低压电气柜母线短路动、热稳定性研究

低压电气柜母线短路动、热稳定性研究

蹇魏巍

成都建筑材料工业设计研究院有限公司四川成都610051

摘要：电力系统常见的故障是电路短路，短路电流会对母线系统和载流导体带来不利影响，短路电流使开关柜内的母线、电缆和元器件等导电部件温度升高。容易破坏电气柜内的母线系统。本文分析电路短路，通过短路对母线的影响，为了通过型式试验，通过对动、热稳定性的分析，为电力工程技术人员提供依据。

关键词：低压电气柜；短路；母线；动稳定性；热稳定性

引言

低压电器柜的主体设备是开关设备，在发电厂、变电站、工矿企业、高层建筑等广泛运用，是一种接受和分配电能以及对电路进行控制、保护、监测的配电装置。电气柜对于电力系统的作用非常重要。

一、短路对低压电气柜的影响

电路中最严重的故障是短路，短路时系统电压下降严重，使回路电流瞬间陡增，会损坏电气设备的正常工作和对用户的正常供电。会损害电气设备和破坏电力系统的稳定。短路电流经过低压电气柜内部的母线系统或者载流导体时，电流过大会造成短路电流会对母线系统和载流导体损害，也会损害开关柜的结构件。开关柜内的母线、电缆和元器件等也会因短路而温度骤升，即便线路保护装置会切断短路电流，因导电部件在短时间内无法散热，致使温度陡升。若温度达到极限，可能将开关设备烧毁，因此设计电气控制柜时，必须要考虑短路所带来的不利影响。三相短路、两相短路、单相接地短路和两相接地短路是短路的四种类型，而三相短路是四种短路中损毁最厉害的。本文以三相短路电流对短路动稳定和热稳定进行研究。

二、短路电流电动力分析

主母线三相短路是低压成套开关设备发生短路最严重的，任何短路对主母线系统对影响都是最大的，各导体通电时导体间会产生电动力。配电网某处发生短路，在低压侧电力变压器电压保持基本不变，同时因电路电阻较小，导致电流强度增高而形成短路，短路电流会损害电路器件。开关柜正常运转时，因电流不大导致导体间的电动力较小，几乎对开关柜不产生影响，而电路短路时，电流瞬间增至几万安甚至几十万安致使导体间的电动力非常大，断裂或损坏某些支撑和结构部件，很可能发生事故。流过同一方向的电流经某相主母线的两条铜排时，各条铜排产生的电力线方向可以运用右手螺旋定律来判断，而两条铜排之间的作用力方向则可以用左手螺旋定律来判断。若两条导线中的电流方向同向时，导线间的作用力表现为引力；若两条导线中的电流方向反向时，导线间的作用力表现为斥力。选择合适的导体截面形状和增大两平行导体中心线距离可以减轻强电流带来的损害。其图1所示：

运用毕奥-萨伐尔定律来计算矩形母线间短路电动力。设定其中一条铜排中流过的电流为I1，另一条铜排中流过的电流为I2，则两条铜排之间的作用力为：

F=2×10-7KIIL/u(1)

式（1）中矩形铜排之间的电动力用F表示，其单位为N；矩形铜排形状系数用K表示；矩形铜排中流过的电流单位均为A；矩形铜排长度用L表示，单位m衡量,与a的单位统一；为矩形铜排中心距用a表示，单位与矩形铜排长度单位L一致，也为m衡量。

三、动稳定研究

开关设备具有抵御最大瞬时机械作用力的能力决定低压电气柜的动稳定性，短路电流在低压电气柜中产生最大电动力的关键因素是冲击短路电流峰值ipk。成套开关设备的动稳定性由成套开关设备抵御ipk的大小决定。绝大部分的短路电流由主母线上承受了，主母线系统的动稳定性是成套开关设备的动稳定性的主要部分。进行型式试验时，制造厂指定的最大峰值电流在0.1s内通过低压开关柜的主母线

低压开关柜在试验后未发生明显变化。柜内导电体应符合电气间隙和爬电距离。主母线的绝缘支撑即母线线夹未出现裂纹，为损坏柜内主元件。表明低压开关柜符合动稳定性要求，主母线的动稳定性符合低压电气柜的动稳定性。在低压电气柜的选择方面，应满足低压配电网的短路条件的动稳定性参数:

Ipk＞ipK（2）

式（2）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)。

四、短路电流对主母线的热效应计算和主母线热稳定性

短路电流使得开关柜内的母线、电缆和元器件等导电部件在低压配电网短路时温度会升高，短路电流在极端的时间内会被线路保护装置切断，但是因电部件不能及时散热，短路电流引起的电部件的发热的过程是绝热过程。在开关柜内，短路电流使导电部件产生的热量会使温度升高，导电部件由于短路电流极强使导电部件产生的大量的热量，若开关设备母线系统和元器件承受不了临界温度，可能损坏开关设备。因此，开关设备的热稳定性是由电气设备在短时间内具有承受的短路电流热冲击效应的能力决定的。其温度指数曲线如图2所示：

图2短路前后导体的温度变化

正常的负荷电流使导电部件的温度为θL，若短路故障发生在t1时刻，导体部件温度上升，线路保护装置动作切断故障线路发生在t2时刻，导体温度的最高值为θK，切断电流后，温度逐渐下降到θ0，直到温度恢复到与环境温度一致为止。

低压电气柜中各种载流导体各自允许的发热值都不一样，如正常运行状态铜母线的最髙温度为70℃，在短路状态下铜母线的最髙温度可以达到320℃；θL对应70℃，θK对应320℃，最高允许升温公式为：τp.S=θK-θL，由此得出铜母线的最高允许升温为250℃。

五、结束语

综上所述，对于母线短路动、热稳定性校验，电气柜的设计能起到关键作用，合理的设计电气柜在设备发生短路故障时，能保证导电期间不会损坏，电气柜投入使用的必需条件是通过型式试验和出厂试验两项试验，而设计电气柜时已经对母线短路动、热稳定性校验进行试验。在设计制造开关柜的过程中对各种不利因素都应考虑在内，在所有因素中短路电动力和短路热效应的影响两项因素尤为重要。在控制成本的情况下，保证电器柜能够通过各种型式试验，从而使系统的稳定性得到提升，是该系统的性价比最高。

参考文献

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