低壓成套設(shè)備短路電流的電動(dòng)力探析

天津電氣科學(xué)研究院有限公司 張曉戈

短路時(shí)通過導(dǎo)體沖擊電流產(chǎn)生的電動(dòng)力可達(dá)很大的數(shù)值，導(dǎo)體和電器可能因此而產(chǎn)生變形或損壞。閘刀式隔離開關(guān)可能自動(dòng)斷開而產(chǎn)生誤動(dòng)作，造成嚴(yán)重事故。開關(guān)電器觸頭壓力明顯減少，可能造成觸頭熔化或熔焊，影響觸頭的正常工作或引起重大事故[1]。

1 電動(dòng)力的計(jì)算

1.1 計(jì)算電動(dòng)力的目的

當(dāng)?shù)蛪撼商组_關(guān)設(shè)備內(nèi)部的母線系統(tǒng)或載流導(dǎo)體流過短路電流時(shí)，短路電流會(huì)對(duì)母線系統(tǒng)和載流導(dǎo)體產(chǎn)生巨大的電動(dòng)力沖擊作用，低壓開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)件也將承受瞬間巨大的破壞作用。當(dāng)可以計(jì)算出短路電流產(chǎn)生的電動(dòng)力、對(duì)電動(dòng)力有所認(rèn)知和了解時(shí)，就可更方便選用適當(dāng)強(qiáng)度的電器設(shè)備及其附件，用以保證足夠的電動(dòng)力穩(wěn)定性；必要時(shí)也可采用限流保護(hù)器件來限制短路電流的措施。這樣就可杜絕或減少電動(dòng)力的沖擊給低壓成套設(shè)備帶來不必要的損壞，避免安全事故的發(fā)生。適當(dāng)加強(qiáng)低壓成套設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)能使設(shè)備在短路時(shí)的動(dòng)穩(wěn)定性得到提高，從而為輸配電線路的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

1.2 電動(dòng)力的作用方向

首先要明確電流電動(dòng)力的作用方向，通過圖1進(jìn)行判斷電動(dòng)力的作用方向。首先需判斷電磁力線的方向。在左圖中可看到兩支導(dǎo)線的電流方向一致，根據(jù)右手螺旋定則可知：上導(dǎo)線在下導(dǎo)線周圍產(chǎn)生的磁力線方向是流入紙面，圖中用×作標(biāo)記；下導(dǎo)線在上導(dǎo)線周圍產(chǎn)生的磁力線方向是流出紙面的，圖中用●作標(biāo)記。同理，右圖中兩導(dǎo)線電流方向相反，磁力線方向如圖中標(biāo)記所示。根據(jù)左手定則可知導(dǎo)線的受力方向，即上下兩根導(dǎo)線中的電流方向一致時(shí)，兩導(dǎo)線間會(huì)產(chǎn)生相吸的電動(dòng)力。上下兩導(dǎo)線中的電流方向相反時(shí)，兩導(dǎo)線間會(huì)產(chǎn)生相斥的電動(dòng)力。

圖1 判斷電磁力線的方向

1.3 電動(dòng)力的計(jì)算

對(duì)于平行導(dǎo)體間的電動(dòng)力計(jì)算，可根據(jù)安培力公式及畢奧-薩伐爾定律來計(jì)算矩形母線間短路電動(dòng)力，設(shè)兩根銅排中流過的電流分別是i1和i2，則銅排之間的作用力為式中F為銅排之間的電動(dòng)力（N）；Kx為矩形銅排形狀系數(shù)；i1為第一根銅排中流過的電流（A）；i2為第二根銅排中流過的電流（A）；L為銅排長度（m）；a為兩銅排間的中心距（m）。

圖2 銅排形狀系數(shù)Kx計(jì)算用圖

Kx可理解為由于電流并不集中在導(dǎo)體軸線上而需進(jìn)行修正的系數(shù)。圓形導(dǎo)體的形狀系數(shù)Kx=1，那么矩形銅排形狀系數(shù)Kx可通過下列方法來確定：Kx計(jì)算復(fù)雜，實(shí)際中已制成截面形狀系數(shù)曲線或表格（圖2）,以這種查表的方式更簡捷方便設(shè)計(jì)時(shí)使用。也可以通過公式計(jì)算來得出Kx的值。假設(shè)銅排中心距為a、寬度是h、厚度是b，其中b/h和(ab)/(h+b)這兩個(gè)參數(shù)與Kx密切相關(guān)（圖2）。

2 低壓成套設(shè)備的電動(dòng)力分析

在低壓成套設(shè)備的使用過程中，會(huì)發(fā)生的短路情況有相對(duì)地、兩相短路、三相短路等，其中兩相短路和三相短路故障對(duì)設(shè)備的損害相對(duì)較大。發(fā)生兩相短路時(shí)電動(dòng)力的計(jì)算為公式1，式中ich2為兩相短路時(shí)的短路沖擊電流；發(fā)生三相短路電流時(shí)電動(dòng)力的計(jì)算為公式2，其中ich3為三相短路時(shí)的短路沖擊電流。在低壓成套開關(guān)設(shè)備中一般采用的三相四線制，在同一平面平行布置。當(dāng)發(fā)生兩相短路時(shí)，因?yàn)閮上喽搪冯娏魇侨喽搪冯娏?.866倍，即式3，那么在該型式的成套開關(guān)設(shè)備中兩相短路所產(chǎn)生的電動(dòng)力應(yīng)為式4，通過計(jì)算分析，三相短路時(shí)設(shè)備所受的電動(dòng)力最大，應(yīng)采用三相短路電流來進(jìn)行動(dòng)穩(wěn)定效應(yīng)。

