56
作者简介：向儒英(1978— )，女，工程师，硕士，从事电气试验站的设计工作； 段丽萍(1983— )，女，工程师，硕士，从事电气试验站的设计工作。
向儒英，段丽萍，施文龙，张江文，丁正平
(西安孚信能源工程有限公司，陕西 西安 710001)
摘 要：介绍了开关电器短时耐受电流的试验电源系统及其主要设备，分析了试验设备容量的最佳选择方法。针对不同试品阻抗及试验电流的要求，选用电网和短路发电机两种供电方式的应用实例，进行试验设备的选择和相应试验电流的计算，其中对调压变压器不同挡位阻抗的变化和短路发电机强迫励磁工作方式下的试验电流进行了详细计算，对以后的工程应用具有参考价值。 关键词：短时耐受电流；试验电源；设备容量选择；强迫励磁中图分类号：TM56 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2021)06-0056-05
Abstract: The test power supply system and its main equipment for the short-term withstand current of the switching device are intro-duced. The best selection method of test equipment capacity is analyzed.
According to the requirements of different test product impedance and test current, the application examples of two power supply modes of power grid and short-circuit generator are selected, and the selection of test equipment and the calculation of corresponding test current are carried out. Among them, the change of impedance in different gears of the voltage regulating transformer and the test current under the forced excitation mode of the short-circuit generator are calculated in de-tail, which has reference value for future engineering applications.
Key words: short-time withstand current; test power supply; equipment capacity selection; force excitation
常艳日记下载XIANG Ru-ying, DUAN Li-ping, SHI Wen-long, ZHANG Jiang-wen, DING Zheng-ping
（China Xi’an Fosen Engineering Co., Ltd, Xi’an 710001, China ）
Selection of Short-Time Withstand Current Test Equipment and Its Capacity
短时耐受电流试验设备及其容量的选择
0 引言
开关电器的短时耐受电流能力试验，包括短时耐受电流和峰值耐受电流试验，用来检验电器产品在事故短路情况下，承受事故电流产生的电动力及其热效应的能力，这是保证输电系统安全运行的必须条件。GB 1984《交流高压断路器》将其列为强制的型式试验项目[1]。
短时耐受电流是在规定的时间内，开关电器在合闸位置能够承受短路故障的电流有效值，对于开关电器产品这种能力的检验可以在任何合适的试验电压下进行，只需要满足试验电流的要求。这种试验电流就是由试验设备供电给被试电器出口处按规定短接产生的短路电流。
峰值耐受电流是开关电器在合闸位置能够承受
额定短时耐受电流第一个大半波的电流峰值，该峰值电流的大小是按系统特性的直流时间常数来确定的。大多数系统的直流时间常数为45ms，它对应2.5倍额定短时耐受电流(此倍数也称为峰值系数)。对于系统特性直流时间常数高于45ms 的工况，国家标准提出的优选值为2.7倍额定短时耐受电流。
