淺談變壓器低壓側(cè)柜內(nèi)出線小截面電纜的選用

劉志遠

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司 電氣及自動化事業(yè)部，北京 100038)

淺談變壓器低壓側(cè)柜內(nèi)出線小截面電纜的選用

劉志遠

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司 電氣及自動化事業(yè)部，北京 100038)

本文通過計算，分析了大容量變壓器低壓側(cè)柜內(nèi)出線回路小截面導體熱穩(wěn)定校驗的方法及其必要性。

低壓斷路器；塑殼斷路器；分斷能力；熱穩(wěn)定；限流特性；允通能量

1 問題提出

在工程設(shè)計中，一般要設(shè)置多個10/0.4 kV車間變電所，作為各車間工段生產(chǎn)設(shè)備的電力供應(yīng)中心。根據(jù)某工程項目負荷分布情況，選用變壓器(D,yn11連接)容量為800 kVA、1000 kVA、1600 kVA不等。設(shè)計統(tǒng)一技術(shù)規(guī)定中選用的動力線纜的型號為YJV，示例回路最小截面為2.5 mm2。圖紙審查人員提出“根據(jù)GB50054-2011第3.2.2條，電纜截面選擇應(yīng)滿足短路熱穩(wěn)定的要求，請校驗變壓器低壓側(cè)出線低壓配電柜內(nèi)出線為YJV2.5 mm2的支路電纜截面”的要求。

2 問題分析

車間變電所低壓配電柜內(nèi)屬于母干線式配電，按照規(guī)范要求，保護電器應(yīng)裝于保護線路和母干線的連接處，在本工程中，柜內(nèi)保護電器采用塑殼斷路器，柜內(nèi)電纜長度一般來說不會超過3 m，也會在設(shè)計及施工過程中采取措施，降低柜內(nèi)短路發(fā)生的可能，但柜內(nèi)一旦發(fā)生短路，就會產(chǎn)生較大的短路電流，這是由于柜內(nèi)母干線距離大容量車間變的低壓側(cè)很近，短路阻抗幾乎不增大，三相短路電流得不到衰減；再者，在短路發(fā)生的半個周波內(nèi)，短路電流為三相短路全電流，含有非周期分量，致使母干線附近的短路電流更大，對于小負荷的配電線路來說很有可能造成急劇熱效應(yīng)以致其電纜高溫，甚至超過其極限溫度，加劇線路絕緣損壞。如果周邊有易燃物，有可能引燃易燃物，造成火災(zāi)事故。為有效避免此類事故發(fā)生，需做好大容量變壓器低壓側(cè)柜內(nèi)小截面電纜的熱穩(wěn)定校驗工作。

目前，～0.4 kV級低壓配電系統(tǒng)設(shè)計中大多采用塑殼斷路器作為配電線路的短路保護電器，這緣于它體積小、模塊化、高分斷、保護種類多樣、智能化、維護工作少等諸多優(yōu)勢。恰當選用斷路器的分斷能力，可以將短路電流及時切斷，從而保護線路，起到防災(zāi)目的。在諸多優(yōu)勢中，塑殼斷路器分斷能力已經(jīng)取得長足發(fā)展，例如某產(chǎn)品相同額定殼架電流甚至做到四種分斷能力可選。可以說，分斷能力不夠的問題已經(jīng)不再是低壓塑殼斷路器在配電線路短路保護上的短板。設(shè)計中一般按照斷路器額定運行短路分斷能力來配合短路點的預期短路電流，最不利的情況下，也要按照斷路器的額定極限短路分斷能力配合預期短路電流，不過此時存在斷路器損壞不能繼續(xù)使用的問題，需慎重選用。本文采用的斷路器分斷能力數(shù)據(jù)均為額定運行短路分斷能力。

同時，斷路器分斷短路電流之前，要保證配線導體的溫升不超過其允許極限溫度。溫升是短路電流急劇作用并以熱能方式釋放的結(jié)果，熱效應(yīng)為I2t，不同時段下短路電流的取值不同，熱效應(yīng)大小也會有差別。

該時間可以按公式(1)確定。

t≤(k2·S2)/I2

(1)

式中S—絕緣導體的線芯截面，mm2；I—預期短路電流有效值(均方根值)，A；t—在已達到允許最高持續(xù)工作溫度的導體內(nèi)短路電流持續(xù)作用的時間，s；

k—計算系數(shù)，可查相關(guān)數(shù)據(jù)[1]。

此公式得變形公式即為電纜熱穩(wěn)定校驗公式，見公式(2)。

(2)

該公式假定短路電流持續(xù)時間小于5 s，在大于5 s時，對于小殼架等級額定斷路器一般瞬動脫扣已完成，或者由于熱量的散失，不會產(chǎn)生很大熱效應(yīng)，這種情況不屬于本文討論范圍。

工頻電網(wǎng)下，遠離發(fā)電廠處短路點的短路電路總電阻較小，總電抗較大時，短路電流直流分量衰減時間常數(shù)約為0.05 s，在短路發(fā)生半周期(0.01 s)內(nèi)某個瞬間，直流分量不衰減，三相短路電流達到全電流峰值，對于位于變壓器低壓側(cè)的短路點，短路電流全電流有效值可達到三相短路電流交流分量的1.51倍，目前0.1 s時間范圍內(nèi)瞬動脫扣保護的導線截面需按此短路電流進行校驗。

