自動轉換開關短路耐受電流選擇的探討

孫 立 安

[同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司,上海 200092]

0 引 言

近年來,隨著我國城市化水平的不斷提高,大型綜合體建筑、大型科研教育園區也越來越多。這些建筑或建筑群構造復雜,配電要求高,供配電系統中存在大量的一、二級用電負荷。為滿足這些一、二級用電負荷的供電要求,自動轉換開關電器(ATSE)的應用越來越廣泛。

在建筑電氣設計中,要正確地選擇ATSE,需要明確額定工作電壓、額定工作電流、相數、額定短時耐受電流、額定短路接通能力、轉換條件、使用類別、轉換時間等設備參數。本文對ATSE的設備選擇中比較重要同時又容易被忽視的PC級ATSE的額定短時耐受電流Icw的選擇進行計算和分析,以幫助設計人員進行設備選擇。

1 PC級ATSE的額定短時耐受電流Icw的選擇要求分析

PC級ATSE不具備保護能力,在發生短路故障時需要在一定的時間內耐受一定的短路電流通過。國家標準GB/T 14048.11—2016《低壓開關設備和控制設備 第6-1部分:多功能電器轉換開關電器》[1]中第8.2.5.1條對ATSE的額定短時耐受電流進行了規定,驗證短路操作能力的試驗電流值如表1所示。

表1 驗證短路操作能力的試驗電流值

額定短時耐受電流的通電時間見國家標準GB/T 14048.11—2016第5.3.6.1條規定,即額定工作電流小于或等于400 A時,交流為額定頻率的1.5個周波,額定工作電流大于400 A時,交流為額定頻率的3個周波。

但是上述規定僅僅是國標規范中的最低要求。國家標準GB 51348—2019《民用建筑電氣設計標準》[2]中第7.5.4.3條規定:當采用PC級自動轉換開關電器時,應能耐受回路的預期短路電流,且ATSE的額定電流不應小于回路計算電流的125%。因此,ATSE具體的額定短時耐受電流選擇還是要通過短路電流計算并對短路電流進行熱效應換算得出。

2 ATSE需要耐受的短路電流分析

ATSE在電氣回路中的最大預期短路電流是三相短路電流。而在不同的供電條件和供電距離下,三相短路電流是不同的。

2.1 三相短路電流的計算公式

根據國標圖集19DX101-1《建筑電氣常用數據》附錄15-3中公式,對稱穩態三相短路電流有效值為

(1)

式中:XQt、XTK、XL——系統、變壓器、線路的電抗;

RQt、RTK、RL——系統、變壓器、線路的電阻;

Un——系統標稱電壓;

c——電壓系數,在低壓系統中取1.10。

2.2 短路電流的熱效應換算

ATSE對回路的預期短路電流的耐受能力即ATSE對短路電流的熱效應的耐受能力。短路電流引起的熱效應為

(2)

式中:ikt——短路電流瞬時值;

t——短路電流持續時間。

參考相關品牌的斷路器產品樣本可知,塑殼斷路器瞬時脫扣元件的最大分斷時間為0.03 s。因此短路電流持續時間也按0.03 s計算。短路電流持續時間小于0.1 s的情況下,計算短路電流熱效應時應計入非周期分量的影響。為簡化計算,按三相短路全電流最大有效值計算,即在0.03 s的持續時間內,三相短路電流有效值保持三相短路全電流最大有效值不變。

三相短路全電流最大有效值計算時需包含周期與非周期分量有效值的方均根值。由于非周期分量是變化的,因此近似按短路后1/2周期(0.01 s)處的瞬時值計算,三相短路全電流最大有效值為

(3)

式中:Ik——對稱穩態三相短路電流有效值;

Kp——沖擊系數,在1～2之間,工程上一般取1.8。

2.3 不同供電條件和配電距離下短路全電流計算

計算考慮6種低壓供電條件,即變壓器分別為630 kVA(Uk%=4.5)、800 kVA(Uk%=4.5)、1 000 kVA(Uk%=6)、1 250 kVA(Uk%=6)、1 600 kVA(Uk%=6)、2 000 kVA(Uk%=6)的情況。

計算時,統一考慮系統短路阻抗SS=200 MVA;由于變壓器短路電阻遠小于短路電抗,因此忽略RTK;變壓器出線側低壓采用密集型銅母線,母線長度為10 m。根據GB 50189—2015《公共建筑節能設計標準》條文解釋第6.2.2條的要求,配電線路的配電距離不超過250 m。因此計算中考慮配電距離10～250 m的情況。變壓器低壓側母線選擇及其阻抗值如表2所示;低壓電纜線路單位長度阻抗如表3所示。

表2 變壓器低壓側母線選擇及其阻抗值

表3 低壓電纜線路單位長度阻抗

圖1 短路全電流隨配電距離的變化曲線

根據以上的短路全電流計算,ATSE額定短時耐受電流Icw選擇如表4所示。

表4 ATSE額定短時耐受電流Icw選擇

3 結 語

PC級ATSE在設計中廣泛使用,如果選擇不當在短路故障時很有可能產生觸頭熱熔的風險,本文通過對ATSE需要耐受的短路電流進行計算分析的同時,加入實際運用場景中PC級ATSE額定短時耐受電流的選取分析,得出相應部分根據不同變壓器和線路敷設距離等條件確認ATSE額定短時耐受電流選擇表,可為相關設計人員提供參考。