供配電設計中高壓設備及電纜的短路校驗

黃慶福

(中土集團福州勘察設計研究院有限公司，福建 福州 350000)

為保證高壓開關柜及設備安全可靠運行，設計高壓設備具體參數時應按正常工作條件、故障時的熱動穩定校驗以及工作環境條件來選擇。高壓電纜的選型設計除了需要按溫升選擇截面外，還需進行短路的熱穩定及動穩定校驗，本文通過短路電流計算，結合實際工程案例給出高壓設備及電纜的選型設計，有利于提高設計質量，以達到供電安全、可靠以及經濟。

1 短路阻抗的計算

在三相交流供電系統中，可能發生的短路有單相接地短路、兩相短路以及三相短路故障，當短路點發生在發電機附近的時候，兩相短路電流可能大于三相短路電流，除此之外，三相短路電流最大。10kV電力系統短路可視為遠端短路，短路電流交流周期分量基本保持不變，即不發生衰減。電力系統短路阻抗由饋出的高壓電力電纜線路的阻抗以及系統短路電抗兩部分組成。

1.1 電纜線路的阻抗計算

輸電線路阻抗標幺值為：

式中，Sb為基準容量，Ub為基準電壓，ZL為線路阻抗，z0為單位長度線路阻抗，L為線路長度。基準電壓Ub=1.05Un。Un為各級電壓標稱值。輸電線路單位長度的阻抗值可通過廠家給出的電感值來求得。

1.2 系統短路電抗的確定

電力系統的短路容量應由相關供電部門提供，當獲取困難的情況下，可以近似由上級變電站高壓柜饋出斷路器的分斷能力來求得：

式中，Sk為系統短路容量(MVA)，Un為饋出柜母排電壓(kV)，Ik為饋出柜斷路器的分斷電流(kA)。

此外，短路容量也可由上級變電站變壓器的容量以及短路阻抗百分比來求得，具體為：

式中，Sk為系統短路容量(kVA)，Sn為變壓器額定容量(kVA)，Uk為變壓器短路阻抗百分比。

根據系統的短路容量即可計算出系統短路阻抗，由于系統短路電阻很小，可以忽略不計，因此，在計算系統短路阻抗的時候，可只計短路電抗值，系統短路電抗標幺值為：

2 系統短路電流計算

10kV電纜線路短路屬于遠端短路，因此，三相短路較兩相短路及單相短路電流要大，對于電纜線路及高壓設備的校驗應按三相短路電流來校驗。但是，為了確定繼電保護的方案，還需要計算最小運行方式下的兩相短路電流。對稱穩態三相短路電流有效值的標幺值為：

對稱穩態三相短路電流有效值用于電力電纜以及高壓設備的熱穩定校驗。高壓開關柜的選型設計中，還應對其動穩定進行選型校驗，動穩定需要用三相短路電流的沖擊電流來校驗，三相短路沖擊電流出現在短路發生后的前半周內，其值為：

式中，ip為三相短路電流短時沖擊電流，Kp為短路電流峰值系數，Ik為對稱穩態電流有效值。短路電流峰值系數Kp根據短路回路的實際情況取1～2不等，一般10kV電力系統三相短路峰值系數取1.8。

設計過程中，通過上述方法求出短路電流之后，即可對高壓開關柜及電力電纜進行選型設計并校驗。

3 高壓柜及電力電纜動熱穩定校驗

10kV高壓開關柜的選型設計需進行額定電流、額定電壓、額定開斷電流、動穩定以及熱穩定校驗。開關柜的額定電流及額定開斷電流應不小于線路最大負荷情況下的運行電流。動穩定及熱穩定需要采用線路三相短路電流來校驗，動穩定采用三相短路沖擊電流來校驗選擇，熱穩定應按繼電保護和開關固定分閘時間之和的電流有效值來校驗選擇。

高壓電纜除了用按溫升選擇電纜截面之外，還需采用穩態三相短路電流有效值進行熱穩定校驗選型。電纜熱穩定的最小截面為：

式中，Smin為電纜熱穩定的最小標稱截面（mm2），C為熱穩定系數，熱穩定系數可通過設計手冊查得，Qt為三相短路電流產生的熱效應（kA2·s），其值為：

式中，ikt為短路電流瞬時值(kA)，Ikt為短路電流交流分量有效值(kA)，idc為短路電流直流分量，T為短路電流直流分量等效時間(s)。t為短路電流切除時間(s)。

4 工程設計實例

某路局車輛段新建一檢修庫計算用電總負荷為3200kVA，為提高供電可靠性，供電方案采用雙電源高低壓母線分段，兩路10kV電源分別引自不同10kV母線段，如圖1所示。

(1)10kV線路采用電纜形式，首先，按溫升選擇電纜截面。最大負荷電流為184.75A，通過查詢手冊采用YJV22-10kV-3×95的電纜。

圖1 供電方案

(2)選取基準容量為Sb=100MVA，基準電壓為Ub=10.5kV，上級變電站變壓器容量為50MVA，變壓器短路阻抗百分比Uk%=10.5，可求出系統短路容量為476.2MVA，從而系統的短路電抗，標幺值為：X*=0.21。

(3)10kV變配電所距離上級變電站的距離為500m，因此，RL*=0.043，XL*=0.039。

(4)由式3.2可求得短路電流有效值

根據以上計算出的短路電流即可對電纜進行熱穩定校驗，以及對高壓進線柜和高壓母聯柜進行選型。繼電保護主保護采用電流速斷保護，斷路器選取快速型，固有分閘時間為0.1s，后備保護時間為0.5s，交聯聚氯乙烯電纜的熱穩定系數C值取145，因此，可算出電纜滿足熱穩定的最小標稱截面，因此，按溫升選擇的電纜型號YJV22-10kV-3×95不滿足熱穩定要求，應加大一級，改為YJV22-10kV-3×120。

短路沖擊電流為三相短路電流有效值的2.55倍，即ip=55.44kA，因此，高壓柜動穩定極限開斷電流選擇63kA。而短路電流有效值Ik=21.74kA，因此，高壓柜滿足熱穩定的短時耐受電流選擇25kA。

5 結語

高壓電器及電纜的動熱穩定校驗是供配電設計中重要環節，設備必須耐受在系統最大運行方式下的短路熱效應及電動力。而短路電流的計算為該校驗的基礎，采用實用法對短路電流進行計算，在此基礎上，對高壓設備及電纜進行動、熱穩定選型校驗，可形成一套較為完善的設備及線纜選型流程。