但是，本工程選用了限流型塑殼斷路器，對照斷路器時間/電流特性曲線，殼架等級額定電流為63 A，整定額定電流為10～25 A的塑殼斷路器的瞬動脫扣時間為0.02 s以內(nèi)，整定額定電流為32～63 A的塑殼斷路器的10倍瞬動脫扣時間約在0.02～2 s范圍內(nèi)，在0.02～2 s時間內(nèi)短路電流的作用能量可以通過斷路器的允通能量曲線查得，見圖1、圖2。非限流斷路器、限流斷路器對電纜截面的選擇比較如表1所示。

圖1 CM3-63L M允通曲線

變壓器容量/kVA80010001600三相短路電流有效值/kA17.8721.9933.58三相短路電流全電流有效值/kA2733.250.71熱效應(yīng)/A2S270023320250712額定運行短路分斷能力Ics=35kACM3-63M,10A85000120000-斷路器允通能量/A2SCM3-63M,63A200000280000-額定運行短路分斷能力Ics=50kACM3-100M,10A100000180000210000CM3-100M,63A600000750000900000限流前最小截面/mm218.8823.2235額定運行短路分斷能力Ics=35kACM3-63M,10A2.042.42-限流后最小截面/mm2CM3-63M,63A3.133.70-額定運行短路分斷能力Ics=50kACM3-100M,10A2.212.973.20CM3-100M,63A5.426.066.63

使用條件：(1)高壓側(cè)系統(tǒng)短路容量按∞考慮, 變壓器選型SCB9系列,10±2x2.5%/0.4 kV, D,yn11,Ud=6%； (2)三相短路電流全電流有效值/三相短路電流有效值=1.51； (3)熱效應(yīng)作用時間按0.01 s考慮； (4)電纜絕緣材料計算系數(shù)k=143； (5)斷路器數(shù)據(jù)參見CM3系列塑料外殼式斷路器。

由表1可得：盡管變壓器低壓側(cè)短路點處可產(chǎn)生的熱效應(yīng)很大，但是具有限流作用的斷路器將允通能量以數(shù)量級形式拉到低值，很大程度上減小了電纜截面。在導體滿足載流量及壓降等條件的前提下，按照表1的計算條件，800 kVA及1000 kVA容量變壓器低壓側(cè)柜內(nèi)配電電纜最小截面選用2.5 mm2、1600 kVA容量變壓器低壓側(cè)柜內(nèi)配電電纜最小截面選用4 mm2即可滿足該處短路電流的熱穩(wěn)定校驗。

改變以上計算使用條件，如：根據(jù)工程實際參數(shù)，可以減小高壓側(cè)短路容量；斷路器瞬動脫扣時間大于0.1 s，從而短路電流直流分量衰減，預期短路電流趨于短路周期分量，這些情況下可精確計算得到滿足要求的最小截面，根據(jù)計算，對于1600 kVA容量變壓器，除非高壓側(cè)系統(tǒng)短路容量小至20 MVA甚至更小，才能選擇小于4 mm2電纜，對于800 kVA及1000 kVA容量變壓器，高壓側(cè)系統(tǒng)短路容量甚至需要小至10 MVA，才能選擇小于2.5 mm2電纜，這對于滿足負荷要求、并網(wǎng)容量巨大、工程前期數(shù)據(jù)難以獲得的當前實際來說不太具有現(xiàn)實意義。

綜上所述，工程實際應(yīng)用中，800 kVA及1000 kVA容量變壓器低壓側(cè)柜內(nèi)配電電纜最小截面選用2.5 mm2、1600 kVA容量變壓器低壓側(cè)柜內(nèi)配電電纜最小截面選用4 mm2即可滿足該處短路電流的熱穩(wěn)定校驗。

3 結(jié)論

通過以上計算與分析，可以看出，在導體滿足負荷要求的前提下，應(yīng)該重視大容量變壓器低壓側(cè)柜內(nèi)出線回路小截面的熱穩(wěn)定校驗，校驗過程中需配合保護電器提供的曲線，優(yōu)先選用限流型產(chǎn)品，從而降低配電電纜截面，減少不必要的投資。

[1] 中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊(第3版)[M].北京：中國電力出版社，2005.

[2] 低壓配電設(shè)計規(guī)范，GB 50054-2011[S].

Brief Analysis of Selection for Small Cross-sectional Area Cable in Low-voltage Distributors nearby Transformer Low-voltage Outlet

LIU Zhi-yuan

(Electrical and Automation Department, China ENFI Engineering Corporation, Beijing 100038, China)

The paper analyses how to check thermal stability of small cross-sectional area cable in low-voltage distributors nearby transformer low-voltage outlet and the necessity of the checking through calculation.

low voltage circuit breaker；moulded case circuit breaker(MCCB)；breaking capacity；thermal stability；current limiting characteristic；limited energy

2014-01-22

劉志遠(1977-)，女，河北徐水人，工程師，碩士研究生，主要從事供配電設(shè)計工作。

TM406

B

1003-8884(2014)03-0027-03