再來分析不同排規(guī)和間距時(shí)所產(chǎn)生的電動(dòng)力。設(shè)低壓成套開關(guān)設(shè)備主母線銅排規(guī)格為寬（h）×厚（b）=80mm×8mm，對(duì)于不同的銅排中心距依據(jù)圖2可得不同的Kx值。例如：當(dāng)a=400mm時(shí)可得出Kx值為1；當(dāng)a=200mm時(shí)通過計(jì)算得出Kx值為0.95，依據(jù)公式和各個(gè)已知的值可計(jì)算出不同間距的Kx值。

由于低壓成套開關(guān)設(shè)備帶電體之間的電氣間隙不得小于25mm，所以查上表可知Kx=0.1，雖然上述Kx是用80mm×8mm銅排截面推導(dǎo)出來的，但其適用于銅排規(guī)格各種情況。通過公式可分析得出，當(dāng)其他各值都一定的情況下，相與相之間的間距越大，發(fā)生短路故障時(shí)所產(chǎn)生的電動(dòng)力就越小，在低壓成套開關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)前期，可根據(jù)實(shí)際需要確定出母排規(guī)格、走向、間距，預(yù)期短路電流各值，通過計(jì)算可選擇相應(yīng)的母線夾的距離，最大限度的節(jié)省成本，以避免過度安裝絕緣支撐件造成浪費(fèi)的情況下又使得成套設(shè)備內(nèi)空間減小，間接的造成正常運(yùn)行時(shí)溫升滿足不了使用要求；或是過度減少支撐件個(gè)數(shù)，這樣就會(huì)造成設(shè)備不滿足短路強(qiáng)度中的動(dòng)穩(wěn)定參數(shù)，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)電動(dòng)力就會(huì)給設(shè)備造不可想象的破壞力。

電路中所能承受的最大電流為額定峰值耐受電流Ipk，將該值代入電動(dòng)力公式即可求得銅排間的最大承受電動(dòng)力。值得注意的是，通過理論計(jì)算分析可以得知，當(dāng)三相導(dǎo)體在同一平面平行布置、發(fā)生三相短路時(shí)，由于中間母線同時(shí)受兩側(cè)母線的電動(dòng)力疊加作用，根據(jù)理論推導(dǎo)在三相短路時(shí)受力最大的是中間相。所以在設(shè)計(jì)低壓成套開關(guān)設(shè)備時(shí)，應(yīng)按三相短路時(shí)中間相所受電動(dòng)力來設(shè)計(jì)電氣設(shè)備的動(dòng)應(yīng)能力。

同樣也可通過理論推導(dǎo)得出，對(duì)于四極母線系統(tǒng)(三相主母線和N線)，在相同的電流值下，單相短路的電動(dòng)力大于三相短路的電動(dòng)力。這是因?yàn)樗臉O母線系統(tǒng)發(fā)生單相短路時(shí)，靠近N母線的相銅排與N母線銅排中同時(shí)出現(xiàn)大小相等方向相反的短路峰值電流，所以當(dāng)電流值相同的情況下，單相短路時(shí)主母線承受的短路電動(dòng)力最大。而在實(shí)際使用時(shí)，低壓成套開關(guān)設(shè)備一般處于輸配電線路中的線路側(cè)，即當(dāng)在發(fā)生單相對(duì)N或?qū)Φ囟搪窌r(shí)，所產(chǎn)生的短路電流一般為三相短路電流的0.5倍及以內(nèi)。可通過如下公式推導(dǎo)出單相短路電流為三相短路電流為其中Z是線路阻抗，ZN為線路N或地的阻抗。在實(shí)際使用中ZN≥Z，那么從中就可得出Ik1≤0.5Ik3。

理論和型式試驗(yàn)都可證明，在相同電流的情況下，低壓成套開關(guān)設(shè)備的四極主母線中，靠近N線銅排的相線銅排與N線銅排之間會(huì)出現(xiàn)最大的短路電動(dòng)力，約為三相短路電動(dòng)力的2倍。因此必須認(rèn)真仔細(xì)地設(shè)計(jì)低壓成套開關(guān)設(shè)備四極主母線系統(tǒng)的母線夾和柜體結(jié)構(gòu)。如對(duì)N有特殊要求的，對(duì)于母線夾的材質(zhì)也要予以特殊關(guān)注，除要確保母線夾的絕緣性能外，更務(wù)必確保母線夾能夠承受最大短路電動(dòng)力的沖擊。

通過以上的計(jì)算可知，對(duì)于一般線路中的低壓成套設(shè)備來說，對(duì)N排這條線路中的母線夾和柜體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求均可低于對(duì)三相母線中的母線夾和柜體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。這樣既可節(jié)省設(shè)備的成本，又可滿足電動(dòng)力強(qiáng)度的要求。

綜上，當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)所產(chǎn)生的電動(dòng)力是和短路電流的大小以及母線的形狀、結(jié)構(gòu)、走向、間距等均有密不可分的關(guān)系。三相短路電流產(chǎn)生的電動(dòng)力是最大的，在設(shè)計(jì)低壓成套設(shè)備時(shí)，可能通過計(jì)算來分析出該設(shè)備應(yīng)選用母線規(guī)格、母線間距以及絕緣支撐件的間距，以便使設(shè)備結(jié)構(gòu)能夠抵抗最大短路電流帶來的最大電動(dòng)力，避免設(shè)備發(fā)生損傷，繼而為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。