孙海峰

摘要：在电气设计中短路电流计算应用在电力系统的设计、设备选型、运行校核、继电保护等诸多方面，通过对电气元件的电磁暂态模型进行计算分析，以此确定电路是否发生短路问题。本文将从电气设计短路保护要求出发，以此研究在电气设计中不同计算关于短路防护器保护的选择性配合情况，使短路防护器满足设计要求。

关键词：电气设计;短路防护器;短路计算

引言：

随着经济快速发展，由短路引发的配电网故障问题逐渐增多，主要原因就是设备选型不满足短路计算后电气设备设计要求，致使电气设备在短路时加快绝缘材料老化，缩短使用寿命，甚至引发火灾。

1电气设计短路保护要求

根据《低压配电设计规范》中的有关规定，电缆应能承受预期的短路电流和其保护动作时间，对于非熔断器保护的回路，应校验电缆的最小截面;第6.2.4条规定，当短路保护电器为断路器时，被保护线路末端的短路电流不应小于低压断路器瞬间或短延时过电流脱扣器整定电流的1.3倍;被保护回路内任意一点发生短路故障是，防护电器都应在保护回路导体温度上升到临界值前切断电源，这些要求的实现都必须由电气设计中短路电流的计算来得出，短路防护器也是为了防止因线路故障短路电流产生线路的过热造成设备损坏而设置的设备，必须要满足电气设计中短路保护要求。需要注意的是，并非所有电气设计上都需设置短路防护器，比如在电源设备出线口、中性线、二次回路等情况下不应安装短路防护器。另外，若短路防护器切断回路电源造成的影响比不切断电源造成的影响更严重时，也不应装设短路防护器。

2短路防护器保护的计算研究

2.1计算原则

在实际电气设计中一般采用低压断路器和熔断器作为电流保护的设备，根据具体的保护需求来选择断路器或熔断器作为保护设备。计算的原则是两者之间就电气设计的选择性配合，通过短路防护中上下级动作的选择性可以避免越级跳闸造成大规模停电。以熔断器之间的选择性配合为例。上下级之间的电弧时间小于0.1s时，要对总I2t特性进行校验。级间配合原则指出不动作的器件弧前I2t，需大于动作熔断器的熔断I2t。若串联熔断体的电流值大于16A，过电流比为1.6：1，则可以实现选择性熔断。一般来说由于要保护设备和器件，根据I2t选择熔断器的标准是熔断器的熔断I2t要小于保护设备和器件，并且在设计时常留10%冗余，在计算时也需考虑进去[1]。

2.2计算方法

电路设计中短路防护器的计算方法有电磁暂态程序（EMTP）、标幺值法、有名值法、IEC法、ANSI/IEEE法。其中电磁暂态程序是用于电力系统电磁暂态分析的仿真软件，通过现场测试证实后，建立短路防护器和各种开关、电机的模型，能够模拟断路器或熔断器在电路联接中的变化以及非线性电阻的特性曲线。虽然这种方式计算结果准确，但计算量较大，收集数据较多，不适合实际工程应用。

标幺值法是国内普遍应用于短路电流计算的方法，在统一功率、平均电压后，将各电机的电抗有名值转化为等值电抗标幺值后，对电力网络参数进行简化，只得到短路防护器节点和短路点的简化网络，两者之间仅有转移电抗。此方法的原理是忽略电阻，保留电抗，能够避免电压变化带来的繁琐折算问题。当在较大电力系统中计算电抗时可不考虑短路电流交流分量的衰减，有名值为：

I0=I1IN Izt=I1ztIN

式中，IN为电源额定电流;I1为0时刻周期分量标幺值;I1zt为t时刻周期分量标幺值。若在有限源电力系统中进行计算，则需要根据计算电抗后查询制定完成的计算曲线求出短路电流的标幺值，再依据基准电流即可求出有名值。

IEC法在不同的短路电流中有着不同的应用方法，根据实际电网来到看三相短路电流是计算其他类型短路电力的基础。因此，主要分析此种短路电流的计算方法。IEC法在低压三相短路电流中的计算公式为：

式中，Un为系统标称电压（kV）;Zk为三相短路阻抗（Ω）;Rk为三相短路电阻（Ω）;Xk为三相短路电抗（Ω）。电压系数c应当根据不同标称电压来进行选用，计算最大值时选择最大电压系数，计算最小值时則选用最小电压系数。需要注意cUn不宜超过短路防护器设备的最高电压，在计算中还需允许电压偏差为+10%的低压系统，若为380V允许电压偏差为+6%。

ANSI/IEEE法主要是利用美国标准ANSI/IEEE来进行短路计算，将短路位置用等效电压源代替所有外部电压源和电机电压源，忽略线性电容器和静态负荷。比如末段回路是最容易发生短路的位置，在ANSI/IEEE法标准假设条件下就可以忽略前端电网结构随短路持续时间变化的状况。不过，此种方法也不会考虑短路处的过渡电阻，需要使用单独的阻抗和容抗来计算抗阻比。而在实际电气设计中往往上下级具有不同断路器或熔断器，也导致此方法的计算存在一定限制[2]。

2.3结果分析

根据对短路防护器所处电力系统的短路计算，可以得出保护所需设置的保护限制和动作延时。以三级电力系统为例，在发生短路故障或接地故障电流达到整定阈值后都需经过0.1s至0.4s的延时脱扣，并且由处在最下级控制线的短路防护器先行实施脱扣动作，在发出脱离信号后依次向上级传输。若上级未检测到短路故障或接地故障电流达到整定阈值，则不会执行脱扣动作。在此电力系统中最上级脱扣器延时时间可设置为0.4s，次级脱扣器延时时间可设置为0.2s，最下级因处在末端，设置长延时和瞬时保护即可。

结论：短路防护器是电路发生短路故障的瞬间对故障电路进行保护的有效设备，通过切除电路连接的方式避免短路故障影响范围扩大。通过对短路防护器所在电路进行短路计算，能够明确短路防护器所需设置的保护限制和动作延时，再结合电气设计的实际要求，确定各级保护器配合的整定时间与关系，即可实现电路在发生短路故障的有效保护。

参考文献：

[1]杨青.国内外短路电流计算方法比较及对国标的建议[J].电工技术，2021（11）：88-90.

[2]张武洋，李籽良，李永照，等.一种电网等值分解及短路计算新方法[J].电力系统保护与控制，2020，48（14）：43-49.