低压断路器分断能⼒的选择和低压短路电流计算
赵庆贤
鞍⼭冶⾦设计研究院
摘要：通过对影响低压主母线上短路电流的各种因素的分析与具体计算，出影响短路电流的主要因素，进⽽得出简化计算办法。同时根据计算得出的三相短路电流周期分量和短路冲击电流值，合理选择断路器的分断能⼒。
关键字：短路电流；分断能⼒；
电⼒系统的短路电流计算是电⽓设计中的主要⽂件之⼀。通过计算，获取系统的短路数据，为⾼压电⽓设备的选择：如，⾼压断路器、⾼压隔离开关、电流互感器选择等提供了依据。同时，也是继电保护整定的主要依据。⽽上述主要针对⾼压系统的短路计算书，因为对低压系统的特殊性质没有全⾯包含，因⽽不能直接⽤来选择低压断路器。本⽂结合国外某矿⼭项⽬的设计，阐述低压短路电流计算在低压断路器选型上的应⽤。
1 低压短路电流的计算
1.1依据某矿⼭项⽬的设计，截取其中⼀段线路的计算结果 (见表1)及计算⽤线路图
（见图1），两者都表明，上述计算中对于415V的计算，指的是6.6KV/0.415KV 变压器的⼆次出⼝，⽽不是低压主母线。换⾔之，影响低压主母线上短路电流的许多因素，上述计算中没有予以考虑。例如：变压器⼆次出线电缆（或母线）阻抗，低压受电断路器的阻抗，低压隔离开关的阻抗、低压主母线阻抗，等。
图1: 计算电路图
1.2 另外，在电⼒系统的⾼压短路电流计算中，通常不计及各种元件的电阻。⽽在低
压短路计算时，元件电阻的影响，不能忽略。
1.3 根据规范：验算电器在短路条件下的通断能⼒，应采⽤安装处预期短路电流周期
分量的有效值，当短路点附近所接电动机额定电流之和超过短路电流的1%时，应计⼊电动机反馈电流的影响。在⾼压短路电流计算中，⼀般没有考虑低压电动机反馈电流的影响。
1.4 低压短路电流的计算： 1）系统阻抗：
Xx = Ue *Ue *1000/Sdx =1.12m Ω Xx=系统阻抗；Ue=0.433Kv ；
Sdx=系统短路容量或变压器⾼压侧短路容量； Sdx =168MVA(根据短路电流计算结果)。 2）变压器阻抗（2000kVA ）
Rb = ΔPd*Ue*Ue*1000/(Se * Se) =0.70 m Ω
Rb = 变压器电阻m Ω；ΔPd = 15000w （变压器负载损耗）； Se= 2000kVA （变压器容量）。 Ur% = ΔPd /(10*Seb) =0.75 Ur% = 变压器电阻电压百分数.
风刀干燥机Ux% = √[（Uz%*Uz%）+ (Ur%*Ur%)] =6.05
Ux% = 变压器电抗电压百分数; Uz% = 变压器阻抗电压百分数 = Ud % =6 Xb = 10*Ux%*Ue*Ue*1000/Se =5.67 3）变压器⼆次电缆阻抗
设计中选⽤400m2 ;5根并联单芯交联电缆（n=5）；长度L=25m；
电阻r=0.06Ω/km (mΩ/m)；电抗x=0.08Ω/km (mΩ/m
Rl = L * r / n =0.28 mΩ
Xl = L * x / n =0.40 mΩ
4）母线阻抗（415v受电）母线-2(125x10mm)
Rm = 21.4 x L/S=0.02 mΩ
L = 母线长度 =2m；S = 母线截⾯ =2500mm2
应力传感器Xm(母线电抗)= 0.145x Lg(Dj/Gjx)=0.10 mΩ
生态石笼网箱Dj为母线相间⼏何间距，当在同⼀平⾯且间距相等时，为1.26D；
Dj=157.5mm；D = 125mm；
Gjx为母线相间⼏何均距:
Gjx = 0.2236 x (a + b) =32.42mm；
a =125mm (母线宽)；b=20mm (母线厚)。
5）断路器接触电阻（415v受电）
estimated Racb =0.05 mΩ
6）断路器过流线圈阻抗（415v受电）:700/5时 0.04mΩestimated Rgl =0.02 mΩ
estimated Xgl =0.01 mΩ
7）总的阻抗
