关于开关设备承受短时耐受电流的设计分析_吴鸿彬.pdf

782023.06.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术关于开关设备承受短时耐受电流的设计分析吴鸿彬 陈弼栋 郭敦义 陈升庭（广东金晖隆开关有限公司）摘要：本文从机械效应和热效应两个方面分析，设计环节检验开关设备是否能承受短时耐受电流。通过对导体电磁力以及横截面积、接触电阻、接触电压的计算分析，确保开关设备理论性能满足试验及正常运行要求。关键词：短时；耐受电流；机械效应；热效应0 引言在电力系统中，开关设备在一定时间内承受短路电流引起的热作用而不致损伤设备的能力，称为热稳定性，所能承受的短路电流最大值称为额定短时耐受电流，是电力设备的一个重要参数。如果开关设备承受不了短时耐受电流，设备可能会发生机械变形并引起电气距离不足、导电回路熔化或者脱落并在非开断点出现开断现象，从而引发一连串的电力故障，其后果非常严峻。本文从机械效应和热效应两个方面进行计算分析，从设计环节检验开关设备是否满足热稳定性需求。1 定义额定短时耐受电流（即热稳定电流），定义为在规定的使用和性能条件下，在规定的短时间内，开关设备和控制设备在合闸位置能够承载的电流的有效值。主回路耐受电流标准值应当从 GB/T 762 中规定的 R10 系列中选取。（R10 系列优先数系指的是 n 为整数的100.1n近似值，包括数字1、1.25、1.6、2、2.5、3.15、4、5、6.3、8 及其与 10n的乘积）额定短路时间，定义为开关设备和控制设备在合闸位置能够承载额定短时耐受电流的时间。额定短路持续时间标准值为 2s，如果需要选取更大值时，推荐值为 3s、4s。开关设备和控制设备的主回路和接地回路应该经受试验，来检验它们承载的额定短时耐受电流的能力。主要验证的是机械效应和热效应的要求。对用于中性点非直接接地系统的设备，接地回路的短时耐受电流可按主回路的额定短时耐受电流的 86.7%进行试验。2 机械效应分析交流系统额定短时耐受电流引起的机械效应，包括耐受电流产生电磁效应的电磁力，以及其他原因如静载、风、冰雪、操作力或地震引起的应力等。本文重点论述耐受电流产生的电磁力。一般情况下需要从以下四种方式计算耐受电流产生的电磁力：两根平行导体间的电磁力；在同一平面内以中心线距离相等布置的硬导体，其三相短路时作用在中间主导体的电磁力；硬导体在两相短路时主导体的电磁力；同一平面布置的子导体，外侧子导体受力最大，受力的位置在临近的两个连接件间的电磁力。从以往的计算经验得出，这四种方式分别计算后，方式 3 的电磁力为四种方式中的最大2023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 782023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 782023/7/5 下午1:472023/7/5 下午1:47792023.06.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术交流系统耐受电流引起的热效应，包括主回路、接地回路的热效应，这两种回路的横截面积是否满足要求至关重要。横截面积不足时，其热效应更加强烈。根据短时持续电流的热效应计算裸导体横截面。其计算公式为：式中，S 为导体横截面积，mm2；I 为电流有效值，A；a 为系数 a 根据导体材质取值，铜 a=13、铝a=8.5、铁a=4.5、铅a=2.5；t为电流通过时间，s；为温升，K；t 不大于 2s 裸导体时=180K，t在 25s 之间裸导体时=215K。针对裸铜导体截面面积与短时持续电流关系可参见下图。值，本文直接介绍方式 3 的计算公式：式中，Fm2为两相短路时作用在主导体的力，N；U0为真空导磁率，取值 410-7H/m；ip2为两相短路时的耐受电流峰值，A；l为支柱间的中心线距离，m；am为相邻主导体间的有效距离，m。举 例 1：一 款 额 定 短 时 耐 受 电 流 i0=25kA 的12kV 开关设备，其支柱间的距离是 0.21m，相邻主导体的有效距离是 0.130m，其在两相短路时主导体的电磁力按方式 3 计算如下。1）已知支柱间的中心线距离 l=0.21m，相邻主导体的有效距离 am=0.130m；2）根据 GB/T 110222011 第 4.7 条可知，在大多数工况且当额定频率为 50Hz 及以下时，额定峰值耐受电流等于 2.5 倍额定短时耐受电流。因此得出：ip2=2.5i0=2.525 63kA=63000A3）两相短路时作用在主导体的力 Fm2为：计算获得电磁力 Fm2后，还要根据实际情况考虑静载、风、冰雪、操作力或地震引起的应力等，以及适当的安全系数确保在交流系统耐受电流引起的机械效应时电力系统能稳定运行。3 热效应分析由于短路电流通过导体发热时，虽然通过的短路电流持续时间很短，但通过的电流值很大，所以在很短的时间内，温度剧烈上升，近似地认为这是一个不向周围散热，看成是绝热升温过程。整个承受短路电流的导电回路完成这个绝热升温的热效应前后不应对该回路造成损伤，其产品性能依然满足正常运行所需的参数要求。