自动转换开关短路耐受电流选择的探讨

孙 立 安

[同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司,上海 200092]

0 引 言

近年来,随着我国城市化水平的不断提高,大型综合体建筑、大型科研教育园区也越来越多。这些建筑或建筑群构造复杂,配电要求高,供配电系统中存在大量的一、二级用电负荷。为满足这些一、二级用电负荷的供电要求,自动转换开关电器(ATSE)的应用越来越广泛。

在建筑电气设计中,要正确地选择ATSE,需要明确额定工作电压、额定工作电流、相数、额定短时耐受电流、额定短路接通能力、转换条件、使用类别、转换时间等设备参数。本文对ATSE的设备选择中比较重要同时又容易被忽视的PC级ATSE的额定短时耐受电流Icw的选择进行计算和分析,以帮助设计人员进行设备选择。

1 PC级ATSE的额定短时耐受电流Icw的选择要求分析

PC级ATSE不具备保护能力,在发生短路故障时需要在一定的时间内耐受一定的短路电流通过。国家标准GB/T 14048.11—2016《低压开关设备和控制设备 第6-1部分:多功能电器转换开关电器》[1]中第8.2.5.1条对ATSE的额定短时耐受电流进行了规定,验证短路操作能力的试验电流值如表1所示。

表1 验证短路操作能力的试验电流值

额定短时耐受电流的通电时间见国家标准GB/T 14048.11—2016第5.3.6.1条规定,即额定工作电流小于或等于400 A时,交流为额定频率的1.5个周波,额定工作电流大于400 A时,交流为额定频率的3个周波。

但是上述规定仅仅是国标规范中的最低要求。国家标准GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》[2]中第7.5.4.3条规定:当采用PC级自动转换开关电器时,应能耐受回路的预期短路电流,且ATSE的额定电流不应小于回路计算电流的125%。因此,ATSE具体的额定短时耐受电流选择还是要通过短路电流计算并对短路电流进行热效应换算得出。

2 ATSE需要耐受的短路电流分析

ATSE在电气回路中的最大预期短路电流是三相短路电流。而在不同的供电条件和供电距离下,三相短路电流是不同的。

2.1 三相短路电流的计算公式

根据国标图集19DX101-1《建筑电气常用数据》附录15-3中公式,对称稳态三相短路电流有效值为

(1)

式中:XQt、XTK、XL——系统、变压器、线路的电抗;

RQt、RTK、RL——系统、变压器、线路的电阻;

Un——系统标称电压;

c——电压系数,在低压系统中取1.10。

2.2 短路电流的热效应换算

ATSE对回路的预期短路电流的耐受能力即ATSE对短路电流的热效应的耐受能力。短路电流引起的热效应为

(2)

式中:ikt——短路电流瞬时值;

t——短路电流持续时间。

参考相关品牌的断路器产品样本可知,塑壳断路器瞬时脱扣元件的最大分断时间为0.03 s。因此短路电流持续时间也按0.03 s计算。短路电流持续时间小于0.1 s的情况下,计算短路电流热效应时应计入非周期分量的影响。为简化计算,按三相短路全电流最大有效值计算,即在0.03 s的持续时间内,三相短路电流有效值保持三相短路全电流最大有效值不变。

三相短路全电流最大有效值计算时需包含周期与非周期分量有效值的方均根值。由于非周期分量是变化的,因此近似按短路后1/2周期(0.01 s)处的瞬时值计算,三相短路全电流最大有效值为

(3)

式中:Ik——对称稳态三相短路电流有效值;

Kp——冲击系数,在1～2之间,工程上一般取1.8。

2.3 不同供电条件和配电距离下短路全电流计算

计算考虑6种低压供电条件,即变压器分别为630 kVA(Uk%=4.5)、800 kVA(Uk%=4.5)、1 000 kVA(Uk%=6)、1 250 kVA(Uk%=6)、1 600 kVA(Uk%=6)、2 000 kVA(Uk%=6)的情况。

计算时,统一考虑系统短路阻抗SS=200 MVA;由于变压器短路电阻远小于短路电抗,因此忽略RTK;变压器出线侧低压采用密集型铜母线,母线长度为10 m。根据GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》条文解释第6.2.2条的要求,配电线路的配电距离不超过250 m。因此计算中考虑配电距离10～250 m的情况。变压器低压侧母线选择及其阻抗值如表2所示;低压电缆线路单位长度阻抗如表3所示。

表2 变压器低压侧母线选择及其阻抗值

表3 低压电缆线路单位长度阻抗

图1 短路全电流随配电距离的变化曲线

根据以上的短路全电流计算,ATSE额定短时耐受电流Icw选择如表4所示。

表4 ATSE额定短时耐受电流Icw选择

3 结 语

PC级ATSE在设计中广泛使用,如果选择不当在短路故障时很有可能产生触头热熔的风险,本文通过对ATSE需要耐受的短路电流进行计算分析的同时,加入实际运用场景中PC级ATSE额定短时耐受电流的选取分析,得出相应部分根据不同变压器和线路敷设距离等条件确认ATSE额定短时耐受电流选择表,可为相关设计人员提供参考。