摘要：文章以10KV配电系统三相短路电流计算为研究对象，首先对10KV 配电系统三相短路影响进行了阐述分析，随后讨论了三相短路基本属性与短路点，最后对10kV配电系统三相短路电流计算进行了分析，以供参考。
关键词：10KV配电系统；三相短路；短路电流计算
前言
配电系统在实际运行过程中，一旦发生短路故障，需要继电保护装置能够及时将故障电路切断，从而尽可能降低短路故障造成的破坏影响，为达到这一目标，不仅要求电气设备必须有足够的机械强度和热稳定度，同时开关设备也应具备良好的开断能力，能够应对短路电路对其冲击，因此需要做好配电系统三相短路电流计算，确定最大短路电流，从而选择适合的电气元件，保护系统稳定运行。
一、10KV 配电系统三相短路影响简析
10KV 配电系统在发生三相短路时，会导致短路点附近的支路电流急剧增大，致使电气设备异常发热，最终严重损坏，甚至会引起火灾问题。在线路电流增大的同时，短路点附近线路电压会骤然降低，无法继续支持用电设备正常工作，异步电动机因此会出现停运，在电源点附近出现短路问题时，很容易导致并列发电机组停止运行，发生解列，引起大面积停电。因此，为有效降低上述问题带来的影响，需要正确选择电气设备，做好继电保护设计，合理选择限制短路电流的元件，而上述这些措施实现都离不开短路电流的计算支持，因此做好配电系统三相短路计算是非常有必要的。
二、三相短路基本属性与短路点
在三相系统中，总共包括四种短路类型，一是单相对地短路，二是两相短路，三是三相短路，四是两相对地短路，其中只有三相短路为对称短路，其余短路为均不对称短路。三相短路属于最为严重的短路，并且应具备如下条件：一是在发生短路前，电路处于空载状态，二是短路瞬间，电压为零，三是短路纯电感。在实际进行三相短路电流计算时，通常不考虑负荷电流影响，并选择IEC（国际电工委员会）制定的标准作为三相短路电流计算标准。在进行三相短路电流计算时，主要会用到两种常规计算方法，一是标幺制方法，二是欧姆法。其中标幺制非常适合于供电系统三相短路电流计算，并能够适应不同电压等级，它通过将各个电压等级的阻抗按照统一标准比对，得到一个虚拟的值，完成短路计算后，再按照电压等级的不同分别进行归算，系统规模越大，涉及的电压等级越多，使用该方法计算就越简便，还能够提升计算准确性。欧姆法则是根据元件实际工作阻抗，完成短路电流计算，然后再根据变压器变比，进行逐级折算，一般比较适合系统规模小的计算。在选择时，需要结合实际而定。
三、10kV配电系统三相短路电流计算
（一）计算三相短路电流峰值
在短路电流中，其有效值是三相稳态短路电流，该电流在校验短路热稳定性方面有着重要的作用，与此同时，三相稳态短路电流也是断路器的额定短路分断能力判断的重要依据，短路电流峰值与稳态短路电流的关系用以列公式表示：
（1）
在（1）式中，三相短路电流峰值用
表示，单位：kA。三相稳态短路电流用
表示，单位：kA。
是短路电流峰值系数，系数视电路实际状况而定，若电路之中只包括了阻抗，
取值为2，若在电路之中，只有电阻，
取值为1，根据电路之中阻抗与电阻所占比例，
在1至2之间浮动，即
。
与比值
关系曲线如图一所示。对于民用建筑电气系统而言，由于系统距离发电机较远，在发生短路时，电路中短路电阻较小，电抗较大，因此
可取值为1.8。将该数值代入（1）式中，可得
（2）
从（2）式中我们可以认识到，在民用建筑电气系统中，发生短路时，三相对称短路电流峰值较高，约为三相对称短路电流有效值后者的 2.5倍。值得注意的是，在变压器低压短路之中，需要提高对变压器电阻在总电路比值的重视程度，一般而言，
可取值为4，
取值为1.4至1.5，那么可得
，由此可得，在短路情况下，三相对称短路电流峰值是三相对称短路电流的2.1倍。
图一：
与
的关系曲线图
（二）10/0.4kV变压器低压侧出口短路电流的计算
实际变压器低压（0.4kV）侧出口短路电流计算非常复杂，因此为为简化计算过程，降低计算量，可以做出如下假设：1、电力系统的容量要远远大于10kV用户配电变压器容量；2、对于上级电源系统容量来说，可以假设为无穷大，不考虑短路点接触电阻与电弧电阻；3、假设短路点出现在变压器低压（0.4kV）侧出口处，如此可以不需要考虑母线阻抗。通过在上述假设的理想条件之下，完成三相对称短路电流计算，最终的计算结果要比实际稍大，由于此次计算的最终目的是为了判断拟选用电气元器件是否能够基本满足短路条件，因此最终计算结果不会对实用性造成影响，能够直接应用于实际之中。
首先是变压器阻抗的计算，在实际计算时，可采用如下公式：
（3）