本文将通过裸导体横截面积、接触电阻以及接触电压等进行热效应设计检验。Fm2u0m2ip2l=2Fm2u0m2410-76300020.2120.13ip2l=21282NSIt=70060050040030020010000.550kA40kA31.5kA35kA20kA12345导体横截面积，mm2电流持续时间，s根据短时持续电流的热效应计算裸铜导体横截面积图 裸铜导体截面面积与短时持续电流关系图举 例 2：一 款 额 定 短 时 耐 受 电 流 i0=25kA 的12kV 开关设备，额定短路时间 t=4s，计算其主回路采用 T2 铜母线的热效应横截面。1）已知电流有效值 I=i0=25kA=25000A，电流通过时间即为额定短路时间 t=4s；2）根据采用导体为 T2 铜母线及 t=4s，可得a=13、=215K；3）本款开关设备短时持续电流的热效应横截面为：交流系统开关设备可分合电接触的接触电阻，应当在承受额定短时耐受电流时，电接触表面应不发生SIt=421525000261mm213（1）（2）（3）（4）2023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 792023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 792023/7/5 下午1:472023/7/5 下午1:47802023.06.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术4）本款开关设备的隔离开关接触电压为：5）查常见金属熔化电压表可知银的熔化电压为0.38V，大于接触电压 Uj=0.18V，其在额定短路时间4s 内不会熔焊。在实际设计中，也可以通过接触电阻、接触电压的计算公式，推算出触头终压力的力值，从而预选定触头弹簧的设计参数，确定接触形式。当触头弹簧较靠近接触点时，会受到热效应影响导致弹性下降或丧失，影响短时耐受电流试验的次数，这时就需要考虑调整触头弹簧的位置或者改变弹簧的形式及材质以不受热效应影响。4 结束语承受短时耐受电流能力是开关设备一项重要的性能参数，开关设备承受不了短时耐受电流时，设备可能会发生机械变形并引起电气距离不足、导电回路熔化或者脱落，并在非开断点出现开断现象，从而引发一连串的电力故障，其后果非常严峻。本文从机械效应和热效应两个方面分析设计环节检验开关设备是否满足热稳定性需求。通过对导体电磁力的计算分析，检验是否满足机械效应要求；以及对导体横截面积、接触电阻、接触电压的计算分析，检验是否满足热效应要求。以此从初始研发设计环节确保开关设备理论性能满足试验及正常运行要求。熔焊或松弛。接触电阻主要影响因素有材料性能、接触形式、压力、温度、表面粗糙度等。接触电阻工程设计常用的经验公式为：式 中，Rj为 接 触 电 阻，；Kj为 与 接 触 材料、表面状况等有关的系数，银-银 Kj=60；铜-铜Kj=80140；F 为接触压力，N；m 为与接触形式、压力范围和实际接触点数目等因素有关的系数，点接触 m=0.5、线接触 m=0.7、面接触 m=1。获得接触电阻之后，可根据额定短时耐受电流值，计算接触电压。接触电压应小于触头材料的熔化电压，避免承受额定短时耐受电流值时出现熔焊现象。接触电压计算公式如下：式中，Uj为接触电压，V；Rj为接触电阻，；i0为额定短时耐受电流，kA。常见金属熔化电压见下表。举 例 3：一 款 额 定 短 时 耐 受 电 流 i0=25kA 的12kV 开关设备，其隔离开关动静触头为银-银接触，接触形式为线接触，触头终压力均为 200N。计算该触头的接触电阻，并验算额定短路时间 4s 内是否会熔焊。1）已知触头终压力为 F=200N；2）根据动静触头为银-银线接触，对系数取值Kj=60，m=0.7；3）本款开关设备的隔离开关接触电阻为：RjKj(0.102F)m=UjRj i01000=常见金属软化、熔化电压注：本表所述软化、熔化电压为持续时间不超过4s的情况下计算所得。金属材料铝铜锡银0.100.120.130.090.290.420.140.38软化电压/V熔化电压/V表Rj7.3Kj(0.102F)m60(0.102200)0.7=Uj0.18VRj i010007.3251000=（5）（6）（7）（8）参考文献123GB/T 110222011 高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求 S.ISBN 978-7-5123-9995-2 工业与民用供配电设计手册 M.4 版.北京：中国电力出版社，2016.ISBN 978-7-111-64203-9 电器基础理论 M.1版.北京：机械工业出版社，2020.（收稿日期：2023-02-10）2023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 802023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 802023/7/5 下午1:472023/7/5 下午1:47