變壓器低壓側母線饋線電纜熱穩定分析

杜建宏（上海浦東建筑設計研究院有限公司，上海 201204）

不論是從事工業電氣設計、民用電氣設計的人員，還是照明專業設計人員，工作中都離不開低壓電纜的選型。GB 50054—2011《低壓配電設計規范》對低壓電纜（導體）截面的選擇提出 6 個方面的規定，但很多電氣設計師在選型時往往注重的是載流量、額定電壓、絕緣及護套材料、敷設路徑、回路電壓降乃至經濟電流密度等方面的因素，忽視了電纜熱穩定校驗。

在變配電系統設計過程中，經常會出現因某些變壓器低壓側饋電回路安裝容量小而選用小截面電纜的情況，如變電所配電箱、距變電所距離較近的消防小動力配電箱、應急照明配電箱、普通照明配電箱等回路，如果按載流量選擇則電纜截面過小且電纜長度較短，可能就會出現電纜的熱穩定不滿足要求。該回路發生短路時，在保護電器的瞬時短路保護還未動作之前，電纜的絕緣層在巨大的短路電流熱效應情況下可能會被破壞，同時可能影響到附近的電氣設備或電纜，甚至引發電氣火災。對大容量變壓器的饋線電纜截面 ＜16 mm2時，審圖人員一般會要求設計人員出具電纜熱穩定校驗計算書，但也不宜盲目將所有饋線電纜都放大到16 mm2及以上。本文將結合工程實例就如何快速準確進行電纜的熱穩定校驗展開探討。

1 工程概況

某體育公園項目位于廣西壯族自治區柳州市柳江新區中部綜合功能區 E 組團，距柳州市區 12 km，項目規劃用地約3.27 萬 m2，總投資約 5.05 億元人民幣。建成后的體育公園將以現有的森林及濕地水域為基礎，整合開發成為融觀光、運動、休閑度假等功能為一體的新城綜合性公園，成為開放式、集約型的全民健身場所。

本工程有地面建筑物 13 座，建筑總面積為 24 726.67 m2。根據負荷計算，本工程設置 2 座 10/0.4 kV 變電所，由電網分別引入 2 路 10 kV 電源，在體育館一樓的變電所設置 2 臺1 000 kVA 變壓器，在 13 號樓 1 樓的變電所設置 2 臺 630 kVA變壓器。附近的建筑單體、室外道路、運動場所以及景觀照明的供電由變電所低壓母線側引出。

2 問題提出

本工程施工圖設計階段，變電所低壓母線段的饋線中部分回路由于額定脫扣電流不大（In=20 A/25 A），設計時選用了型號為 WDZA－YJY－4×6＋E 6 的無鹵低煙阻燃型交聯聚乙烯絕緣電纜，在常規載流量的基礎上放大了一擋，未做電纜熱穩定校驗。內部校審時，總工根據經驗，認為常規設計 1 000 kVA 變壓器饋線側截面一般 ≥10 mm2，最好使用16 mm2電纜，本設計使用 6 mm2截面的電纜有可能不滿足短路熱穩定的要求。變電所低壓側系統如圖 1 所示，變電所平面如圖 2 所示。

圖1 變電所低壓側系統圖

圖2 變電所平面圖

認真核對圖紙后，選擇了長度最短的一個回路（變電所配電箱，電纜長度約 13 m），保護電器設計為 CM1-63 M型塑殼斷路器，額定脫扣電流In=25 A。按規范和圖集的相關要求進行電纜的熱穩定校驗。

3 短路電流分析與計算

3.1 短路點的選擇

中國航空工業規劃設計研究總院有限公司編寫的《工業與民用配電設計手冊（第四版）》（以下簡稱《設計手冊》）提出，校驗電纜的熱穩定時，短路點可按下述情況確定。

（1）不超過制造長度的單根電纜，短路發生在電纜的末端。

（2）中間接頭的電纜，短路發生在每一縮減電纜截面的線段首端；電纜線段為等截面時，則短路發生在下一段電纜的首端，即第一個中間接頭處。

（3）無中間接頭的并列的電纜，短路發生在并列點后。

本回路單根電纜的長度約為 13 m，未超過制造長度，符合上面第（1）條的情況，所以熱穩定校驗的短路點應選擇在線路電纜的末端，即電纜長度 13 m 處。

3.2 短路電流查詢與計算

工程設計中應用的短路電流計算通常不必按《設計手冊》中的公式精確計算，圖集 19 DX 101—1《建筑電氣常用數據》（以下簡稱《常用數據》）提供了大部分工程常用數據，其中表 15.8 就提供了 YJV 電纜不同截面用于不同變壓器出線側不同距離處的短路電流參考數據。由于沒有 6 mm2電纜的數據，只好應用《設計手冊》提供的公式 4.3-1 即式（1）來計算實際的短路電流。

工程設計階段，電網參數與變壓器制造參數暫時無法獲知，10 kV電網短路容量按無窮大考慮，變壓器阻抗根據短路阻抗估算（參考《常用數據》15-7頁）可得出：

根據電纜手冊提供的參數可以計算 13 m 銅芯 6 mm2電纜的正序阻抗：

整個回路的三相短路阻抗參數為：

由以上計算過程可知，在網絡參數一定的情況下，電纜線路越長，則短路阻抗越大。當電纜阻抗遠大于變壓器阻抗時，電纜長度同短路電流大致成反比關系，電纜長度增加可以有效抑制系統的短路電流。