通常在短时耐受试验室中，用选相合闸开关控制电路接通的合闸相位角，来调节峰值耐受电流的峰值系数。
试验设备的容量决定于试验回路、试品及其连接线的阻抗和试验电流，试品连接线的阻抗取决于试验回路载流母线间的最小距离[2]，这距离为试品的最短极间距离，电压等级越高试品及其连接线的阻抗
越大，为了得到所要求的试验电流，需要更高试验电压，也就是更大的试验容量，它有时大到数兆伏安。文中主要讨论对这类试验设备容量的最佳
选择和相应试验电流的计算。
1 短时耐受电流的试验电源及主要设备
试验系统分为两大部分，其一是试验电源及试验设备；其二是试验设备输出端子以外的主电路和被试品及其连接线。
1.1 试验电源系统
根据试验容量的大小及相关试验条件，试验电源可以用电网或发电机，由于短时耐受电流试验只是对短路电流的有效值及其峰值有要求，对试验电压无要求，所以试验回路一般不用加设调节电抗器，而是调节电源的输出电压改变电流的大小。因此用电网做电源时，需要配置调压装置，容量大时用调压变压器，容量较小时可用调压器。有时，也可用调节电抗器来改变试验时的输出电压。用发电机做电源时可以用加励磁方式调节电压，不需另用调压设备，但需根据试验容量选择发电机的容量和是否配置试验变压器，一般试验容量很大时，选用短路发电机，且是利用高倍数的强迫励磁来维持4s短时耐受电流的要求值。
1.2 主要设备
短时耐受电流和峰值耐受电流试验主要用以下设备。
1)短时耐受电流试验变压器
它是短时工作的降压大电流变压器，由于短时耐受电流试验电路是在被试品出线短路，整个试验回路的阻抗较小，试验电压约几百到几千伏特，试验电流约几十到几十万安培，其值根据被试品的要求而定，它的容量及阻抗值应和试验电路相匹配，以获得要求的短时耐受电流和峰值耐受电流。大容量的三相试验中，常用三个单相变压器，有利于每相电流的调节。
2)短路发电机
短路发电机是用于开关电器的短路试验，需要它提供并承受短时的巨大电流，其正常运行工况就是处于突然短路这类瞬变过程，它配备高倍数的强迫励磁系统，来补偿短路电流的衰减。
3)选相合闸开关
短时耐受电流建立的过程，即短路电流的过渡过程，与电压的接通合闸角ψ和电路的功率因数角Ф有直接的关系，当ψ-Ф=-π/2时，在一定的功率因数条件下，短路电流的非周期分量最大，电路中用选相合闸开关来调控短时耐受电流的峰值。
4)调节电抗器
峰值耐受电流的峰值系数随回路功率因数增大而减小，为了达到标准要求的2.5～2.7倍的峰值系数，有时在功率因数较高的小容量试验回路中，增加调节电抗器，降低回路的功率因数，争取在一次试验中得到规定的试验电流峰值和有效值。但为此也提高了试验设备的容量，会增加造价。
2 试验电路的选择
2.1 试验电路的类型
试验电路的类型是按电源以及试验设备来分类的：
(1)以发电机为试验电源，主要试验设备是短路发电机+试验变压器；
(2)以发电机为试验电源，主要试验设备是短路发电机直接供电给试品；
(3)以电网为试验电源，主要试验设备是调压变压器+试验变压器；
(4)以电网为试验电源，主要试验设备是调节电抗器+试验变压器。
2.2 试验电路的简化
上述4种电路类型，都可简化为如图1所示的试验简化电路。
其中：Z
1
为试验电源及试验设备的总阻抗，当
试验电路有试验变压器时，Z
1
为折算到变压器二次
电压下的值；Z
2
为试验设备输出口端子处到试品的阻抗，由试验设备输出口处到试品位置的主回路母
第五届cctv舞蹈大赛获奖名单线Z
21
及试品本身和临时接线的阻抗Z
22
这两部分
组成；U
为电源电压(或电源空载电压)，当试验
电路有试验变压器时，U
为变压器二次侧空载电压；
U为试验电流流过Z
2
的压降。
2.3 试验电源设备容量的最佳选择要点
1)获得最大的试验能力工况下(最大试品阻抗和相应试验电流)，配备的试验电源设备容量最
图1 试验简化电路
57
58
小的条件是：所需要前述试验系统的第一部分(即试验电源和试验设备)的短路容量P k1与第二部分短路容量P k2(即试验容量)之比最小。
图1中，设U 0=nU ，则nU =IZ 1+U ；IZ 1=nU -U =U (n -1)=IZ 2(n -1)，故：Z 1/Z 2=n -1；
n =2，即电源系统阻抗最佳选择的结果，在最大的试验工况条件下电源设备容量最经济的配置是：电
