低压电气柜母线短路动、热稳定性研究于小力

低压电气柜母线短路动、热稳定性研究于小力

于小力

镇江市美盛母线有限公司江苏省镇江市212200

摘要：现阶段，随着社会的发展，我国的电力工程的发展也有了很大的改善。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。

关键词：低压电气柜；母线短路动、热稳定性；研究

引言

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。

1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。

2三相短路过程分析

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。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。

3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。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。

4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。

5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，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。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。

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。

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