4 饋線電纜熱穩定校驗

4.1 按短路電流在電纜中產生的熱量來校驗

電纜的熱穩定允許通過短路電流也可以通過《常用數據》表 15.9 查詢，但是表格中給出的短路持續時間最短是 0.1 s。本案例中計算短路電流為 5.285 kA，約為斷路器額定脫扣電流的 210 倍，遠大于斷路器的瞬時脫扣電流（5～10In），斷路器應瞬時動作。咨詢過市場上主流的斷路器制造廠家，塑殼斷路器瞬時動作的全分斷時間（包含滅弧時間）均在 20 ms 之內。根據《設計手冊》第 11 章在電纜的熱穩定進行校驗時提出“對持續時間不超過 5 s 的短路，按公式 11.2-4即式（2） 校驗持續時間”。

查表得出交聯聚乙烯銅芯電纜的k值為143，計算短路電流允許持續時間。

設計選用的電纜在計算短路電流條件下允許的短路電流持續時間大于斷路器的開斷時間，滿足熱穩定要求。

4.2 在考慮保護電器的限流作用后的熱穩定校驗

在用斷路器作為電纜的保護電器（塑殼斷路器）時，由于斷路器的限流作用，發生短路時實際短路電流一般不會達到計算短路電流，具體限流數值可以從各斷路器制造廠家提供的限流曲線獲得。所以《設計手冊》第 11 章建議對于斷路器保護的回路，短路持續時間 ≤ 0.1 s 時，應按公式 11.2-5 即式（3）要求校驗導體截面。

市面上主流的塑殼斷路器制造廠家都能夠提供允通能量曲線，為增加結果可信度，分析時選用了 3 個廠家提供的允通能量曲線：國際品牌 ABB 的 S 1 型斷路器，如圖 3所示；本案例設計選用的國內技術領先的常熟開關廠 CM 1型斷路器，如圖 4 所示；國產低壓電器廣泛應用的正泰電器廠 NM 1 型斷路器，如圖 5 所示。首先計算電纜允許通過的最大能量。

圖3 ABB S 1 型斷路器允通能量曲線

圖4 CM 1 斷路器允通能量曲線

圖5 NM 1 斷路器允通能量曲線

在短路電流 6 kA 和 25 kA（0 m 處短路）時，通過圖3～圖 5 可得各型號的允通能量值為：S 1 型斷路器在 6 kA時是 240 000（A2s），25 kA 時是 500 000（A2s）；CM 1 型斷路器在 6 kA 時是 5 900（A2s），25 kA 時是 58 000（A2s）；NM 1 型斷路器在6 kA 時是 18 000（A2s），25 kA時是 190 000（A2s）。

由上可知，設計選用的交聯聚乙烯絕緣 6 mm2電纜在短路電流為 6 kA 時，選用上述 3 種中任意一種斷路器作為保護電器，都可以滿足電纜熱穩定校驗，甚至在電纜長度為0 m 的極端情況下，也均能滿足電纜熱穩定校驗。

4.3 校驗結果局限性

（1）從幾個不同廠家提供的允通能量曲線來看，因制造工藝差異較大，不同型號的斷路器限流特性曲線呈現出比較高的離散性，因此不同廠家型號斷路器的允通能量曲線不具備通用性。雖然本次校驗選用了 3 個不同層次的斷路器樣本，但仍然不能說本次熱穩定校驗結論適用于所有斷路器。

（2）本文 4.1 中的校驗方法可供參考，但要說明的是，從嚴謹的角度考慮，校驗結果 0.026 s 通過熱穩定校驗的前提條件是假定斷路器全分斷時間＜0.020 s，實際上這個全分斷時間也會因制造廠家工藝不同而略有差異，《設計手冊》11.2.3.3 也指出瞬時分斷斷路器全分斷時間一般為10～30 ms。

5 結 語

本工程最終出圖時，雖然所選的饋線回路電纜熱穩定校驗在設計選型條件下通過校驗，但考慮到本文上述分析的校驗結果的局限性，經與總工協商后調整此回路的截面為10 mm2，以提供更廣的適用性。本工程其他饋線回路長度均＞ 20 m，未作調整。通過對本工程的電纜熱穩定分析，得出如下結論及建議，供廣大電氣設計人員參考。

（1）電氣設計時應依據規范中的相關要求，對低壓饋線電纜進行熱穩定校驗，尤其是在大容量變壓器的低壓側要注意對那些電纜長度較短、截面積較小的電纜的熱穩定校驗。

（2）在進行短路電流計算和校驗電纜的熱穩定允許通過短路電流時，應盡可能利用《常用數據》中的現有數據；數據不能涵蓋時，盡量運用工程簡化計算的手段來做近似計算。

（3）現代電氣設計中絕大多數饋線回路都是通過斷路器提供保護，應盡可能利用斷路器的允通能量曲線來校驗饋線電纜的熱穩定。

（4）本文提出的電纜熱穩定快速校驗方法是基于一些接近實際情況的假定條件進行的，如果實際工程情況較假定條件有較大差別，建議慎重選用本文提到的計算和校驗方法。

（5）在滿足經濟性及安全可靠的前提下，當大容量變壓器的低壓側饋線電纜不能滿足熱穩定校驗時，建議優先選擇優化電纜敷設路徑（適當加長）以及適當選擇帶限流功能的斷路器（允通能量小）的方法。也可選擇加大電纜截面的方法，但增加截面的同時回路阻抗減少會造成短路電流的增加。從廠家提供的允通能量曲線來看，短路電流增加，斷路器允通能量也是增加的，對提升熱穩定校驗的效果可能不夠明顯。

（6）工程設計中往往工期緊、任務量大，建議大容量（＞1 000 kVA）變壓器的低壓側饋線電纜不宜選擇截面小且長度又短的電纜。通過本文的計算，建議設計人員在長度≤ 15 m 的回路慎重選擇 6 mm2以下的電纜，否則須進行熱穩定檢驗。