源空载电压U 0=2U ，第一部分阻抗Z 1等于第二部分阻抗Z 2。
2)在最大试品本身和临时接线的阻抗Z 22一定的条件下，尽量减小试验设备输出端子到试品位置的主回路母线Z 21，即减小电源空载电压U 0，可直接减小电源设备容量。
3 电源设备容量最佳选择结果应用实例
某试验室用电网做试验电源，试品每相阻抗为2mΩ，要求短时耐受电流为100kA、4s，系统原理图如图2所示，按2.3节的要点配置主要试验设备。
===。P k1P k2
n 2n -1n 2(nU )2
Z 1
U 2Z 2Z 1Z 2
n 2
n -1
即需要 最小，经求导数，使其为零时，得
用220/12kV 电源变压器供电给3台单相动热稳定调压变压器TR，原边三相Δ接线，每台副边出线经合闸开关MS 接相应动热稳定变压器TM 原边输入，这3台副边输出接成Y 型接线。动热稳定副边输出电路用低感大电流母线，其阻抗设计为0.5m Ω。
试品以及电源设备输出端外连接母线阻抗
Z 2=2+0.5=2.5mΩ，U =3×130×14=3.15kV ；则试验设备输出空载线电压为U 0=2U =2×433=866V，电源及设备总阻抗折算到U 下，按Z 1=Z 2=2.5mΩ。试验设备的参数配置如下：
220kV 系统短路容量9400MVA，220kV 架空线8km。
220/12kV 变压器16000kVA，U k %=1%。
TR 调压变压器为3台单相变，每台12/0.571～14kV、4400kVA，分接开关共48挡，各挡电压及阻抗均不同。
TM 动热稳定试验变压器为3台单相变，每台12/2×0.24kV、4100kVA、U k %=2%。3台变压器的二次侧接成Y 型，每台两个二次绕组串联接，其变比为12/0.831kV。在试品阻抗较小或试验电流较小时，二次侧两个绕组并联。
动热稳定试验电流计算：
(1)调压变压器原边侧回路阻抗的实际值见表1，表中阻抗都是折算至12kV 侧。
(2)试品及连接线阻抗2.5mΩ时的试验电流计算见表2，其中动热稳定变压器副边至试品回路阻抗为0.5mΩ，试品回路阻抗为2mΩ，调压器最大工作容量为54MVA，调压器输入电压为12kV。
图2 系统原理图
合闸表1 调压变压器原边侧回路阻抗值
220kV 系统阻抗
Z c 220kV 架空线路阻抗Z L1220kV 变压器阻抗Z T1220kV 变压器12kV 出线回路阻抗
原边侧回路阻抗Z 015.319
9.520
90.000
60.000
174.840
mΩ
59
短时工作容量为1000MVA，变比为14/4×6.15kV。出力计算时，发电机用瞬变电抗X ＇d =41mΩ，此时，折算到6.15kV 时Z 1=13.5m Ω，Z 2=14m Ω。
回路示意图如图3所示。
图中分子为各部分阻抗，分母为各部分电阻。图3系统发电机电抗按X ＇d 计算短路试验电流，如表3所示，发电机数量为1台。
表3中I 15为发电机强励至15kV 时得到的试验电流I 15=I ×(15/14)，U 15=U ×(15/14)。短路发
表3 发电机电抗按X ＇d 计算试验电流
试验电压U /kV 14kV 侧阻抗折算至6.15kV/Ω低压6.15kV 侧阻抗
/Ω试品阻抗/Ω总阻抗∑Z /Ω试验电流
I /kA 强励至
15kV 电流I 15/kA 试验
容量
P /MVA 6.15
0.0135
0.010
0.0040.0275129.1138.3
1579
表2 动热稳定试验变压器二次绕组串联时试验电流计算
调压器挡位调压器
初调开关位置调压器细调
挡位调压器
输出电
压/kV 调压器变比调压器标称容量/kVA 调压器阻抗系数/%
调压器阻抗
(折算至调压
器输出电压
)/
mΩ220kV 电网至调压器前端阻抗(折算至调压器输出电压)/mΩ动热稳定变压
器阻抗(折算至动热稳定变压器副边)/mΩ
试验电流/kA 电源设备阻抗(折算至动热稳定变压器副边)/mΩ1
11
