低压短路电流计算及断路器分断能力的改进研究

李子琦++卢权胜++黎永胜++刘超++叶志伟

摘 要：本文首先详细地阐述了电弧的定义和产生过程，然后通过进行额定短路分断能力的实验，详细论述了低压短路电流的计算方法和过程，并且提出了对于额定短路分断能力的改进策略；最后，针对额定短路分断能力的改进提出了新的见解和看法。

关键词：低压短路；电流计算；断路器；分断能力

中图分类号：TM76 文献标识码：A

进一步提高分断能力是小型断路器未来的发展方向之一，电力系统中的短路电流进行计算是其中的重要部分，对于电气设计有重要作用。通过计算，可以得到电力系统的短路数据，这些数据对于高压电气设备的选择。例如高压断路器、高压隔离开关以及电流互感器等提供了信息，并且电力系统的短路数据也是继电保护整定的主要根据。低压断路器是电力配电系统中被广泛使用的设备，它在系统发生故障时能够及时地切断电源，在防范重大事故方面起到了重要的作用。近年来，随着我国科技的发展和制造水平的提高，小体积、高分断能力的开关设备得到了快速的发展，所以如何正确选择设备成为了当前的重要话题。对此，本文对断路器的分断能力进行了计算和比较，同时提供短路故障点短路电流的简易估算方法。

一、电弧的产生机理

电弧产生的主要原因是由于电压过高，导致空气电离，在空气中形成放电电流，电弧的形成简而言之就是触头间中性质子被游离的过程。断路器电路闭合和断开时都会产生电弧，但大多数情况下只观测和研究斷路器在断开电路时的作用结果。当断开电流时，动静触头的接触面积会逐渐减少，在高温高导电率的情况下游离气体会逐渐地形成液态金属桥。当接触面上的温度升高到一定点时，金属桥会断裂，最终形成金属蒸汽。动静触头间的电子与离子发生碰撞反应，由此产生电离。最后电源高于起弧电压时就会使熔融的液态金属桥产生电弧。

二、低压断路器额定短路分断能力的改进

提高分断能力是小型断路器未来的发展方向。在低压配电电网中，断路器是最主要的电器元件，对它的选取是否正确直接关系着整个电网系统的正常运行，而断路器分断能力的合理选用是电网配置经济性的重要方面，因此很有必要对其分断能力进行改进。

1.额定短路分断能力的定义与试验

额定短路的分断能力是断路器开关的一种特殊功能，是指断路器能够分断接于它后面的负载或线路在短路时产生的短路电流的能力。断路器的分断能力是指在发生安全问题时，该断路器切断故障电流的能力（即速度），与其额定电流不存在必然联系。在选择断路器分断能力时，分断能力应不小于它所安装处可能产生的三相短路电流。

1.1 如果Ics=10kA，当线路中发生10kA的故障电流时，断路器可以安全切断电路，不会因为高温而出现接头熔接、突然爆炸。但是对于过了极限分断能力的断路器，即失效后，就必须对其进行更换。

1.2 假定Ics=10kA，分断该电流后，虽然断路器允许合闸后继续使用，但是最好在应急过后对其进行更换，因为好的断路器可以做到Icu=Ics。短路试验的内容就是在断路器闭合的情况下进行单次的断开操作闭合，闭合后间隔一段时间再进行下一次的单次分断操作，对其的验证应将试验侧重点放在配电线路以及用电设备受损前及时切除短路故障上。对于短路分断试后验证，主要侧重于考核介电性能，不再验证它的操作性能以及温升等项，对于接触器短路条件下性能的分类方式也可以进行借鉴。对拥有更好性能的断路器，还可根据其规定的短路后仍然能达到的性能指标进行试验。

