50Hz、60H峰值短路電動流對比

涂治宇++簡曉剛

摘 要通過闡述交流短路電流的原理，揭示了50Hz和60Hz峰值短路電流的關系，為計算峰值短路電流、峰值短路電動力鋪墊了基礎；為不同工作頻率下的產品進行區別地設計和考核提供了理論依據。

【關鍵詞】電力系統頻率 峰值短路電流 非周期分量 周期分量

1 前言

電力系統頻率是指電力系統的運行參數。電力系統的頻率取決于負荷的頻率特性和發電機的頻率特性。中國、東南亞國家和歐洲國家電力系統采用50Hz頻率，而美國、日本、加拿大及臺灣地區等則采用60Hz頻率。隨著國內高壓開關技術的發展與成熟，各廠家陸續開始生產60Hz電網需求的訂單。不同頻率的產品需要區別地進行設計和試驗考核。由于50Hz和60Hz 下短路峰值電流不同，因此在電動力計算和母線校核時需要區別對待。

2 50Hz、60H峰值短路電動流對比

由于交流電隨著時間作正弦變化，導體間電動力也相應作脈動變化。但交流電路的短路電流更為復雜，電流中除正弦周期分量外通常還含有非周期分量，非周期分量電流值大小與發生短路時的電壓相位角有關。

非周期分量的產生是由于短路回路中存在著電感，根據楞次定律理論，短路瞬間短路電流不能突變而產生。在短路瞬間為了維持電流的連續性，系統在短路回路中產生一個自感電流來阻止電流的突變，這個自感電流就是非周期分量。短路電流的非周期分量是按指數規律衰減，其衰減快慢取決于短路回路的時間常數t，一般在0.2S即衰減到初值的2%。如圖1所示。

不含周期分量和含有非周期分量的短路電流表達式分別如下：

i=Im sin（ωt） （1）

（2）

式中：

Icc——額定短路電流的有效值，電力設備通常按照標準將其為12.5kA、16kA、20kA、25kA、31.kA、40kA、50kA等。

?——短路瞬間電壓的相位角。

φ——電流滯后于電壓的相位角。

R——線路電阻。

L——線路電感。

R/L——短路電流非周期分量的衰減系數，系統平均值約為22.311S-1。

從含有周期分量的短路電流表達式可以看出，第一項為電流的周期分量，即穩態分量；第二項為電流的非周期分量即瞬態分量。由上式可以看出，當?= φ時非周期分量電流為零，即電流是周期回路；當?-φ=-π/2時周期分量最大，瞬態分量最大，也就是短路電流的最大值。此時交流電短路電流公式為：

（3）

圖2中：

is——短路電流。

Ism——含非周期分量短路電流最大值。

Im——周期分量短路電流最大值。

is1——短路電流周期分量。

is2——短路電流非周期分量。

對于50Hz電網，交流電頻率f=50Hz，交流電流以20mS為周期變化。對于公式2.29，當ωt=π，即半周期10mS時短路電流達到最大，電動力也達到峰值。同樣的對于60Hz電網，交流電頻率f=60Hz，交流電以17mS為周期變化。對于上式當ωt=π，即半周期8.3mS時短路電流達到最大，峰值電流結果分別如下。

（4）

（5）

由此可見，60Hz系統的峰值短路電動力大于50Hz。在普通電力系統（R/L=22.311S-1）中，峰值短路電流60Hz約為50Hz的1.04倍，峰值短路電動力60Hz約為50Hz的1.08倍。

正如公式2.20和公式2.21計算所示，與50Hz相比60Hz達到峰值的半波時間從10mS縮短到8.3mS，峰值電流沖擊系數，即峰值電流Ism與交流分量有效值Icc的比值，50Hz為2.5，60Hz為2.6。例如，額定斷流電流31.5KA在50Hz頻率下的考核的峰值短路電流為80KA，而在60Hz頻率下考核為82KA，額定短路電流為40KA在50Hz和60Hz條件下分別為100KA和104KA。因此，在開關產品設計時，需要考慮頻率對電動力峰值的影響。

3 總結

（1）相同短路條件下，60Hz電力系統電流達到短路峰值更早，60Hz情況下為8.3mS，50Hz情況下為10mS。

（2）因短路周期不同，60Hz電力系統峰值短路電流Ism是額定短路電流的2.6倍，50Hz是額定短路電流的2.5倍。

（3）通過理論計算可得，相同短路條件下60Hz電力系統更為嚴酷，6Hz峰值短路電動力為50Hz短路電動力的1.1倍。

作者單位

同濟大學 上海市 200092