114.000 1.175138 2.187278.093237.97640820.91595.04 2.0563644222213.716 1.145034 1.860231.704228.41929510.91597.55 2.0105326893313.430 1.124929 1.535187.232218.99281160.915100.12 1.9653273984413.144 1.104824 1.222145.881209.76495580.915102.63 1.9210746395512.858 1.0747190.931108.724200.73572780.915104.94 1.8777744116612.573 1.0546140.66876.288191.93565770.915106.93 1.8355731257712.287 1.0245090.44049.107183.30299060.915108.46 1.7941746318812.000 1.0044000.25728.036174.83981010.915109.34 1.7535889209911.7150.9842990.12913.727166.63353970.915109.44 1.714235237101011.4300.9541950.0687.059158.62451050.915108.56 1.6758274371112
多媒体教室中控系统111.1440.934090 1.643166.293150.78565980.91590.27 1.63823573912210.8580.903985 1.416139.641143.14543700.91590.99 1.60159657313310.5720.883880 1.197114.936135.70384180.91591.55 1.56590993814410.2870.863775 1.00694.002128.48585350.91591.77 1.53129562415510.0000.8336700.84176.385121.41653480.91591.63 1.4973942641669.7150.8135650.71863.362114.59441290.91591.00 1.4646783521779.4290.7934600.64855.502107.94663420.91589.78 1.4327985141889.1450.7633560.64853.827101.54189260.91587.89 1.4020841751998.8580.7432510.72958.64995.26846900.91585.27 1.37199958020108.5720.7131460.91271.00389.21587900.91581.93 1.34297400721
13
1
8.286
孙荣章
0.69
3041
2.568
193.262
83.3619168
0.915
69.87
1.314900965
注：(1)调压变压器共有48个挡位，使调压变压器的输出电压范围为0.571～14kV，为减小篇幅，表2中的计算仅为8.28～14kV 范围，其他电压未列出；(2)表中计算说明按文中2.3节选择要点，确定的设备参数能满足所要求的试验能力。
某试验站短时耐受电流试验用一台6500MVA 短路发电机为电源，经一组断路器短路电流开合试验用的中压变压器供电，进行短时耐受电流试验，要求短时耐受电流为130kA、4s，被试品为封闭母线，本身及连接线每相阻抗4mΩ，按2.3节要点配置中压变压器等参数如下所述。
1)单台6500MVA 短路发电机，14kV 下，
X ″d =30m Ω，X ＇d =41m
Ω，采用6倍数的强迫励磁来维持4s 短时耐受试验电流。
2)回路阻抗：发电机出线端选用17.5kV 封闭母线以减小阻抗，每台发电机出线端至中压变压器一次侧和发电机尾端出线至接地点的总阻抗为14mΩ(14kV 侧)，由于兼顾断路器短路电流开合试验，变压器出口至试品位置之间的阻抗为10mΩ(变压器二次侧)，试品每相及连接线阻抗4m Ω。
3)空载试验电压，试品压降U =3×130×14=3.15kV ；中压变压器出口空载电压U 0=2×3.15=6.3kV，故选择中压变压器二次侧电压为6.15kV。
4)按Z 1=Z 2的原则，选用一组共3台单相中压变压器，每台变压器折算至14kV 侧阻抗为45mΩ，
图3 回路示意图
Z =45/3m Ω(每台)
6500MV A 14m Ω
70×(6.15/14)2=13.5m Ω
60
电机用瞬变电抗计算出力，14kV 下X ＇d =41m
Ω。在强励的工作方式下，发电机短路电流交流分量(有效值)的计算为[3]：
式中：u 0为短路前的空载相电压(三相短路)；ρ为强励倍数。
