低壓成套開關設備母線額定短時耐受電流的選擇

曾智楨

摘 要：低壓成套開關設備中，基本結構、使用條件、母線的材質不同等都影響額定短時耐受電流的選擇。合理選擇母線參數，可降低設備投資。因此，本文對母線額定短時耐受電流的選擇進行探討，并給出母線額定短時耐受電流、額定峰值耐受電流選擇的建議。

關鍵詞：低壓成套開關設備；母線；短時耐受電流；短路電流

1 低壓成套開關設備簡介

我國現行標準將用于交流50Hz（或60Hz）、額定電壓在交流1000V、直流1500V以下的電路中起通斷、保護、控制或調節作用的電器稱為低壓電器。在配電系統中，低壓成套開關設備主要由各種低壓電器構成。

主母線又稱為水平母線，配電母線又稱為垂直母線。母線通常在設備中起著電能傳輸作用，是完成電氣連接用的一種導體，它還要承載著故障狀態下短路電流的考核。 低壓成套開關設備的母線選型的主要技術參數有額定電壓、額定電流、額定短時耐受電流、額定峰值耐受電流、規格、溫升等。

低壓成套開關設備現行標準（以下簡稱《成套設備》）中規定了額定短時耐受電流、 額定峰值耐受電流之間的關系，兩者可以認為是等價的。本文就母線的額定短時耐受電流的選擇進行討論。

2 短路對低壓成套開關設備母線的影響

當2根平行導體中分別有電流i1和i2通過時，導體間相互作用力F為：

可見導體間作用力與流過導體的電流及導體的長度有關系。在低壓成套開關設備中，短路電流一般為額定電流的數十倍，因此導體間作用力遠大于正常運行時的受力。同時水平母線通常情況下長度較長，所以短路電流產生的電動力主要作用于主母線上，短路會對母線系統產生極大的電動力沖擊。三相短路時母線作用力最大，承受應力也最大。

當系統發生短路時，短路電流做功會在各個導電部分產生劇烈的發熱。按照實用計算法，短路電流在導體和電器中引起的熱效應Qi為：

一般情況下短路電流的作用時間很短，短路電流流過導電部件后產生的熱量來不及散發，導電部件就有可能因為發熱而變形。當低壓成套開關設備發生短路時，母線和開關電器劇烈發熱并承受巨大的電動力，斷路器等開關電器也承載了短路電流的影響。由于斷路器等開關電器尺寸較小，所以短路電動力不會對開關電器產生大的沖擊。真正承受短路電流熱沖擊和力沖擊的是低壓成套開關設備的母線系統，特別是水平母線系統。垂直母線系統由于長度較短，受到的沖擊小于水平母線系統。

3 短時耐受電流的定義及關系

開關設備必須經過短路穩定校驗，包括熱穩定校驗和動穩定校驗。開關設備的熱穩定性用額定短時耐受電流表示，《成套設備》對于額定短時耐受電流（ICW）定義為：成套設備制造商宣稱的，在規定條件下，用電流和時間定義的能夠耐受的短時電流有效值。

開關設備的動穩定性用額定峰值耐受電流表示，《成套設備》對于額定峰值耐受電流（IPK）定義為：成套設備制造商宣稱的，在規定條件下能夠承受的短路電流峰值。

《成套設備》規定峰值電流值應用短路電流的有效值乘以系數n獲得。系數n的值和相應的功率因數見表1。

《成套設備》中規定額定短時耐受電流時間為0.2s、1s、3s。《低壓開關設備和控制設備第2部分：斷路器》（GB 14048.2-2008）中斷路器的額定短時耐受電流最大優選值為1s。因此通常成套設備的額定短時耐受電流時間按照1s考慮。

4 短時耐受電流的計算

按照變壓器高壓側上級電網短路容量無窮大，變壓器及低壓側母線等導線阻抗忽略，變壓器低壓出口處三相短路電流最大值（有效值）為：

該方法計算得出的短路電流值較非對稱分析法略大，在工程分析中能夠滿足相關要求。

《成套設備》中要求：成套設備應能夠耐受不超過額定值的短路電流所產生的熱應力和電動應力。因此選擇水平母線ICW 時考慮1.1倍的安全系數，ICW、IPK的計算見表2。

上述計算針對單臺變壓器情況。如果存在變壓器并聯運行的情況，理論上短路電流會成倍疊加。對于阻抗電壓7%的變壓器，或者上級電網短路容量有限的情況，短路電流會相應減小。

對于一般配電系統，上級電網容量有限，因此表"計算所得的短路電流可以認為是水平母線所承受的最大短路電流。垂直母線規格小于水平母線，其阻抗大，短路電流相應減小，工程應用中簡化處理可按照表2中短路電流值計算值選擇。

5 短時耐受電流的選擇

《成套設備》與2005版相比，其重要改動之一就是通過驗證方式取消了型式試驗成套設備和部分型式試驗成套設備的區別，采用3種不同但等效的驗證要求的形式：驗證試驗、驗證比較和驗證評估。型式試驗既是對產品的驗證，又是設計產品的重要依據。對制造商而言，型式試驗要支付相當的費用，才能獲得改型開關柜的生產許可。

短路電流的計算值只能作為參考值，不能作為產品的性能說明。所以水平母線及垂直母線的短路參數，只能依據型式試驗的結論。

3種主流產品的型式試驗數據見表3。

水平母線額定電流500A的低壓成套開關設備通常配置2500kVA的變壓器， 其三相短路電流最大計算值為60.14kV，表中水平母線及垂直母線短時耐受電流值分別為80/65（kA/1s）、100/65（kA/1s）、100/80（kA/1s）。可見垂直母線的短時耐受電流值均小于水平母線短時耐受電流值。

因此，成套設備的水平母線額定短時耐受電流按照三相短路電流最大計算值，考慮1.1倍的安全系數選擇；垂直母線的額定短時耐受電流按照三相短路電流最大計算值選擇；其對應峰值耐受電流按照表1對應n值計算即可。部分設計人員在設計中一味追求水平母線及垂直母線的額定短時耐受電流、額定峰值耐受電流，實際應用中系統根本無法達到此種短路電流情況，造成設備及投資浪費。

6 結語

作為低壓成套開關設備母線系統的重要參數，母線的額定短時耐受電流、額定峰值耐受電流應根據系統情況進行短路電流計算校驗后再選擇。設備采購時，必須要求廠家提供成套設備的型式試驗報告。

電氣設計人員應熟悉國家標準要求，通過分析計算及合理選型，在滿足設備安全性的前提下，降低設備投資，提高經濟效益。

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