核電廠蓄電池直流系統(tǒng)短路電流的計(jì)算方法及其危害分析

孔凡華，尚艷菲

(福建福清核電有限公司，福建 福州 350318)

隨著研究的不斷深入，關(guān)于交流系統(tǒng)的短路電流計(jì)算已是非常清晰和完善。而對(duì)于直流系統(tǒng)的短路電流計(jì)算，國(guó)內(nèi)雖然已有電力行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)[5,8]作為指導(dǎo)，但是對(duì)于直流系統(tǒng)短路后的電流變化曲線、短路故障的切除時(shí)間仍無(wú)明確的描述。

核電廠蓄電池直流系統(tǒng)以其固有的持續(xù)供電能力，保證了負(fù)載的持續(xù)供電，因此，研究直流系統(tǒng)在蓄電池帶載工況下的短路電流具有非常重要的意義。本文在參考IEEE及IEC標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)備選型和金屬導(dǎo)線的熔斷特性，對(duì)短路電流變化曲線、短路故障的切除時(shí)間給出了定量分析。

1 核電廠直流系統(tǒng)介紹

一般的，核電廠的直流系統(tǒng)為IT系統(tǒng)[5]，即：電力系統(tǒng)與大地間不直接連接，電氣裝置的外露可接近導(dǎo)體，通過保護(hù)接地線與接地極連接。

一個(gè)核電廠的典型直流系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，由交流電源、充電器、蓄電池、直流母線、負(fù)載等共同構(gòu)成。

圖1 電廠直流系統(tǒng)典型圖Fig.1 Typical diagram of DC system

2 核電廠直流系統(tǒng)短路類型

直流系統(tǒng)的短路，是指正極和負(fù)極之間不經(jīng)過用電設(shè)備，正負(fù)極直接連接或通過公共導(dǎo)體連接形成閉合回路的過程。

2.1 正負(fù)極直接連接

正負(fù)極直接連接是指由于電纜破損、異物侵入、用電設(shè)備內(nèi)部故障等造成的正極和負(fù)極直接連接在一起的情況。

2.2 正負(fù)極經(jīng)公共導(dǎo)體連接

正負(fù)極經(jīng)公共導(dǎo)體連接，最常見的是由接地故障引起，正負(fù)極通過共用的接地線而形成閉合回路。

核電廠的直流系統(tǒng)為IT系統(tǒng)，如果正、負(fù)極只有一極接地時(shí)，對(duì)直流系統(tǒng)的運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生影響，系統(tǒng)可以持續(xù)對(duì)下游負(fù)載進(jìn)行供電。

如果單點(diǎn)接地不及時(shí)處理的話，同時(shí)疊加另一極的一點(diǎn)接地時(shí)，正負(fù)極將經(jīng)過共用接地線而短路，會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生影響，這種疊加接地的工況統(tǒng)稱為多點(diǎn)接地。

3 蓄電池直流系統(tǒng)短路電流計(jì)算

3.1 直流系統(tǒng)短路電流影響因素

在IEC中明確了核電廠和變電站的直流系統(tǒng)短路電流準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法[4]，并指出了對(duì)直流系統(tǒng)短路電流產(chǎn)生影響的4種來(lái)源：

1)頻率為50 Hz或60 Hz的三相交流電橋整流裝置；

2)固定型鉛酸蓄電池組；

3)濾波電容；

4)直流電動(dòng)機(jī)。

如果在直流系統(tǒng)中只有一種來(lái)源，那么短路電流計(jì)算時(shí)，只需要考慮單一來(lái)源的影響即可。如果有多種來(lái)源，那么在短路電流計(jì)算時(shí)，均要考慮在內(nèi)。

3.2 蓄電池直流系統(tǒng)短路電流計(jì)算方法

本文只分析蓄電池帶載工況下的短路電流，因此，不計(jì)及充電裝置、濾波電容、直流電動(dòng)機(jī)等的助增電流，IEC中，定義了公式(1)及參數(shù)。

RBB=0.9RB+RBL+RY

LBB=LB+LBL+LY

(1)