RΣ =Rx + Rb + Rl +Rm + Racb + Rgl =1.07 mΩ
XΣ =Xx + Xb + Xl +Xm + Xacb + Xgl =7.20 mΩ
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8）415V母线上三相短路电流(周期分量)
I"z=Ue*1000/1.73/√R*R+X*X =34.40KA
9）415V母线上短路冲击电流（第⼀周期全电流峰值）
X/R = XΣ/ RΣ=6.07
Kch =1.63(三相短路电流冲击系数)
a.电⽹提供的冲击电流：ichx=√2 * Kch * I" =79.07KA
b.电动机提供的冲击电流：ichd =6.5 * Kchd * Ied=18.10KA
Kchd =1(0.8~1.28，简化为1);
根据⽰例Ied 为若⼲台电动机额定电流之和
Ied = PΣ /(1.73 X 0.415 X COSΦ X η) KA
（当取变压器额定电流的100%时）
Ied =2.79KA （2000KVA变压器额定电流 =2.785KA）
c.总的三相短路冲击电流：ich = ichx+ ichd=97.17KA
10）415V母线上三相短路第⼀周期全电流有效值
a．由电⽹提供的：
当Kch＞1.3时（系数1.34）
Ichx = I"z √[1+2(Kch-1)(Kch-1)] =46.08KA
当Kch＜＝1.3时
Ichx = I"z √[1+Ta/0.02]
Ta 三相短路电流⾮周期分量衰减系数（s）
Ta = XΣ / 2 π f RΣ
b．由电动机提供的：
Ichd = 3.9 * Kchd * Ied =10.86KA（Ied取变压器额定电流的100%）c．电⽹提供的与电动机提供的合计：Ich = Ichx + Ichd =56.94KA
如⽤估算公式4xIed:
Ichd = 4 * Ied =11.14KA
Ich = Ichx + Ichd =57.22KA 两者误差仅0.49%
表2
1.5根据计算结果“表2”，⽅法1的计算结果是56.94KA。如果采⽤⽅法2，既：
忽略⼩的阻抗（低压受电断路器的阻抗，低压隔离开关的阻抗、低压主母线阻抗），仅考虑影响最⼤的电缆阻抗，计算结果是58.06KA。两者的误差仅仅
1.98%。因此，在设计实践中，可以采⽤⽅法2，以简化计算。
2 低压断路器选择
2.1 低压断路器(⼜称⾃动开关)是⼀种不仅可以接通和分断正常负荷电流和过负荷电
流，还可以接通和分断短路电流的开关电器。分断能⼒是断路器的⼀种特殊功能，如：36KA、50KA、65KA等规格，是指该断路器安全切断故障电流的能⼒，与其额定电流⽆必然联系。分断能⼒⼀般分为极限分断能⼒Icu和运⾏分断能⼒Ics两项。对具有三段保护功能（长延时、短延时、速断）的断路器，还有第三项：短时耐受电流Icw,。⽐如⼀个断路器Icu=60KA，那么当实际线路中发⽣60KA的冲击故障电流，该断路器可以安全切断电路，⽽不发⽣触头熔接、爆炸等异常状况。
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低压断路器的分断能⼒是⼚家经过试验标定的。断路器的各种短路分断能⼒具体描述如下：
A．额定极限短路分断能⼒(Icu)，指在规定(电压、短路电流、功率因数)条件下，按照下列试验条件标定的分断能⼒。
规定程序：0—t—CO。其具体实验是：把线路的电流调整到预期的短路电流值
(例如380 V，50KA)，⽽实验按钮未合，被试断路器处于合闸位置，按下实验按
钮，断路器通过50KA短路电流，断路器⽴即开断(OPEN简称O)并熄灭电弧，断
路器应完好，且能再合闸。t为间歇时间，⼀般为3min，此时线路处于热备状
态。断路器再进⾏⼀次接通(CLOSE简称C)和紧接着的开断(O)试验。接通实验是
考核断路器在峰值电流下的电动和热稳定性及动、静触头因弹跳⽽造成的磨损情
