低压电气柜母线短路动、热稳定性研究

代淑芬

（无锡南洋职业技术学院 智能装备与信息工程学院，江苏 无锡214081）

低压电气柜母线短路动、热稳定性研究

代淑芬

（无锡南洋职业技术学院 智能装备与信息工程学院，江苏 无锡214081）

短路是电力系统常见的故障，短路电流会对母线系统和载流导体产生巨大的电动冲击力，同时，也使得开关柜内的母线、电缆和元器件等导电部件温度迅速升高，导致低压电气柜内的母线系统遭到破坏。文章通过对短路现象的分析，深入研究了短路对母线的影响以及如何分析计算它的动、热稳定性，以便顺利通过型式试验，为工程技术人员提供一定的理论依据。

低压电气柜；短路；母线；动稳定性；热稳定性

低压电气柜是以开关设备为主体的配电装置，广泛应用于发电厂、变电站、工矿企业、高层建筑等各种用电场所。作为接受和分配电能以及对电路进行控制、保护、监测的装置，电气柜在电力系统中起到非常重要的作用。

一、短路对低压电气柜的影响

短路是电力系统中常见的、非常严重的故障。短路将使系统电压降低，回路中的电流瞬间增加，它不仅能破坏对用户的正常供电和电气设备的正常工作，也可能破坏电力系统的稳定运行和损坏电气设备。

当低压电气柜内部的母线系统或者载流导体流过短路电流时，短路电流会对母线系统和载流导体产生巨大的电动冲击力，开关柜的结构件瞬间也将承受巨大的破坏力。同时，短路电流使得开关柜内的母线、电缆和元器件等导电部件温度迅速升高。尽管线路保护装置会在很短的时间内切断短路电流，但由于时间短，导电部件来不及散热，所以导电部件的温度会迅速上升。如果温度超过了低压开关设备母线系统和元器件的容忍极限，则开关设备将会受到破坏，因此在进行电气控制柜设计时，首先要考虑短路的影响。

短路的基本类型有三相短路、两相短路、单相接地短路和两相接地短路。实践证明，在所有短路中，三相短路造成的毁坏程度是最严重的，因此本文以三相短路电流作为母线的选择条件之一来研究短路动稳定和热稳定。

二、三相短路过程分析

当配电网中的某处发生短路时，电力变压器低压侧在短路瞬间电压基本不变，又因为短路电路的阻抗较小，故电流强度将大幅度增加，由此形成了短路电流。短路电流会对电路产生极大的破坏作用。短路电流波形如图1所示。

图1 短路电流波形分析

图1中ip/Ip为短路电流交流分量瞬时值/短路电流交流分量有效值；ig/Ig为短路电流直流分量瞬时值/短路电流直流分量有效值；ish/Ish为短路电流全电流瞬时值/短路电流全电流有效值；ipk为冲击短路电流峰值；IS为短路电流在第一个半周期内的有效值；ik/Ik为持续短路电流瞬时值/持续短路电流有效值；U为配电网电压；I为配电网中正常的工作电流；Φ为U与I之间的相位差。

正常状态下U与I的波形在时间零点的左侧，当配电网在零时刻发生短路时，由于电压U不变，U在短路电路的线路阻抗上将产生短路电流。短路全电流ish可分为短路电流周期分量ip和短路电流直流分量ig。ip的频率与电网频率一致，称为短路电流的交流分量，又称短路电流的周期分量。

短路前的工作电流I在短路后并没有消失，根据焦耳-愣次定律，工作电流I将产生一个大小相等方向相反的电流ig叠加在ip上。由于ig是一个逐渐衰减的直流电流，其衰减时间与短路线路的阻抗有关，称为短路电流的直流分量，又称为短路电流的非周期分量。

三、短路电流电动力分析

低压成套开关设备发生短路时，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。

当导体中有电流通过时，各导体之间就有电动力的产生。开关柜处于正常工作时，工作电流不大,作用在导体上的电动力很小，对开关柜一般没有影响。但是，当电路发生短路时，短路电流瞬间增大，可达几万甚至几十万安培，此时会产生很大的电动力，导致一些支撑和结构部件的断裂或损坏，从而引发事故。