式中，RB——短路情況下的蓄電池內(nèi)阻，一般由制造商給出。如果對(duì)于一個(gè)放電結(jié)束狀態(tài)蓄電池的內(nèi)阻RB未知的話，可以使用正常充電蓄電池的內(nèi)阻乘以1.7的系數(shù)來(lái)確定;

LB——短路情況下的蓄電池電感。如果包含連接導(dǎo)體部分的單節(jié)蓄電池的電感沒有明確值的話，可以使用L=0.2 μH;

RBB——短路情況下蓄電池回路所有元件電阻;

LBB——短路情況下蓄電池回路所有元件電感;

RBL——蓄電池回路的導(dǎo)體電阻;

LBL——蓄電池回路的導(dǎo)體電感;

RY——負(fù)載回路的電阻;

LY——負(fù)載回路的電感;

EB——蓄電池開路電壓，如果開路電壓未知的話，可以按照U=2.0 V/節(jié)乘以蓄電池?cái)?shù)量N進(jìn)行計(jì)算。一般的，可以假定充滿電的蓄電池為EB=1.05NU，未充電或放電結(jié)束的蓄電池為EB=0.9NU。

僅蓄電池供電工況下短路電流的變化趨勢(shì)，如圖2所示，在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到短路電流峰值，然后電流會(huì)逐漸減小至準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)短路電流，并由蓄電池的持續(xù)供電，直至蓄電池電量耗盡或其他原因擺脫短路工況：

圖2 短路電流與時(shí)間的近似函數(shù)關(guān)系[4]Fig.2 Standard approximation function relationship between short-circuit current and time注：ip—短路電流峰值；tp—到達(dá)短路電流峰值的時(shí)間；Ik—達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)的電流；τ1—上升時(shí)間常數(shù)；τ2—下降時(shí)間常數(shù)；Tk—短路電流的持續(xù)時(shí)間

準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)短路電流為：

(2)

短路電流峰值為：

(3)

(4)

圖3 到達(dá)峰值電流的時(shí)間tpB、上升時(shí)間常數(shù)τ1B、下降時(shí)間常數(shù)τ2B與之間的函數(shù)關(guān)系[4]Fig.3 Time to peak tpB and rise time constant τ1B as a function of

下降時(shí)間常數(shù)τ2B假定為一個(gè)固定值：

τ2B=100 ms

(5)

4 不同短路點(diǎn)短路電流計(jì)算

通過上文的分析，不管是由于多點(diǎn)接地造成正負(fù)極之間短路，還是正負(fù)極之間由于其他原因短路，最終都是通過產(chǎn)生的電流，進(jìn)而引起電壓的變化而造成影響。本文中對(duì)蓄電池直流系統(tǒng)短路電流進(jìn)行計(jì)算和分析，旨在提供一種直流系統(tǒng)的短路電流的計(jì)算方法，并進(jìn)而提高直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性和供電可靠性。使得直流系統(tǒng)的短路，從如何形成、如何發(fā)展，到最后有何影響進(jìn)行清晰、準(zhǔn)確的描述，降低對(duì)直流系統(tǒng)多點(diǎn)接地、系統(tǒng)短路的恐懼。

本文進(jìn)行計(jì)算時(shí)，以圖4的48 V直流系統(tǒng)為例，對(duì)于其他電壓等級(jí)的短路電流計(jì)算，方法是相同的。

圖4 蓄電池短路計(jì)算等效電路圖Fig.4 The equivalent circuit of battery short circuit calculation

4.1 蓄電池出線端短路-故障點(diǎn)FB

按照?qǐng)D1給出的信息，可得：

RB=0.45×23=10.35 mΩ

LB=0.2×23=4.6 μH

在不計(jì)短路點(diǎn)的接觸電阻時(shí)，得出：

τ2B=100 ms

τ1B=0.52 ms

tpB=3 ms

即蓄電池出線側(cè)出現(xiàn)正負(fù)極短路問題時(shí)，將在3 ms內(nèi)達(dá)到峰值電流4 923 A，若短路持續(xù)發(fā)展，蓄電池能持續(xù)供電，且保護(hù)均不動(dòng)作、導(dǎo)線均未熔斷的情況下，則最終的短路準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)電流為4 433 A。

