低压成套开关设备母线额定短时耐受电流的选择

曾智桢

摘 要：低压成套开关设备中，基本结构、使用条件、母线的材质不同等都影响额定短时耐受电流的选择。合理选择母线参数，可降低设备投资。因此，本文对母线额定短时耐受电流的选择进行探讨，并给出母线额定短时耐受电流、额定峰值耐受电流选择的建议。

关键词：低压成套开关设备；母线；短時耐受电流；短路电流

1 低压成套开关设备简介

我国现行标准将用于交流50Hz（或60Hz）、额定电压在交流1000V、直流1500V以下的电路中起通断、保护、控制或调节作用的电器称为低压电器。在配电系统中，低压成套开关设备主要由各种低压电器构成。

主母线又称为水平母线，配电母线又称为垂直母线。母线通常在设备中起着电能传输作用，是完成电气连接用的一种导体，它还要承载着故障状态下短路电流的考核。 低压成套开关设备的母线选型的主要技术参数有额定电压、额定电流、额定短时耐受电流、额定峰值耐受电流、规格、温升等。

低压成套开关设备现行标准（以下简称《成套设备》）中规定了额定短时耐受电流、 额定峰值耐受电流之间的关系，两者可以认为是等价的。本文就母线的额定短时耐受电流的选择进行讨论。

2 短路对低压成套开关设备母线的影响

当2根平行导体中分别有电流i1和i2通过时，导体间相互作用力F为：

可见导体间作用力与流过导体的电流及导体的长度有关系。在低压成套开关设备中，短路电流一般为额定电流的数十倍，因此导体间作用力远大于正常运行时的受力。同时水平母线通常情况下长度较长，所以短路电流产生的电动力主要作用于主母线上，短路会对母线系统产生极大的电动力冲击。三相短路时母线作用力最大，承受应力也最大。

当系统发生短路时，短路电流做功会在各个导电部分产生剧烈的发热。按照实用计算法，短路电流在导体和电器中引起的热效应Qi为：

一般情况下短路电流的作用时间很短，短路电流流过导电部件后产生的热量来不及散发，导电部件就有可能因为发热而变形。当低压成套开关设备发生短路时，母线和开关电器剧烈发热并承受巨大的电动力，断路器等开关电器也承载了短路电流的影响。由于断路器等开关电器尺寸较小，所以短路电动力不会对开关电器产生大的冲击。真正承受短路电流热冲击和力冲击的是低压成套开关设备的母线系统，特别是水平母线系统。垂直母线系统由于长度较短，受到的冲击小于水平母线系统。

3 短时耐受电流的定义及关系

开关设备必须经过短路稳定校验，包括热稳定校验和动稳定校验。开关设备的热稳定性用额定短时耐受电流表示，《成套设备》对于额定短时耐受电流（ICW）定义为：成套设备制造商宣称的，在规定条件下，用电流和时间定义的能够耐受的短时电流有效值。

开关设备的动稳定性用额定峰值耐受电流表示，《成套设备》对于额定峰值耐受电流（IPK）定义为：成套设备制造商宣称的，在规定条件下能够承受的短路电流峰值。

《成套设备》规定峰值电流值应用短路电流的有效值乘以系数n获得。系数n的值和相应的功率因数见表1。

《成套设备》中规定额定短时耐受电流时间为0.2s、1s、3s。《低压开关设备和控制设备第2部分：断路器》（GB 14048.2-2008）中断路器的额定短时耐受电流最大优选值为1s。因此通常成套设备的额定短时耐受电流时间按照1s考虑。

4 短时耐受电流的计算

按照变压器高压侧上级电网短路容量无穷大，变压器及低压侧母线等导线阻抗忽略，变压器低压出口处三相短路电流最大值（有效值）为：

该方法计算得出的短路电流值较非对称分析法略大，在工程分析中能够满足相关要求。

《成套设备》中要求：成套设备应能够耐受不超过额定值的短路电流所产生的热应力和电动应力。因此选择水平母线ICW 时考虑1.1倍的安全系数，ICW、IPK的计算见表2。

上述计算针对单台变压器情况。如果存在变压器并联运行的情况，理论上短路电流会成倍叠加。对于阻抗电压7%的变压器，或者上级电网短路容量有限的情况，短路电流会相应减小。

对于一般配电系统，上级电网容量有限，因此表"计算所得的短路电流可以认为是水平母线所承受的最大短路电流。垂直母线规格小于水平母线，其阻抗大，短路电流相应减小，工程应用中简化处理可按照表2中短路电流值计算值选择。

5 短时耐受电流的选择

《成套设备》与2005版相比，其重要改动之一就是通过验证方式取消了型式试验成套设备和部分型式试验成套设备的区别，采用3种不同但等效的验证要求的形式：验证试验、验证比较和验证评估。型式试验既是对产品的验证，又是设计产品的重要依据。对制造商而言，型式试验要支付相当的费用，才能获得改型开关柜的生产许可。

短路电流的计算值只能作为参考值，不能作为产品的性能说明。所以水平母线及垂直母线的短路参数，只能依据型式试验的结论。

3种主流产品的型式试验数据见表3。

水平母线额定电流500A的低压成套开关设备通常配置2500kVA的变压器， 其三相短路电流最大计算值为60.14kV，表中水平母线及垂直母线短时耐受电流值分别为80/65（kA/1s）、100/65（kA/1s）、100/80（kA/1s）。可见垂直母线的短时耐受电流值均小于水平母线短时耐受电流值。

因此，成套设备的水平母线额定短时耐受电流按照三相短路电流最大计算值，考虑1.1倍的安全系数选择；垂直母线的额定短时耐受电流按照三相短路电流最大计算值选择；其对应峰值耐受电流按照表1对应n值计算即可。部分设计人员在设计中一味追求水平母线及垂直母线的额定短时耐受电流、额定峰值耐受电流，实际应用中系统根本无法达到此种短路电流情况，造成设备及投资浪费。

6 结语

作为低压成套开关设备母线系统的重要参数，母线的额定短时耐受电流、额定峰值耐受电流应根据系统情况进行短路电流计算校验后再选择。设备采购时，必须要求厂家提供成套设备的型式试验报告。

电气设计人员应熟悉国家标准要求，通过分析计算及合理选型，在满足设备安全性的前提下，降低设备投资，提高经济效益。

参考文献：

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