在（3）式中，
表示的是电压器阻抗，单位：
；
表示的是变压器阻抗电压百分数；
表示的是变压器额定容量，单位：
；
表示的是低压侧电压，取值为
。
然后需要计算变压器低压侧出口处三相短路电流，可采用如下公式：
（4）
在（4）式中，
表示的是变压器低压侧三相短路电路，单位：
；
表示的是变压器低压侧平均短路，单位：
。
将（3）式代入（4）式可得：
（5）
在（5）式中，
表示的是变压器低压侧额定电流，
。
式也可以写为
（6）
从式（6）我们可知，针对变压器低压出口处三相稳态短路有效值电流，其值约等于 1.443 倍变压器额定容量与变压器阻抗电压百分数的商值。
（三）10/0.4kV变压器高压侧出口短路电流的计算
10/0.4kV变压器高压侧具体是指10kV侧，同时我们也需要认识到，10/0.4kV变压器高压侧在110 / 10 k V（或 35 / 10 k V）之中属于低压侧，对于高压侧出口短路电流的计算大致与低压侧计算方法相同，只是在一些具体公式细微处应用存在一定的差异性。本文以某110/10kV变电站至10/0.4kV变压器为例进行说明：该变电站主变容量为50MVA，变压器阻抗电压百分数为
，对于母线而言，由于距离较近，因此可以忽略其电抗影响，在110kV系统容量未知情况下，由于本次计算主要目的是对元器件的短路特性进行校验，因此可以视为无穷大，在用户配电室之中，变压器容量为
，高压侧为10kV，低压侧为0.4kV，变压器阻抗电压百分数为
，根据上述信息，可以对高压侧出口短路电流的计算进行了计算分析，具体如下：
1、计算短路阻抗有名值，通常在电路元件之中，电阻相对较小，因此可直接进行电抗计算，如果电路线缆电压等级在6KV以上，则需要对电阻加以考虑，在没有确定10/0.4KV 变压器的所有短路点之前，可以先不考虑其变压器阻抗值计算。假设110/10.5kV变压器阻抗为
，可采取以下公式：
（7）
在（7）式中，
表示110 / 10.5 k V 变压器阻抗电压百分数，具体数值为10.5%；
表示电压，数值为10kV，
表示变压器额定容量。
2、电缆线路阻抗
计算如下：
（8）
（9）
（10）
在（8）—（10）式中，
表示电缆线路阻抗，单位：
；
表示电缆线路电阻，单位：
；
表示电缆线路长度，单位：
；
表示每千米电缆线阻，由于该例中采用的是三芯交联聚乙烯电缆，截面面积为
，因此可取值为
。
表示电缆线路电抗，单位：
；
表示电缆每千米电抗，取值为
。
3、短路点短路电流与短路容量计算。针对110 / 10.5 k V变压器，可设短路点为
，短路电流为
，短路容量为
。那么短路电流为
为：
（11）
短路容量
为：
（12）
从上述计算可知，在110/10.5kV变压器10kV 断路器额定短路分断能力上，可以选择 31.5kA，断路器短路电流峰值，可以选择80kA。
针对用户配电室10/0.4kV变压器，可设短路点为
，短路点电流为
，短路容量为
。短路点电流为
计算如下：
。（13）
短路容量
。（14）
从上述计算可知，在用户配电室10/0.4 kV变压器10kV侧，断路器的额定短路分断能力可选25kA，断路器短路电流峰值可选63kA。
总的来说，基于上述计算结果与过程，虽然作出了一定的简化，但应用于额定短路电流和短路电流峰值的确定时，仍有着重要的参考价值，可以参考上述公式，不会影响最终计算的准确性。在实践中，对于110kV地区电网短路容量来说，显然无法真正做到无穷大，并且在实际计算时为了更加便于处理，往往会省略线路中部分的阻抗值，所以实际短路电流往往要比计算结果小，因此在参考上述计算结果进行选择元器件的额定短路电流时，已经有充足的裕度，能够保障足够的安全可靠性。
四、总结
综上所述，10kV配电系统在实际运行中，出现的三相短路电流十分复杂，并且短路电流在实际测量时，也具有一定的困难性，通常情况下，需要理论计算，才能得到最终结果。文章介绍了一些常见短路电流的简单计算方法，从而能够更好的进行电路的相关参数确定。在进行供配电系统的电气元件选择过程中，应通过短路电流计算，来对其在短路状态下的稳定性进行校验，在这一过程中，通过掌握一些简单的短路电流计算方法，可以达到事半功倍的效果。
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论文作者:查涛
论文发表刊物:《电力设备》2019年第5期
论文发表时间:2019/7/8
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