在三相短路时，x ″x ″d +x w ，x ＇x ＇d +x w ，x =x d +x w ，
u 0对应于相电压(有效值)。
式中：x d 为短路发电机同步电抗；x ＇d 为短路发电机瞬变电抗；x ″d 为短路发电机超瞬变电抗；
x w 为外阻抗/相；T ＇d 为短路发电机瞬变时间常数；T ″d 为短路发电机超瞬变时间常数。
发电机试验系统(图3所示)中短路发电机6倍强迫励磁工况下，试验电流的计算如下所述。
1)6500M V A 短路发电机暂态参数如表4所示[4-5]。
6500MVA 发电机组最大允许12倍强迫励磁。2)计算试验电流用外阻抗X w
发电机电压下(14kV)，将6.15kV 阻抗折算至14kV 后：
X w =14+35/3+(14/6.15)2×14=101.55m Ω (4)
6.15kV 电压下(14kV 侧阻抗折算至变压器二次侧)：
X w =(14+15)×(6.15/14)2+10+4=19.6m Ω (5)电机储能核算：6500MVA 电机转动惯量J =8650kg ·m 2，共4个轴承，每个机械损耗942kW。
电机储能Q =0.5
·J ·W 2(W =2πf )，国家标准规定短时耐受电流试验频率的公差为±10%。
55Hz 时机组的储能M j1=1/2×8650×(2×3.14×55)=515.978MJ。
45Hz 时机组的储能M j2=1/2×8650×(2×3.14×45)=345.4064MJ。
4s 试验可消耗的能量M j =516-345.4-4×942×0.001=166.8MJ。
130kA、4s 试验的耗能Q =I 2×R ×t =1302×1.28×4=86.53MJ ＜166.8MJ。
如图3所示，试验回路折算至6.15kV，总电阻：
R x =(0.1+0.87+0.4+1)×(6.15/14)2+0.32+0.5=1.28m Ω(6)
4 结语
1)短时耐受电流和峰值耐受电流试验设备容量的确定，是以试验设备电压输出端子到试验位置的主回路母线的阻抗Z 21和试品本身及其连接线的阻抗Z 22(见2.2节)构成的Z 2为基础。试验系统
内部两大部分参数的最佳配置是：
Z 1=Z 2，U 0=2U ；尽量减小Z 21，是直接减小所需试验设备的容量。
2)短时耐受电流试验容量小的系统，一般用电网为电源。配置调压变压器或降压调压器，设备输出端到试品位置的电路设置低感大电流的试验专用回路。容量大的短时耐受电流系统一般用断路器短路开合试验设备，此时试验设备与试品间主回路母线阻抗较大，为减小其阻抗，利用短路电流开合试验的设备时，此段线路可用封闭母线减少Z 21，或单独配置动热稳定试验的试验主回路，做成低感大电流母线。
利用短路发电机做电源时，需对机组及试验系统验算是否满足最大试验容量下4s 电流I 2t 及校核发电机组在此工况下的耗能是否满足发电机可提供的能量。
参考文献
[1] 中国电器工业协会.高压交流断路器：GB 1984—
2014[S].北京：中国标准出版社，2014：37-38.[2] 中国电器工业协会.高压开关设备和控制设备标准
的共同技术要求：GB/T 11022—2011[S].北京：中国标准出版社，2012：48-49.
[3] 李重光.国外大容量冲击发电机概况[J].高压电
器，1975，11(4)：55-64.
[4] 张亮，刘大鹏，邵桂兰，等.大中容量短路试验
发电机主要设计特点[J].大电机技术，2011(3)：28-30.
[5] 张万兵，邵桂兰，宋晓东，等.6500MVA 冲击发电
机结构特点[J].电工电气，2010(9)：31-33.
收稿日期：2021-03-08
吸式挖泥船
表4 6500MVA短路发电机暂态参数
瞬变电抗x ＇d /mΩ超瞬变电抗x ″d /mΩ同步电抗x d /mΩ负序电抗x 2/mΩ短路瞬
变时间
常数T ＇d /s 短路超
瞬变时
间常数
T ″d /s 定子电阻r a /mΩ正序电阻r 1/mΩ负序电阻r 2/mΩ41
30
730
30
0.550.0260.87
2.7
4.4
(1)
I Kt =u 0[ +( - )e -t /T ＇+( - )e -t /T ″]
ρx ρx
x ＇1x ＇1x ″1(2)T ″=T ″d ×
×x ＇d
x ″d
x ″x ＇(3)T ＇T ＇d × ×
x d x ＇d
x ＇
x建筑学概论演员表