但電流的持續(xù)時(shí)間真的能達(dá)到那么長(zhǎng)的時(shí)間嗎？這就取決于回路中的保護(hù)動(dòng)作速度及短路點(diǎn)是否熔斷。

本例中講的是蓄電池出線側(cè)正負(fù)極短路，在該回路中，并無(wú)保護(hù)裝置，因此，電流會(huì)持續(xù)，直至蓄電池?fù)p壞無(wú)法供電或短路點(diǎn)熔斷。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[9]，計(jì)算直接引用公式：

(6)

進(jìn)而推導(dǎo)出：

(7)

式中：J——短路部位電流密度，單位A/mm2;

S——短路點(diǎn)接觸面積，單位mm2;

t——短路電流持續(xù)時(shí)間。

由于短路點(diǎn)并不是正負(fù)極的導(dǎo)線的全接觸，更多故障情況下是點(diǎn)接觸。在點(diǎn)接觸時(shí)，由于接觸面積小，因此，電流密度大，導(dǎo)線會(huì)由于熔斷而斷開連接，假設(shè)短路部位截面積為1 mm2時(shí)，按照準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)短路電流計(jì)算短路點(diǎn)熔斷時(shí)間為：

假設(shè)短路部位截面積為4 mm2時(shí)，按照準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)短路電流計(jì)算短路部位熔斷時(shí)間為：

但當(dāng)短路部位截面積>6.81 mm2時(shí)，由于電流密度已小于651 A/mm2，此時(shí)，短路電流可能會(huì)持續(xù)存在，短路點(diǎn)可能不會(huì)熔斷，直至被人為斷開或蓄電池電量放盡。

在實(shí)際工作中，短路接觸部位為點(diǎn)接觸，接觸面積都很小，在短路部位熔斷后，由于重力或?qū)Ь€本身張力等的作用，短路部位碳化等，短路點(diǎn)將斷開。本文為定性分析，在進(jìn)行故障最短切除時(shí)間時(shí)，選擇≤1 mm2作為短路故障點(diǎn)的接觸面積。

但是，也應(yīng)該充分認(rèn)識(shí)到實(shí)際故障發(fā)生的多樣性，短路點(diǎn)并不總是會(huì)熔斷。例如：短路點(diǎn)由于重力作用而接觸時(shí)，由于重力作用會(huì)隨著接觸部位的融化接觸面積會(huì)增大也是有可能的；也可能會(huì)存在彈力、浮力等導(dǎo)致的接觸，也會(huì)存在類似的問題。

同時(shí)，也需注意蓄電池短路的危險(xiǎn)性：如果未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并斷開的話，由于大電流通過蓄電池，電解液溫度會(huì)上升，可能會(huì)引起人員燙傷。同時(shí)，短路點(diǎn)由于接觸電阻較大，溫度會(huì)急劇上升，甚至產(chǎn)生電火花，如果故障點(diǎn)發(fā)生在蓄電池正負(fù)極的接線端子，可能會(huì)引燃蓄電池外殼進(jìn)而引爆電解液，因此對(duì)于這類故障要充分重視。如果故障點(diǎn)不在蓄電池本體，而距離較遠(yuǎn)時(shí)，電解液體溫度會(huì)上升，通過蒸發(fā)可以帶走熱量，一般不會(huì)引發(fā)火災(zāi)或爆炸。

4.2 開關(guān)柜進(jìn)線端短路-故障點(diǎn)FBL

根據(jù)圖1中的電纜信息：

RBL=1.1 mΩ

LBL=0.15 μH

在不計(jì)短路點(diǎn)的接觸電阻時(shí)，得出：

短路點(diǎn)熔斷時(shí)間：

t1=1.5 ms

蓄電池出線至開關(guān)柜的回路中配置的NH4a-800 A，gL/gG的熔斷器，如短路故障發(fā)生在熔斷器進(jìn)線端，由于故障電流不通過熔斷體，故熔斷器開關(guān)無(wú)法起到保護(hù)作用；若短路故障發(fā)生在熔斷器的出線端，則根據(jù)熔斷器的脫扣曲線，在4 007 A故障電流下，其熔斷時(shí)間約為4 s,通過熔斷器熔斷可將故障點(diǎn)切除，避免故障點(diǎn)持續(xù)放電。