当某相主母线的两条铜排流过同一方向的电流时，利用右手螺旋定则判断出各条铜排产生的电力线方向，再用左手定则判断出两条铜排之间的作用力方向，如图2所示。通过判断可知，当两条导线中的电流方向一致时，导线之间的作用力相吸；当两条导线中的电流方向相反时，导线之间的作用力相斥。实践证明，适当增大两平行导体中心线距离以及选择合适的导体截面形状可以降低短路电流产生的冲击力。

图2 两条平行导线之间的电动力

计算矩形母线间短路电动力的方法源于毕奥-萨伐尔定律。设两条铜排中流过的电流分别为I1和I2，则铜排之间的作用力为：

式（1）中F为矩形铜排之间的电动力，单位为N；K为矩形铜排形状系数；I1为第一条矩形铜排中流过的电流，单位为A；I2为第二条矩形铜排中流过的电流，单位为A；L为矩形铜排长度，单位为m或mm,与a的单位统一；a为矩形铜排中心距，单位为m或mm，与L的单位统一。

接下来分析短路电动力波形曲线。设电流i流过矩形铜排，其产生的电动力F表达式为：

式（2）中C为电动力系数，对于矩形母线来说 ，C＝0.2L/a；I表 示 流 过 矩 形 铜 排 的 电 流 ，i=Imsinωt。

导体流过短路电流后，所受到的电动力由两部分组成。一部分为电动力的恒定分量F′，它反映的是交流电动力的平均值；另一部分为电动力的交变分量F″，它以两倍于电流频率而变化。电动力F与电流i的波形曲线如图3所示，F的最大值为恒定分量的两倍。

图3 电流i的波形曲线与电动力F的波形曲线

当短路电流流过矩形铜排时，短路电流会对矩形铜排产生电动力。从短路电动力F的波形可以分析出，它的频率为短路电流频率的两倍，如图4所示。

图4 短路全电流ish的波形曲线和短路电动力F的波形曲线

四、动稳定研究

低压电气柜的动稳定性是指开关设备具有抵御最大瞬时机械作用力的能力。冲击短路电流峰值ipk是短路电流在低压电气柜中产生最大电动力的主因，成套开关设备抵御ipk的能力被称为成套开关设备的动稳定性。由于主母线上承载了绝大部分的短路电流，因此成套开关设备的动稳定性主要是指主母线系统的动稳定性。在进行型式试验时，让低压开关柜的主母线在0.1s内流过制造厂指定的最大峰值电流。试验后低压开关柜的外形未发生明显变化，柜内导电体仍然满足电气间隙和爬电距离的要求，各个绝缘件，特别是主母线的绝缘支撑即母线线夹未出现裂纹，柜内主元件未损坏，则此低压开关柜满足动稳定性要求。

低压电气柜的动稳定性就是主母线的动稳定性，因此在选用低压电气柜时，使开关柜的动稳定性参数满足低压配电网的短路条件，即：

式（3）中Ipk为成套开关设备主母线的峰值耐受电流（kA)；ipK为电力变压器的冲击短路电流峰值（kA)。

五、短路电流对主母线的热效应计算和主母线热稳定性

当低压配电网发生短路时，短路电流使得开关柜内的母线、电缆和元器件等导电部件温度迅速升高，尽管线路保护装置会在很短的时间内切断短路电流，但由于时间短，导电部件来不及散热，所以短路电流所致导电部件的发热属于绝热过程，短路电流在开关柜内导电部件上产生的热量全部用来提高导体温度。

短路电流比正常电流大许多倍，所以导电部件的温度会迅速上升（见图5），如果温度超过了低压开关设备母线系统和元器件的容忍极限，开关设备将会受到破坏。为此，把电气设备具有承受短时的短路电流热冲击效应的能力称为开关设备的热稳定性。

图5 短路前后导体的温度变化

在图5中，短路前的温度为θL，是由正常的负荷电流引起的。t1时刻发生了短路故障，导体温度迅速上升。t2时刻线路保护装置动作切断故障线路，导体温度到达最髙点θK。之后因为故障线路已经被切断，所以温度按指数曲线下降到θ0，直到导体与周围环境温度相同为止。