2.断路器分断能力选择

对断路器分断能力进行判定的一个基础原则就是断路器的短路分断能力要大于线路的预期短路电流。如果短路点周围所连电动机的额定电流相加大于短路电流的1%，这时就应该考虑电动机反馈电流的作用。根据短路电流这一物理变化过程，我们不难理解，针对A类、B类断路器固有分断的动作时间不同，当动作时间大于0.04s时，不考虑短路电流的非周期分量，即三相短路电流为短路电流周期分量的有效值；当动作时间小于0.02s时，应考虑短路电流的非周期分量，即三相短路电流为短路冲击电流。在低压电网中，短路电流周期分量有效值验证断路器额定极限短路分断能力应采用安装处预期短路电流周期分量的有效值；但是在实际应用中，此类断路器用于配电支路、线路发生三相短路时，其短路电流首先经过暂态过程。

3.额定短路分断能力的改进

线路发生三相短路时，其短路电流首先经过暂态过程，线路发生短路故障，绝大部分发生在支路里，在这些故障中，相邻两相之间的故障占7.8%，其短路值不大，相对地已经完全能满足需要。如果线路很长，建议再安装电路末端保护用小型断路器。单相短路电流与断路器的瞬动整定电流之比，必须大于或等于1.35。可以考虑采用以下的方法来改进低压断路器额定断路分断能力：保持灭弧室的高压力，并不断地进行高压吹弧，促进电弧运动，降低电弧停滞时间，这样可以减少电弧冷却的时间；为了增大短路电流时的电动斥力，可以通过合理设计动静触头闭合时处于平行位置的结构，来提高其限流能力设计出气孔的尺寸，让它能够与电弧的缓冲区相匹配；同时，可优化灭弧栅的结构，来提高灭弧室的吸弧能力。

4.短路电流的计算

需要注意的是，在电力系统的高压短路电流计算过程中，一些元件的电阻值常常会被忽略，并且不需要考虑电动机反馈电流造成的影响。但是在进行低压短路的计算时，一些元件电阻的影响不可以被忽略。依据相关规范，对短路条件下电器通断能力进行验证时，应选取安装处预期短路电流周期分量的有效值，如果短路点周围所连电动机的额定电流相加大于短路电流的1%，应当计入电动机反馈电流的影响。

4.1 计算变压器最大预期短路电流时通常使用的公式：

I（变压器最大预期短路电流）=I2（变压器二次侧电流）/Uk（变压器的短路电压比）

4.2 低压网络三相短路电流有效值I″：

其计算公式为

（其中，rk为短路电路总电阻；xk为短路电路总电抗）

低压断路器分断能力校验的过程就通过公式计算短路电流，再与断路器的分断能力进行比较。很显然，这个公式的计算相对复杂冗繁，在具体实践工作中并不适用。

三、改进额定短路分断能力时需要注意的问题

1.首先，线缆如果没有完全绝缘或者短路，那么不是人为因素，就是其他原因导致的线路老化。所以需要定期的检查，在施工的时候及时排查，改进施工的技术，避免人为方面造成的线路受损影响绝缘效果；同时要注意天气的影响，尤其是夏季打雷等自然现象。

2.如图1所示，当断路器出线端发生短路的时候。分段能力应该需要保证大于三相短路电流Ik1或者Ik2。因此，两台断路器QF1或者QF2的分段能力都应该按照比较大的预期短路电流来选取。

3.在不考虑阻抗影响的条件下，当断路器在出线端处发生短路时，理论上断路器流过的电流是Ik1+Ik2。但是在实际计算短路电流时，通常是按照一路进线查附表得出相应电流值，再将两个短路电流值相加，然后根据前面的分析思路来选取分路断路器设备及部件。

结语

提高分断能力是小型断路器未来的发展方向之一，相关行业人员要加强理论知识的学习和提高应用能力，不断提高自己的维护维修技能和水平，降低产品的研发和制造成本，适应机电设备最新技术发展趋势。同时，在日常的实际工作中要定期对设备进行检查，对易发故障的设备做好维护工作，如果对短路分断能力能够采取新的考核方式，不仅可以提高操作中的安全效益，同时运行成本也会大大地降低。

参考文献

[1]陈军，梁海霞，张荣焱，等.低压配电网短路电流的计算[J].电气应用，2009（1）：14-17.

[2]任丽娜，陈军.双复数阻抗矩阵节点导纳法实现低压短路电流计算[J].电气应用，2009（1）：56-61.