低压配网主电源短路电流计算

摘要：本文提供一般低压配电网主电源侧短路电流计算的公式，对三种特殊情 况下主电源下侧短路电流的计算进行分析，同时介绍了特殊情况下电机和电弧 对短路电流的影响。本文计算公式可为低压配电网下断路器、隔离开关、熔断 器、电缆、母排等短路的参数选择提供参照依据。

关键词：短路电流、分断能力、并列、反激电流

前 言

低压配电网是电力系统中数量最大的配网系统，其中低压元件种类繁多， 各种故障情况发生频率较高。同时，用户对低压配电网安全性、可靠性要求也 在不断提高，与之相对应的低压电器性能需求也不断提升。

尤其随着低压配电网的容量日趋扩大，其中可能产生的短路电流值日趋增 加；经常要求我们对低压电器的故障承受和处理能力进行计算。因此，掌握系 统中关键点的三相对称短路电流值计算是非常必要的，可以由此来确定低压断 路器的容量（运行或极限分断能力）、电缆的规格（额定热耐受）、保护装置 的类型（选择性脱扣设置）等参数。

一般低压配电网按照和主电源距离可以分为三级，说明如下：

1）一级配电网：离变压器距离最近，装置在低压主配电柜中，主要由框

架式断路器和母排组成；

2）二级配电网：安装于框架开关下侧，装置在低压分配电柜或进户箱之

中，主要由塑壳式断路器和母线及连接电缆组成；

3）终端配电网：接近于负载安装，装置于照明、动力、计量箱之中，主

要由微型断路器和连接导线组成；

其中，靠近主电源的一级配电网的短路电流计算是整个低压配电网短路电 流计算的基础，下面针对不同的配电方式加以分析：

一、单台变压器低压侧短路电路的计算

（以下所有的短路电流都指零阻抗三相短路电流，即“栓定式”短路） 单台变压器的计算适合于住宅、小型公商业建筑等配电设计中的短路电流 值估算。这些建筑的特点是变压器容量较小，一般在 1600kVA 以下，无大型电 机等负荷，在这类低压配电网中某点短路电流的计算需要考虑的因素主要有以 下几点：

1）变压器额定功率 P； 2）变压器短路阻抗电压值 Usc； 3）变压器低压侧额定电压 U20； 4）变压器高压系统网络阻抗 Zs；

5）故障点上端至变压器低压侧的每相阻抗值 Zt0； 而主电源侧的短路电流近似计算，由于高压系统的阻抗因为太小可忽略不

计，而低压侧阻抗因为是故障点靠近低压出线侧，也可忽略。这样可大大简化 整个计算过程。

现假设系统中只有单台 1600kVA 变压器，Usc=6%，二次侧额定电压

U20=400V，求其变压器低压侧出线短路电流值。 第一步，由变压器额定功率和

二次侧额定电压值求出二次侧额定电流值， 公式如下：In=P×1000/(U20×1.732)=2309(A)（）； 第二步，根据变压器额定电

流和变压器阻抗电压值，计算出变压器二次侧 短路电流值：Isc= In/Usc=38(kA)

此时所得值即为变压器二次侧短路电流值； 此计算原理来自于变压器短路阻抗电压的定义：变压器的阻抗电压 Usc 表

示变压器副边短接(路)，当副边达到其额定电流时，原边电压为其额定电压的 百分值。因此当原边电压为额定电压时，副边电流就是它的预期短路电流。 这

种计算方式简便易行，由此可得出一般建筑中变压器出线侧短路电流估 算的快捷公式：In=P×1000/(U20×1.732×Usc)。 此短路电流值也是选择低压空气

断路器（框架开关）的依据。根据变压器

容量和阻抗电压值就可方便估算出其出线侧短路电流值。表 1-1 是一般常用变 压器阻抗电压值及短路电流值计算结果：

变压器容量 变压器低压电压 短路阻抗电压 额定电流 短路电流 Isc P（kVA） U20（V） Usc（%） In（A） （kA） 400 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 400 400 400 400 400 400 400 400 400 4 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7 577 909 1155 1443 1804 2309 2887 3609 47 14 23 26 29 33 38 44 52 65

