50Hz、60H峰值短路电动流对比

涂治宇++简晓刚

摘 要通过阐述交流短路电流的原理，揭示了50Hz和60Hz峰值短路电流的关系，为计算峰值短路电流、峰值短路电动力铺垫了基础；为不同工作频率下的产品进行区别地设计和考核提供了理论依据。

【关键词】电力系统频率 峰值短路电流 非周期分量 周期分量

1 前言

电力系统频率是指电力系统的运行参数。电力系统的频率取决于负荷的频率特性和发电机的频率特性。中国、东南亚国家和欧洲国家电力系统采用50Hz频率，而美国、日本、加拿大及台湾地区等则采用60Hz频率。随着国内高压开关技术的发展与成熟，各厂家陆续开始生产60Hz电网需求的订单。不同频率的产品需要区别地进行设计和试验考核。由于50Hz和60Hz 下短路峰值电流不同，因此在电动力计算和母线校核时需要区别对待。

2 50Hz、60H峰值短路电动流對比

由于交流电随着时间作正弦变化，导体间电动力也相应作脉动变化。但交流电路的短路电流更为复杂，电流中除正弦周期分量外通常还含有非周期分量，非周期分量电流值大小与发生短路时的电压相位角有关。

非周期分量的产生是由于短路回路中存在着电感，根据楞次定律理论，短路瞬间短路电流不能突变而产生。在短路瞬间为了维持电流的连续性，系统在短路回路中产生一个自感电流来阻止电流的突变，这个自感电流就是非周期分量。短路电流的非周期分量是按指数规律衰减，其衰减快慢取决于短路回路的时间常数t，一般在0.2S即衰减到初值的2%。如图1所示。

不含周期分量和含有非周期分量的短路电流表达式分别如下：

i=Im sin（ωt） （1）

（2）

式中：

Icc——额定短路电流的有效值，电力设备通常按照标准将其为12.5kA、16kA、20kA、25kA、31.kA、40kA、50kA等。

?——短路瞬间电压的相位角。

φ——电流滞后于电压的相位角。

R——线路电阻。

L——线路电感。

R/L——短路电流非周期分量的衰减系数，系统平均值约为22.311S-1。

从含有周期分量的短路电流表达式可以看出，第一项为电流的周期分量，即稳态分量；第二项为电流的非周期分量即瞬态分量。由上式可以看出，当?= φ时非周期分量电流为零，即电流是周期回路；当?-φ=-π/2时周期分量最大，瞬态分量最大，也就是短路电流的最大值。此时交流电短路电流公式为：

（3）

图2中：

is——短路电流。

Ism——含非周期分量短路电流最大值。

Im——周期分量短路电流最大值。

is1——短路电流周期分量。

is2——短路电流非周期分量。

对于50Hz电网，交流电频率f=50Hz，交流电流以20mS为周期变化。对于公式2.29，当ωt=π，即半周期10mS时短路电流达到最大，电动力也达到峰值。同样的对于60Hz电网，交流电频率f=60Hz，交流电以17mS为周期变化。对于上式当ωt=π，即半周期8.3mS时短路电流达到最大，峰值电流结果分别如下。

（4）

（5）

由此可见，60Hz系统的峰值短路电动力大于50Hz。在普通电力系统（R/L=22.311S-1）中，峰值短路电流60Hz约为50Hz的1.04倍，峰值短路电动力60Hz约为50Hz的1.08倍。

正如公式2.20和公式2.21计算所示，与50Hz相比60Hz达到峰值的半波时间从10mS缩短到8.3mS，峰值电流冲击系数，即峰值电流Ism与交流分量有效值Icc的比值，50Hz为2.5，60Hz为2.6。例如，额定断流电流31.5KA在50Hz频率下的考核的峰值短路电流为80KA，而在60Hz频率下考核为82KA，额定短路电流为40KA在50Hz和60Hz条件下分别为100KA和104KA。因此，在开关产品设计时，需要考虑频率对电动力峰值的影响。

3 总结

（1）相同短路条件下，60Hz电力系统电流达到短路峰值更早，60Hz情况下为8.3mS，50Hz情况下为10mS。

（2）因短路周期不同，60Hz电力系统峰值短路电流Ism是额定短路电流的2.6倍，50Hz是额定短路电流的2.5倍。

（3）通过理论计算可得，相同短路条件下60Hz电力系统更为严酷，6Hz峰值短路电动力为50Hz短路电动力的1.1倍。

作者单位

同济大学 上海市 200092