4.3 第一級(jí)負(fù)載短路—故障點(diǎn)FY1

根據(jù)圖1的電纜信息，可得：

RY1=131.4 mΩ

LY2=3.04 μH

在不計(jì)短路點(diǎn)的接觸電阻時(shí)，得出：

由于故障電流較小，在接觸面積為1 mm2時(shí)，短路點(diǎn)不會(huì)熔斷。

回路中所配置的S262UC-C16的空開，根據(jù)其脫扣曲線，在320 A電流下，其脫扣時(shí)間≤0.02 s,可將短路點(diǎn)切除。

若出現(xiàn)空開拒動(dòng)時(shí)，此時(shí)的故障電流較小，可以有8～10 h去處理短路故障點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)影響小。

4.4 第二級(jí)負(fù)載短路—故障點(diǎn)FY2

根據(jù)上圖中的電纜信息，可得：

RY2=2000 mΩ

LY2=28 μH

在不計(jì)短路點(diǎn)的接觸電阻時(shí)，得出：

由于故障電流較小，在接觸面積為1 mm2時(shí)，導(dǎo)線不會(huì)熔斷。

第二級(jí)回路中所配置的為L(zhǎng)ITTLEFUSE公司1 A的熔斷器，在21 A故障電流下，其動(dòng)作時(shí)間為0.001～0.01 s，可迅速將故障點(diǎn)斷開。

5 蓄電池直流系統(tǒng)短路危害

通過以上數(shù)據(jù)的計(jì)算和分析，我們可以得出：

1)在蓄電池與熔斷器之間發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流大，且無(wú)保護(hù)裝置，只能通過短路點(diǎn)熔斷的方式才能切除，若短路點(diǎn)不能熔斷時(shí)，蓄電池會(huì)一直放電，直至被人為斷開或電量耗盡；短路時(shí)，負(fù)載無(wú)法維持正常供電電壓;

2)在熔斷器出線與母線間出現(xiàn)短路故障時(shí)，短路電流大，可以通過熔斷器切除故障點(diǎn)，但是由于熔斷器切除耗時(shí)較長(zhǎng)，負(fù)載會(huì)失電，且需人為更換熔絲后才能恢復(fù)供電，對(duì)負(fù)載影響大；如果短路點(diǎn)接觸面積小，則可以通過短路點(diǎn)熔斷來(lái)切除故障點(diǎn)，此時(shí)由于故障點(diǎn)的快速切除，失電只有1.5 ms左右，一般不會(huì)影響負(fù)載的供電;

3)在負(fù)載側(cè)出現(xiàn)短路故障時(shí)，由于電纜路徑長(zhǎng)，電阻大，因此短路電流小，無(wú)法通過短路點(diǎn)熔斷來(lái)切除故障，一般通過斷路器或負(fù)載的熔斷器動(dòng)作來(lái)切除故障點(diǎn)，只會(huì)對(duì)本回路產(chǎn)生影響，不會(huì)影響其他負(fù)載的供電。

表1 不同短路點(diǎn)危害統(tǒng)計(jì)表Table 1 Data analysis of different short circuit points

6 結(jié)束語(yǔ)

通過本文的分析和計(jì)算，明確了直流系統(tǒng)在短路故障后的保護(hù)動(dòng)作情況和電流變化趨勢(shì)，從而揭開了直流系統(tǒng)短路的神秘面紗，消除了對(duì)短路的盲目恐懼。本文參考相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行實(shí)例分析，國(guó)內(nèi)也亟須制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)或?qū)t，以推廣先進(jìn)分析方法和理念。直流系統(tǒng)短路故障可定量、具體地進(jìn)行分析，這對(duì)故障根本原因分析是有利的，對(duì)保障直流系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行有著非常重要的意義。