况。经过上述试验，断路器能完全分断、熄灭电弧，并未超出规定的损伤，就认
定它的极限分断能⼒实验成功。
低压断路器的额定极限短路分断能⼒(Icu)对应于实际系统中的冲击电流Ich （三相短路第⼀周期全电流有效值）。对于本⽂的计算⽰例⽽⾔，实际值为
56.94KA。
B．额定运⾏短路分断能⼒(Ics)，是指规定(电压、短路电流和功率因数)条件下，按照下列试验条件标定的分断能⼒：
规定程序：O—t—CO—t—CO。其具体实验⽐Icu的实验程序多了⼀次CO。经过实验，断路器能完全分断，熄灭电弧，并未超出规定的损伤，就认定它的额定进⾏短路分断能⼒实验通过。其中：
O实验——表⽰分断。在预期短路电流通过处于合闸状态的断路器时，断路器能⾃动分断并熄灭电弧的实验。
CO实验——表⽰接通(Close)后⽴即分段。在实验时使断路器合闸(考核断路器在经受接通电流即峰值电流时，会不会因峰值电流产⽣的电功斥⼒和热量⽽遭致破坏)然后⽴即分断。
t——表⽰O与CO操作的间隔时间，⼀般不⼩于3min。如O操作后，脱扣器还不能再扣，则可延时⾄能再扣为⽌。
通常ICS＝ICU*(50~75)%。
低压断路器的额定运⾏短路分断能⼒对应于实际系统中415V母线上三相短路电流(周期分量)，对于本⽂的计算⽰例⽽⾔，实际值为34.40KA.
C．短时耐受电流(Icw)，是指在⼀定的电压、短路电流、功率因数下，承受
0.05、0.1、0.25、0.5或1s⽽断路器保持不脱扣的能⼒。Icw是对具有三段保护功能
的断路器，在短延时期间内，对断路器的动稳定性和热稳定性的考核指标。
2.2低压断路器的选择⽅法
选择低压断路器除了要考虑额定电压、额定电流等常规因素外，另⼀个重要原则是，断路器的短路分断能⼒≥线路的预期短路电流。
根据低压配电设计规范GB50054－95第2.1.2条的规定：验算电器在短路条件下的通断能⼒，应采⽤安装处预期短路电流周期分量的有效值，当短路点附近所接电动机额定电流之和超过短路电流的1%时，应计⼊电动机反馈电流的影响。
A，动作时间在0.02s以上的低压断路器分断能⼒的选择
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在实际应⽤中，此类断路器⼀般为⽤于受电、母联的框架式断路器(ACB)，例如：SIEMENS 3WT ACB 。其开关的额定运⾏短路分断能⼒（均⽅根值）Ics，应该⼤
于415V母线处短路电流周期分量有效值I”。如果此类断路器在实际应⽤中带有短延时，则断路器的额定短时耐受电流(Icw)也应⼤于415V母线处短路电流周期分量有效值I”。
B, 动作时间在0.02s以下的低压断路器分断能⼒的选择
此类断路器⼀般为⽤于配电⽀路、电动机回路等的朔壳式断路器(MCCB)，例如：SIEMENS 3VL MCCB。开关的分断电流Ics，应该⼤于415V母线处短路电流周期分量有效值I”。开关的分断电流峰值Icu，应该⼤于415V母线处三相短路电流第⼀周期全电流有效值Ich。根据计算结果，该值是56.94KA。
3．结语
根据低压短路电流的计算，Ich/I”=56.94/34.51KA。依此选择断路器时（以3VL-160A为例,），Icu/Ics共有三个档次:
A．如果选择具有标准分断能⼒的断路器（分断等级为“N”），Icu/Ics=40/40KA，满⾜不了要求；
B．如果选择具有⾼分断能⼒的断路器（分断等级为“H”）， Icu/Ics=70/70KA，满⾜要求；
C．如果选择具有极⾼分断能⼒的断路器（分断等级为“L”），Icu/Ics=100/75KA，则造成浪费；；
由此可见，低压短路电流的计算对于准确选择断路器分断能⼒是⾮常必要的。没有经过详细计算的选择，要么会造成不必要的浪费，要么会选择错误的规格。
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