低压电气柜中各种载流导体都有各自允许的发热值，比如铜母线，正常运行时的最髙温度为70℃，而短路时最高允许温升为320℃；70℃对应θL，320℃对应θK， 铜母线的最高允许温升τp.S=θK-θL=320℃-70℃=250℃。

短路全电流ish是一个变量，要准确地计算出短路电流流经的导体产生的热量θK比较难。为此，采用恒定的短路稳态电流I∞等效计算短路电流所产生的热量。图6中短路电流IK的作用时间从0到tK,假设IK在tK时间内产生的热量与短路稳态电流I∞在时间tima内产生的热量一致。于是有：

式（4）中R为导体电阻；tima为假想的短路发热时间；top为短路保护装置执行短路保护的最长延迟时间；toc为断路器的断路时间；IK为短路稳态电流，在短路终了时等于I∞。

图6 短路发热假象时间

低压电气柜的热稳定性就是主母线的热稳定性，在选用开关柜时，使低压开关柜的热稳定性参数满足低压配电网的短路条件，即：

式（5）中Icw为主母线的短时耐受电流（kA),短路时间长度为1s；Sn为电力变压器容量（kV·A)；Up为电力变压器低压侧线电压（V)；Usr为电力变压器阻抗电压；tima为短路电流的假想时间，对于低压开关柜一般取0.75～1s；ipk为电力变压器冲击短路电流峰值kA；n为峰值系数。

六、结语

在电气柜的设计中，对母线短路动、热稳定性校验具有至关重要的作用。首先，这保证了设备一旦发生短路故障，不至于所有器件都烧毁；其次，如果不提前进行动、热稳定校验，可能将通不过型式试验和出厂试验，而这两项试验是电气柜允许投入使用的必需条件。

因此，在设计制造开关柜时，要充分考虑各个不利因素的影响，尤其是短路电流引起的短路电动力和短路热效应的影响。在不增加成本的前提下，通过提高系统的稳定性，让电气柜能够顺利通过各种型式试验，使其性价比达到最优。

[1]张玉清.大电流开关柜设计中电动力问题探讨[J].江苏电器，2003（5）:10-12.

[2]张业真.低压成套开关设备存在的问题解析[J].电工电气，2016（3）:37-40.

[3]何锐鑫,杨国清.低压成套开关设备的参数化设计[J].电器与能效管理技术，2016（17）:67-69.

[4]马桂芬.低压成套开关设备的出厂试验与产品质量问题的探讨[J].科技创新报，2009（28）:55-56.

[5]张白帆.低压成套开关设备的短路参数分析和动热稳定性[J].通信电源技术，2012（专刊）：112-116.

[6]李志鸿.低压成套开关设备的可靠性分析[J].机械与设备,2013（12）：382-389.

[7]沈凯.低压成套开关设备的设计要点及其可靠性指标的确立[J].机电信息，2013（15）:140-141.

[8]郑美海.低压电气柜结构设计中有关动稳定性能设计的探讨[J].电气制造，2014（1）:34-35.

On Dynamic and Thermal Stability of Busbar Short Circuit Fault in Low Voltage Electric Cabinet

DAI Shu-fen
（School of Smart Equipment and Information Engineering,Wuxi South Ocean College,Wuxi 214081,China）

Short circuit fault occurs frequently in power system,and short-circuit current not only produces great electric impact on the bus system and current-carrying conductor,but increases rapidly the temperature of conductive components of the switch cabinet such as bus bar,cable and electric parts,which results in damage to the bus system of low voltage electric cabinet.Based on the analysis of the short circuit phenomenon,the present paper makes an in-depth study of the impact of short circuit fault on the bus and of how to analyze and calculate its dynamic and thermal stability,aiming to provide a theoretical reference to engineering and technical workers.

Llow voltage electric cabinet;short circuit;busbar;dynamic stability;thermal stability

TM 727.3

A

1671-4806（2017）06-0102-04

2017-09-12

代淑芬（1974—），女，内蒙古赤峰人，讲师，硕士，研究方向为电工技术。

（编辑:林钢）