民用建筑柴油發電機組沖擊短路電流的簡易計算方法

李沛巖/許冬梅/李維時/龐曉霞

(中國建筑設計院有限公司,北京 100044)

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民用建筑柴油發電機組沖擊短路電流的簡易計算方法

李沛巖/許冬梅/李維時/龐曉霞

(中國建筑設計院有限公司,北京 100044)

0　引言

在民用建筑中，柴油發電機組是確保重要負荷連續供電的備用電源或應急電源，通常為消防、通信、計算中心及其他重要負荷供電。在柴油發電機組供電系統中，低壓電器設備需依據柴油機組的短路電流進行選擇，而柴油機組的短路電流計算復雜，在實際工程中進行精確計算較為困難。本文依據我國民用建筑設計中普遍采用的柴油機配電方式和民用建筑設備情況，提出一種較為簡易的柴油機組短路電流計算方法，便于在保證質量的情況下提高設計效率。

1　民用建筑柴油機短路的特點

與市政電網供電系統相比，民用建筑常用的柴油機電源容量小、自成閉式供電系統，且與市政電網之間只切換不并網，其供電系統中異步電動機(如消防水泵、消防風機等)較多，且單臺容量的大小與發電機容量相當，在計算中不能忽略，發電機和電動機均可作為短路電流的供給源，并按短路點靠近發電機的系統短路計算短路電流。

柴油發電機供電系統短路的主要特點是發電機母線上的電壓不能維持恒定，短路電流周期分量和非周期分量均隨時間變化。由于發電機轉子勵磁繞組和阻尼繞組的去磁作用，使得轉子繞組的磁鏈在短路瞬間保持不變，而電壓則呈現出由短路瞬間電壓值經歷次暫態及暫態逐漸衰減至穩態的變化過程；此過程中，電動機由于慣性也作為短路電流的供給源，電壓也呈逐漸衰減的變化過程，故可以認為此供電系統短路電流的產生為發電機和電動機共同作用的結果[1]。

2　沖擊短路電流計算

2.1發電機沖擊短路電流計算

2.1.1發電機的主要參數

發電機直軸超瞬變電抗X″d是發電機在運行中三相突然短路最初瞬間的過渡電抗，結構上，X″d主要由發電機定子繞組和阻尼繞組的漏抗值決定。在發電機突然短路時，由于轉子的勵磁繞組和阻尼繞組感應出對電樞反應磁通，起去磁作用的電流，使電樞反應磁阻極大，故其相對應的直軸電抗極小，這個等效電抗即為X″d。在有阻尼繞組的發電機突然短路時，定子短路電流周期分量有效值I″由超瞬變電抗X″d限制。

2.1.2發電機沖擊短路電流計算

一般在建筑內為部分設備供電的柴油機布置相對集中，一組母線段多采用一臺柴油機或兩臺相同型號的柴油機并車運行，沖擊短路電流可按單一發電機或兩臺發電機疊加考慮。由于發電機出口至主母線處的設備施工質量普遍較好，多數短路情況不會發生，因此不考慮不對稱短路電流大于三相短路電流的情況以及近端短路時直流分量的影響。

發電機空載時，忽略由短路瞬態時間常數決定的瞬態電流的衰減和電樞電阻的影響，計算短路1/2周期后的短路電流，則發電機口部最大相電流的周期分量iz·G0和非周期分量if·G0的計算式[2]為：

(1)

(2)

式中，U為相電壓，V；t 為短路時間，s；T″d為發電機超瞬態時間常數；Td為發電機電樞回路時間常數。

發電機帶負載時，電流周期分量增加，按電流周期分量1.1倍考慮，即周期分量iz·G，則非周期分量if·G為：

(3)

(4)

以t=0.5T，即t=0.01s時的數值作為短路時間，則柴油機出口處的沖擊短路電流為：

(5)

式中，T為系統周期，s。

考慮由柴油機至短路點處線路的電阻、電抗影響，其短路電流沖擊值ikG·p為：

(6)

