低压侧出线回路配电线路断路器630A及以下的线路保护一般选用塑壳断路器：断路器设有长延时、瞬时保护，还可根据保护要求设置短延时过电流脱扣器和剩余电流保护；

(3)末端线路根据断路器的安装位置和短路电流大小选用塑壳或微型断路器，断路器一般设长延时、瞬时保护。

短路保护灵敏性通常是校验在出线回路出现接地故障情况下断路器短路保护满足在规定时间内可靠断开的要求。为达到短路保护灵敏性要求，根据负载设备的不同，目前较多采用下列三种方法：

(1)采用调低断路器短延时脱扣整定值(电子脱扣器，整定值可调)方式。

(2)当出线断路器采用热磁脱扣器(瞬动整定值固定为10倍In)进行过电流保护情况下，当接地故障保护灵敏性不满足规范要求时，采用加大导体截面以提高线路末端接地故障短路电流，从而提高灵敏性的方式。

(3)断路器加剩余电流保护，断路器瞬动脱扣器作短路保护，RCD作接地故障保护(保护电流取300～500mA)且应是延时动作。这种方式的整定电流很小，对于TN-S系统，在发生接地故障时，和下级断路器之间很难有选择性。这种保护只能要求和下级剩余电流动作保护器之间具有选择性，所以应在线路末端电路也装设剩余电流动作保护器，以减少非选择性切断电路。

5.3 工程实例分析

下面以上述的工程实例为例说明低压网络短路电流计算在工程设计中的应用。

(1)变压器总出线断路器(QA1)

上例中K1点短路电流IK(K1)=21.98kA，因此变压器总出线断路器(QA1)分断能力选用40kA。

变压器低压侧额定电流IrT= 1443A，断路器长延时过电流整定值Iset1=1.1IrT=1588A，取1600A；短延时过电流整定值Iset2=41.1IrT=6400A，整定延时时间取0.4s。

若进线断路器设了瞬时保护，当出线回路发生短路故障，且在进线处的短路电流值达到瞬时保护的整定值，进线断路器会跳闸，扩大了故障范围，没有实现选择性保护；其次，由于进线断路器与馈出线的断路器均装设在低压配电柜内，连接母线长度较短，该范围内发生短路和接地故障的可能性很小，因此，进线断路器的瞬时保护闭锁，避免馈出线故障时进线断路器无选择性动作。

进线断路器的瞬时保护应闭锁也可以通过校验此断路器的灵敏度来验证：

灵敏度不满足要求

(2)馈出线断路器(QA2)

馈出线断路器(QA2)处短路电流低于K1处，因此此断路器分断能力选36kA。

此馈电回路为电动机直接起动回路，保护断路器除符合规范《低压配电设计规范》(GB50054-2011)第6.2.4条规定 “短路电流不应小于低压断路器瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流的1.3倍”要求外，还应满足规范《通用用电设备配电设计规范(GB50055-2011)》第2.3.5条规定“瞬动过电流脱扣器或过电流继电器瞬动元件的整定电流应取电动机电流周期分量最大有效值的2～2.5倍”要求。

因此对于QA2来说，应满足下列要求：

(1)Ic≤Iset1≤Iz，Iset1=125A，Iz=182A，满足要求；

(2)Iset3=(2.0～2.5)×Ist，取Iset3=2.0×Ist，Iset3=2×700=1400A，Iset3=12×Iset1

(3)Id(K2)≥1.3×Iset3，Id(K2)=871A

式中：Iz为配电线路的载流量，A;Ic为线路计算负载电流，A;Ist为电动机启动电流，A。

显然，式(3)难以满足要求，此断路器不满足保护要求。为保障电动机正常起动和接地故障保护要求与选择保护电器有矛盾时，可采取的措施：

①电动机采用降压启动或软启动，以降低上述式(2)中的Iset3。

②加大配线电缆截面，增大接地故障时的短路电流，但此方法经济性较差，经计算本例中电缆截面需加大到4×95mm2才可满足要求(计算过程略)，显然不合理。

③采用带剩余电流保护(RCD)的断路器，剩余电流保护的保护电流取300～500mA。

(3)馈出线断路器(QA3)

此馈电回路用电负荷是普通平稳负荷，负荷运行过程中不会出现比正常运行电流大数倍的尖峰电流。与(QA2)相比，保护断路器除没有(2)式的要求外，其他要求与(QA2)相同。

(1)Ic≤Iset1≤Iz，Ic=190A，Iset1=250A，Iz=273A，满足要求；

(2)Id(K3)≥1.3×Iset3，若断路器采用热磁脱扣器(Iset3=10×Iset1)，Id(K3)=2520A，小于1.3×Iset3(1.3×2500=3250A)，不满足保护要求。

为满足保护要求，可采取的措施：

①采用具有短延时过电流保护功能的断路器(带电子脱扣器)，短延时过电流整定值Iset2能躲过短时间出现的负荷尖峰电流即可，本例中，将短延时过电流保护电流调整为Iset2=7×Iset1=1750A，Id(K3)≥1.3×Iset2(1.3×1750=2275A)，满足保护要求；

②适当加大配线电缆截面，增大接地故障时的短路电流，但应注意此方法的经济性；

③采用带剩余电流保护(RCD)的断路器，剩余电流保护的保护电流取300～500mA。

6 结语

当前，在低压电力系统的运行过程中，短路就是常见的一种，它对电力系统的危害很大，也是引起电气火灾重要原因，因此通过计算短路电流，掌握短路电流的大小及其变化规律,对于配电系统的保护的配置和电气设备的选择都非常重要。本文通过对低压网络短路电流计算方法的探讨，并结合工程实例，分析短路电流计算结果在设备元件选型和保护整定等方面应用，希望能对低压电力系统的设计与选型工作有所帮助。

[1] 中国机械工业联合会.低压配电设计规范GB50054-2011[M].中国计划出版社，2012.

[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].3版.中国电力出版社，2005.

CalculationandApplicationofShort-cricuitCurrentoftheLowVoltageNetwork

SHIWei

(South China Design and Research Gencral Institute Co.,Ltd.of Municipal Works,Wuhan 430010,China)

By discussing some questions in relation to short circuit current for low voltage distribution design,put forward reference suggestions which should be paid attention to in the design.We hope that it will be of some help for lowvoltage distribution network design.

short-circuit current calculation;low votage distribution;heat stabilization fest;low voltage line prootection

1004-289X(2017)02-0099-04

TM72

B

2017-02-14

石伟(1969-)，男，本科，高级工程师，主要研究方向市政配电自控设计。