表 1-1

从上述计算结果可看出，在最常用的 800~1600kVA 变压器下，其出线侧

最严重的短路电流 Isc 不会超过 45kA，因此在选择空气断路器分断能力时，只

需选择分断短路电流能力大于 45kA 即可。这样可以节省整体低压配电网的投 资。

以上所考虑的是一级低压配电网，即变压器下侧最严重的三相短路时，其 电流值计算，可以据此选择框架开关分断能力；而二级低压配电网所采用的塑 壳开关（MCCB）则无需采用这么高的分断能力，可以考虑母线、断路器、电 缆的阻抗，适当降低分断能力的要求。

二、两台变压器供电的短路电流值计算

两台变压器组成的低压配电网一般采用两进线一母联的供电方式，能够大 幅提高供电可靠性和维护性，为多数配电设计所采用。

这种配电系统有两种运行方式： 一种是两台变压器的低压侧断路器采用电气和机械联锁的方式避免并列运

行，以避免并列时的危险性，一般应用于大型住宅小区、公商建筑项目；

另一种是两台变压器可同时为一个母排供电，能够大大提高供电持续性， 这种方式一般应用于工业厂房、电厂石化等连续生产制要求较高的项目之中。

1、非并列运行两台变压器供电：

在此种供电方式中，任一时刻只有一台变压器对一段母线供电，因此其短 路电流的计算和前述方式一致：即其变压器下侧短路电流值等于单台变压器供 电时短路电流值，在框架开关的选择上不需要考虑增大分断能力。 同时，可以

看到在这种供电方式下，二级低压配电网的短路电流值也和单 台变压器一致，因此也无需在塑壳开关上放大分断能力。

2、可并列运行两台变压器供电 在此种供电方式中，存在两台变压器同时为一段母线供电的状况，如图 1- 1 所示。

此种供电方式中，一级配电网任何一点发生短路电流时，理论上，此点的 短路电流值应为两变压器所产生短路电流值之和。但由于变压器高压侧容量不 可能为无限大，同时网络阻抗等原因，实际值会小于此值。

T1 A B T2 C

图 1-1

M1 M2 M3 M5 M6 但可以看出，在一级配电网任一点发生短路时，框架式断路器 A、B、C 所承受的短路电流都仅是变压器 T1 和 T2 其中一台所产生的短路电流值，因此 其分断能力的选择只需要大于其中一台变压器短路电流值即可。

断路器 A、C 分断能力分别需要大于 T1 和 T2 的短路电流值，而断路器 B 需要大于 T1 和 T2 中任一台可能产生的最大短路电流值，其计算等同于单台变

压器短路电流值的计算方式。在选择中会发现，满足并列运行条件的 T1 和 T2 由于额定电流值、短路电压值相等，因此二者低压侧短路电流值应该相等。

需要注意的是，此时二级配电网的任一点短路电流值的计算都应为 T1 和 T2 作用电流之和，因此可能会出现塑壳开关所需分断能力大于框架开关所需分 断能力的情况。

表 1-2 为两台变压器并列运行时，一级配网主断路器和其下所接馈线断路 器的分断能力选择表： 变压器数量和额定 主断路器短路分 馈线断路器短路分断 功率 P（kVA） 断能力 Icu(kA) 能力 Icu(kA) 2*400 2*630 2*800 2*1000 2*1250 2*1600 2*2000