式中，XL為線路電抗，Ω；RL為線路電阻，Ω。

2.2電動機的沖擊短路電流計算

建筑內電機多采用感應異步電機，應用位置較為分散，距離短路點的電氣距離難以逐一確定，且電機型號各異，其短路電流較難統計；而從負荷性質角度考慮，柴油機系統中負荷相對重要，其中消防負荷更是要保證在負荷電流過載的情況下仍能繼續供電。故筆者認為，電動機的沖擊短路電流計算可以以供電范圍內電機的容量為基礎，進行近似計算。

直接啟動的感應電動機作為附加電流源，其反饋的短路電流的超瞬態值與電機堵轉電流值有直接關系，而堵轉電流與電機啟動峰值電流從數值上是相等的，因此，可以認為通過電機產品數據提供的啟動電流近似處理電機的短路電流沖擊值的計算[3]，則電動機反饋短路電流沖擊值ikM·p為：

(7)

式中，KxMi為第i臺電動機校正系數，依據電動機與短路點的電氣距離，可取0～1.0；KpMi為第i臺電動機反饋電流峰值系數，依據電動機容量情況，一般可取1.0～1.7，在民用建筑一般取1.2；KstMi為第i臺電動機的反饋電流倍數，取起動電流倍數；IrMi為第i臺電動機額定電流，A。

在考慮計入電動機的短路電流時，還需綜合考慮電動機的容量和離短路點的電氣距離。一般情況下，在異步電動機容量較大，且在短路點附近時予以考慮異步電動機對短路電流的影響，距離較遠時，由于線路的損耗沖擊反饋電流較小，則不予考慮影響。

2.3總沖擊短路電流的計算

綜合考慮柴油機至短路點處沖擊短路電流和電動機沖擊短路電流，總沖擊短路電流[3]為：

(8)

3　計算舉例

某辦公樓柴油發電機供電系統短路情況如圖1所示。選定發電機型號為IFC5-502-8、590kVA、472kW，同時運行的電動機m1～10共30臺，總功率120kW，另外在短路點電氣距離較近處有一臺150kW的電動機M，短路點k在距發電機40m遠的分配電盤上，求k點的短路電流。

圖1　柴油機供電系統短路示意圖

1)柴油機特性數據

2)電纜

(3×240+2×120)mm2、40m長的電纜參數：R1=3.64mΩ，X1=3.08mΩ。

3)柴油機沖擊短路電流

=4.16kA

=12.11kA

4)電動機沖擊短路電流

太陽能電動機M的校正系數KxM1為1，沖擊反饋電流ikM1·p為：

=3.72kA

考慮將電動機m1～10看作 1臺，因其較為分散，校正系數KxMi可取0.5，反饋沖擊電流ikM2·p為：

=1.49kA

5)總沖擊短路電流

=12.11+3.72+1.49

=17.32kA

4　結束語

通過提出的一種計算民用建筑柴油機系統短路電流的簡易方法，為合理選擇電器設備提供了有力依據，并有效提高了計算柴油機系統的沖擊短路電流的效率。由于本方法并未考慮不對稱短路電流大于三相短路電流的情況以及近端短路時直流分量的影響，得出的計算值較實際值偏大，僅宜作為快速選擇電器的參考。如果針對的是重要項目中的柴油機供電系統，仍需按更為精確的方法全面核算沖擊短路電流。

[1]李光琦.電力系統暫態分析[M].第三版,北京:中國電力出版社,2007.

[2]中國航空工業規劃設計研究院.工業與民用配電設計手冊[M].第三版,北京:中國電力出版社,2005.

[3]《鋼鐵企業電力設計手冊》編委會.鋼鐵企業電力設計手冊[M].北京:冶金工業出版社,1996.

A Simple Calculation Method of Short-circuit Current for Diesel Generator Sets in Civil Buildings

Li Peiyan/Xu Dongmei/Li Weishi/Pang Xiaoxia

根據柴油發電機組供電系統在民用建筑中的應用特點，提出一種簡易計算該類系統內沖擊短路電流的方法。通過該方法計算的沖擊短路電流，可為校核電器的短路特性提供參考依據。

柴油發電機短路電流計算

According to the characteristics of the power supply system of diesel generator set in civil buildings,a simple method is proposed to calculate the short-circuit current,which can provide reference for checking short-circuit characteristics of electrical apparatus.

diesel generator,short-circuit current calculation