電氣設計中關于短路防護器保護的計算研究

孫海峰

摘要：在電氣設計中短路電流計算應用在電力系統的設計、設備選型、運行校核、繼電保護等諸多方面，通過對電氣元件的電磁暫態模型進行計算分析，以此確定電路是否發生短路問題。本文將從電氣設計短路保護要求出發，以此研究在電氣設計中不同計算關于短路防護器保護的選擇性配合情況，使短路防護器滿足設計要求。

關鍵詞：電氣設計;短路防護器;短路計算

引言：

隨著經濟快速發展，由短路引發的配電網故障問題逐漸增多，主要原因就是設備選型不滿足短路計算后電氣設備設計要求，致使電氣設備在短路時加快絕緣材料老化，縮短使用壽命，甚至引發火災。

1電氣設計短路保護要求

根據《低壓配電設計規范》中的有關規定，電纜應能承受預期的短路電流和其保護動作時間，對于非熔斷器保護的回路，應校驗電纜的最小截面;第6.2.4條規定，當短路保護電器為斷路器時，被保護線路末端的短路電流不應小于低壓斷路器瞬間或短延時過電流脫扣器整定電流的1.3倍;被保護回路內任意一點發生短路故障是，防護電器都應在保護回路導體溫度上升到臨界值前切斷電源，這些要求的實現都必須由電氣設計中短路電流的計算來得出，短路防護器也是為了防止因線路故障短路電流產生線路的過熱造成設備損壞而設置的設備，必須要滿足電氣設計中短路保護要求。需要注意的是，并非所有電氣設計上都需設置短路防護器，比如在電源設備出線口、中性線、二次回路等情況下不應安裝短路防護器。另外，若短路防護器切斷回路電源造成的影響比不切斷電源造成的影響更嚴重時，也不應裝設短路防護器。

2短路防護器保護的計算研究

2.1計算原則

在實際電氣設計中一般采用低壓斷路器和熔斷器作為電流保護的設備，根據具體的保護需求來選擇斷路器或熔斷器作為保護設備。計算的原則是兩者之間就電氣設計的選擇性配合，通過短路防護中上下級動作的選擇性可以避免越級跳閘造成大規模停電。以熔斷器之間的選擇性配合為例。上下級之間的電弧時間小于0.1s時，要對總I2t特性進行校驗。級間配合原則指出不動作的器件弧前I2t，需大于動作熔斷器的熔斷I2t。若串聯熔斷體的電流值大于16A，過電流比為1.6：1，則可以實現選擇性熔斷。一般來說由于要保護設備和器件，根據I2t選擇熔斷器的標準是熔斷器的熔斷I2t要小于保護設備和器件，并且在設計時常留10%冗余，在計算時也需考慮進去[1]。

2.2計算方法

電路設計中短路防護器的計算方法有電磁暫態程序（EMTP）、標幺值法、有名值法、IEC法、ANSI/IEEE法。其中電磁暫態程序是用于電力系統電磁暫態分析的仿真軟件，通過現場測試證實后，建立短路防護器和各種開關、電機的模型，能夠模擬斷路器或熔斷器在電路聯接中的變化以及非線性電阻的特性曲線。雖然這種方式計算結果準確，但計算量較大，收集數據較多，不適合實際工程應用。

標幺值法是國內普遍應用于短路電流計算的方法，在統一功率、平均電壓后，將各電機的電抗有名值轉化為等值電抗標幺值后，對電力網絡參數進行簡化，只得到短路防護器節點和短路點的簡化網絡，兩者之間僅有轉移電抗。此方法的原理是忽略電阻，保留電抗，能夠避免電壓變化帶來的繁瑣折算問題。當在較大電力系統中計算電抗時可不考慮短路電流交流分量的衰減，有名值為：

I0=I1IN Izt=I1ztIN

式中，IN為電源額定電流;I1為0時刻周期分量標幺值;I1zt為t時刻周期分量標幺值。若在有限源電力系統中進行計算，則需要根據計算電抗后查詢制定完成的計算曲線求出短路電流的標幺值，再依據基準電流即可求出有名值。

IEC法在不同的短路電流中有著不同的應用方法，根據實際電網來到看三相短路電流是計算其他類型短路電力的基礎。因此，主要分析此種短路電流的計算方法。IEC法在低壓三相短路電流中的計算公式為：

式中，Un為系統標稱電壓（kV）;Zk為三相短路阻抗（Ω）;Rk為三相短路電阻（Ω）;Xk為三相短路電抗（Ω）。電壓系數c應當根據不同標稱電壓來進行選用，計算最大值時選擇最大電壓系數，計算最小值時則選用最小電壓系數。需要注意cUn不宜超過短路防護器設備的最高電壓，在計算中還需允許電壓偏差為+10%的低壓系統，若為380V允許電壓偏差為+6%。

ANSI/IEEE法主要是利用美國標準ANSI/IEEE來進行短路計算，將短路位置用等效電壓源代替所有外部電壓源和電機電壓源，忽略線性電容器和靜態負荷。比如末段回路是最容易發生短路的位置，在ANSI/IEEE法標準假設條件下就可以忽略前端電網結構隨短路持續時間變化的狀況。不過，此種方法也不會考慮短路處的過渡電阻，需要使用單獨的阻抗和容抗來計算抗阻比。而在實際電氣設計中往往上下級具有不同斷路器或熔斷器，也導致此方法的計算存在一定限制[2]。

2.3結果分析

根據對短路防護器所處電力系統的短路計算，可以得出保護所需設置的保護限制和動作延時。以三級電力系統為例，在發生短路故障或接地故障電流達到整定閾值后都需經過0.1s至0.4s的延時脫扣，并且由處在最下級控制線的短路防護器先行實施脫扣動作，在發出脫離信號后依次向上級傳輸。若上級未檢測到短路故障或接地故障電流達到整定閾值，則不會執行脫扣動作。在此電力系統中最上級脫扣器延時時間可設置為0.4s，次級脫扣器延時時間可設置為0.2s，最下級因處在末端，設置長延時和瞬時保護即可。

結論：短路防護器是電路發生短路故障的瞬間對故障電路進行保護的有效設備，通過切除電路連接的方式避免短路故障影響范圍擴大。通過對短路防護器所在電路進行短路計算，能夠明確短路防護器所需設置的保護限制和動作延時，再結合電氣設計的實際要求，確定各級保護器配合的整定時間與關系，即可實現電路在發生短路故障的有效保護。

參考文獻：

[1]楊青.國內外短路電流計算方法比較及對國標的建議[J].電工技術，2021（11）：88-90.

[2]張武洋，李籽良，李永照，等.一種電網等值分解及短路計算新方法[J].電力系統保護與控制，2020，48（14）：43-49.