14 22 22 23 29 38 47 表 1-2 27 42 38 47 59 75 94 三、单台发电机供电短路电流的计算

在船舶、移动机站、远离城市的用电单元等会采用发电机作为主要供电电 源。发电机下侧短路电流值的出现和计算都和变压器有所不同。

当短路发生在发电机下侧时，短路电流值会经过三个阶段的变化： 1）次瞬态阶段：0~20ms 内，故障电流会达到 6~12In； 2）瞬态阶段：100~500ms 时，故障电流降至 1.5~2In； 3）稳态阶段：500ms 以后，此时分两种状况：

①短路过程中发电机励磁不增加（无磁场过励磁）：此时短路电流值由发 电机同步电抗 Xd 决定，Xd 典型至大于 200%，因此短路电流值通常在 0.5In 左右；

②发电机处在最大励磁状态（最高磁场状态）或复合励磁状态，励磁冲击 电压会使故障电流增加 10s 左右时间，通常会达到 2~3In。

一般发电机厂家会指定在瞬态或稳态的条件下进行操作，因此对瞬态和稳 态短路电流的分析是发电机短路电流估算的关键。 发电机短路电流估算公

式 ：Isc=（In×100）/Xd ； In：发电机全负荷电流； Xd：发电机瞬态或稳态短路阻抗值，表示为额定电压的 a%； 经过比较会发现，对于同样的功率，靠近发电机的短路电流值会比在变压 器（主电源）处的短路电流弱 5~6 倍。 而且事实上，当发电机作为变压器后备

电源时，发电机组的功率通常小于 变压器的功率。例如某工厂由 2000kVA 的变压器主电源供电时，在低压盘母线 上短路电流是 42kA；当由其 500kVA 的备用发电机供电时（瞬态电抗 30%）， 短路电流会接近 2.5kA，即它比主电源短路电流值弱 16 倍！

因此在选择发电机下侧的断路器及电缆时，可适当降低对短路参数的要 求，避免浪费。

（两台发电机并联运行的短路电流计算可参考两台变压器并列运行的短路 电流计算方法）

四、其他特殊情况

1、电动机反激电流的影响 在短路的瞬间，正在工作的电动机会暂时具有发电机的性能，向故障点供

电（这里电动机为三相电动机，单相电动机可以忽略不计）。

一般此故障电流可以忽略不计，但当有大型电动机或者多个小型电动机时 （这在电厂、石化行业中较为普遍），这种影响需要考虑入总短路电流值。总 的反激电流值可以由以下公式：

每个电动机的反激电流：Isc=3.5In； 同时工作的 n 个电动机反激电流：Isc=n×3.5In； 在计算反激电流对低压配电网中某点短路电流值的影响时，应考虑电机到

此点的线路阻抗、拓扑结构等因素。 电机所产生的反激电流影响一般仅限于二

级和终端配电网，对于一级配电

网，由于线路长度和故障发生概率低等原因，反激电流影响可以忽略。

2、故障电弧电阻的影响 短路故障一般会在短路点和限流型断路器内生电弧，此电弧带有一定电

阻。电弧电阻不稳定且电阻值较低，但仍能够在某种程度上减少故障电流。 经

验说明，由于短路点电弧电阻的存在，故障电流能够减少 20%；而如果 采用限流型断路器，最大能够将断路器下侧的故障电流值降低 80%（如

Compact NS 等型号断路器）。 这个现象能够有效缓解断路器的分断压力，同

时可以加以配合形成级联，

在不影响性能的条件下，降低整体配电网的投资。

结 论

低压配电网的短路电流计算关键在于主电源处短路电流计算，这里的计算 有一定的共性，因此可采用许多便捷方式进行计算。不同的配电和运行方式会 改变电路中短路电流值，因此，在低压电器的选择和设计中，需要结合配电方 适和运行方式来考虑不同的配网保护的要求，在保证性能的基础上避免浪费。

参考书籍：

《电气装置应用（设计）指南》 施耐德电气主编

中国电力出版社

《低压配电网路短路电流的计算和保护用断路器分断能力的选择》 连理 枝 电工技术杂志 2004 年 10 期