鋁合金電纜短路電流的計(jì)算及與銅芯電纜的比較

王國(guó)忠

（江蘇通光強(qiáng)能輸電線科技有限公司，江蘇海門226100）

鋁合金電纜短路電流的計(jì)算及與銅芯電纜的比較

王國(guó)忠

（江蘇通光強(qiáng)能輸電線科技有限公司，江蘇海門226100）

給出了鋁合金電纜短路電流的推導(dǎo)和計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與銅芯電纜的允許短路電流作了比較，從短路容量的滿足方面，指出了用鋁合金電纜替代銅芯電纜的截面要求。

鋁合金電纜；短路電流；計(jì)算；銅芯電纜；比較

0 引 言

當(dāng)配電系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，電纜中有巨大的短路電流流過(guò)，產(chǎn)生大量的熱，使電纜溫度急劇上升。如果短路電流不能迅速切斷，電纜的絕緣和護(hù)套就會(huì)很快發(fā)生熱膨脹、變形和分解，甚至冒煙、燃燒和導(dǎo)體熔斷，危害人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，因此，電纜短路熱穩(wěn)定性的正確校驗(yàn)十分重要。電纜短路電流的校驗(yàn)主要用于以下幾點(diǎn)：

（1）校驗(yàn)保護(hù)電器的分?jǐn)嗄芰?，如斷路器、熔斷器的分?jǐn)嗄芰?yīng)大于安裝電器可能出現(xiàn)的最大預(yù)期短路電流；

（2）確定保護(hù)電器的整定值，使其在短路電流對(duì)開(kāi)關(guān)電器及線路器材造成破壞之前切斷故障電路；

（3）校驗(yàn)開(kāi)關(guān)電器及線路器材的動(dòng)力穩(wěn)定和熱穩(wěn)定是否滿足規(guī)范要求。

對(duì)于常規(guī)電纜的熱穩(wěn)定校驗(yàn)，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員都有豐富的經(jīng)驗(yàn)。然而，鋁合金電纜是一個(gè)新的產(chǎn)品，在產(chǎn)品推廣和銷售過(guò)程中，常常有設(shè)計(jì)人員咨詢到鋁合金電纜短路電流的計(jì)算及其短路電流與銅芯電纜比較的問(wèn)題。本文就這方面內(nèi)容加以探討。

1 鋁合金電纜短路電流的計(jì)算

鋁合金導(dǎo)體電纜如發(fā)生短路故障，同常規(guī)電纜一樣，通過(guò)導(dǎo)體的電流可達(dá)額定電流值的幾倍或幾十倍。不過(guò)短路電流作用時(shí)間很短，一般只有幾秒或更短的時(shí)間。在短路電流作用期間，如果電氣參數(shù)設(shè)計(jì)正確的話，各種保護(hù)電器能迅速動(dòng)作，電纜的溫度不會(huì)超過(guò)允許的最高工作溫度。對(duì)于交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣的鋁合金電纜，短路時(shí)允許最高工作溫度為250℃；對(duì)于聚氯乙烯（PVC）絕緣的鋁合金電纜，截面≤300 mm2時(shí)，最高允許短路溫度為160℃，而截面大于300 mm2時(shí)，則為140℃。

計(jì)算鋁合金電纜的允許短路電流時(shí)，由于短路電流作用時(shí)間短，為方便起見(jiàn)，認(rèn)為在電纜短路期間，導(dǎo)體損耗產(chǎn)生的熱流全部使導(dǎo)體溫度上升，向絕緣層散發(fā)的熱量可以忽略不計(jì)。同時(shí)認(rèn)為，導(dǎo)體的熱容系數(shù)、導(dǎo)體交流電阻與直流電阻之比均與溫度無(wú)關(guān)。這樣，對(duì)單位長(zhǎng)度（本文以1 m長(zhǎng)電纜計(jì)算）的電纜有：

式中：ISC為允許短路電流（A）；R20為1 m長(zhǎng)電纜20℃時(shí)的導(dǎo)體直流電阻（Ω）；α為20℃時(shí)電纜導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)（1/℃）。對(duì)于8000系列鋁合金導(dǎo)體，α取0.00403/℃。

將式（2）代入式（1），整理后得：

將式（3）兩邊積分。設(shè)短路開(kāi)始時(shí)，導(dǎo)體的溫度為θ0，在t秒時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)體達(dá)到的溫度為θc，于是有：

設(shè)導(dǎo)體的截面為S，8000系列鋁合金導(dǎo)體的電阻率ρ取0.028264Ω·mm2/m，熱容系數(shù)q取2.5× 10-3J/℃·mm3，對(duì)1 m長(zhǎng)電纜：

R20=0.028264/S （Ω）

K=q·S·1000=2.5S（J）

代入式（4）得，

將電纜允許的短路溫度和短路開(kāi)始時(shí)的導(dǎo)體假設(shè)溫度代入式（5），可得單位面積鋁合金導(dǎo)體電纜在1 s內(nèi)的允許短路電流即電流密度，見(jiàn)表1。

表1 鋁合金電纜短路時(shí)允許的瞬時(shí)電流密度ISC

2 銅芯電纜的短路電流密度

將前面的推導(dǎo)和計(jì)算用的鋁合金導(dǎo)體的參數(shù)更換為銅導(dǎo)體的參數(shù)，即20℃時(shí)導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)α、導(dǎo)體電阻率ρ、導(dǎo)體熱容系數(shù)q分別取0.00393（1/℃）、0.017241（Ω·mm2/m）、3.45×10-3（J/℃· mm3），可得單位面積銅芯導(dǎo)體電纜在1 s內(nèi)的允許短路電流即電流密度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 銅芯電纜短路時(shí)允許的瞬時(shí)電流密度ISC

3 比 較

從表1和表2可以發(fā)現(xiàn)，在絕緣類型相同、截面相同、短路持續(xù)時(shí)間相等的情況下，銅芯電纜的短路允許電流密度是鋁合金芯電纜的1.51倍。換言之，如果要保持與銅芯電纜相同的短路容量，鋁合金導(dǎo)體的截面應(yīng)是銅芯導(dǎo)體的1.51倍。如果用XLPE絕緣的鋁合金電纜替代PVC絕緣的銅芯電纜，對(duì)于導(dǎo)體截面≤300 mm2的電纜，在同樣的導(dǎo)體短路起始溫度時(shí)，鋁合金導(dǎo)體的截面只要放大到1.13～1.21倍，就能滿足短路電流相同的要求；而對(duì)于導(dǎo)體截面＞300 mm2的電纜，PVC絕緣的銅芯電纜的允許短路電流密度比XLPE絕緣的鋁合金電纜的大1.01～1.12倍，即從短路容量方面考慮，在導(dǎo)體截面＞300 mm2時(shí)，可以用XLPE絕緣截面為1.01～1.12倍銅芯截面的鋁合金電纜代替銅芯PVC絕緣的電纜。

4 結(jié) 論

用在短路期間，導(dǎo)體損耗產(chǎn)生的熱流全部使導(dǎo)體溫度上升，向絕緣層散發(fā)的熱量可以忽略不計(jì)的方法推導(dǎo)得出的電纜短路電流應(yīng)該是偏安全的值，因?yàn)閷?shí)際短路期間，盡管短路電流作用的時(shí)間極短，熱流還是會(huì)向絕緣和護(hù)層散發(fā)，這樣，在一定的短路時(shí)間內(nèi)，實(shí)際的允許短路電流應(yīng)該比前面計(jì)算的允許值略大一些。本文給出了鋁合金電纜短路電流的推導(dǎo)和計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與銅芯電纜的允許短路電流作了比較，從短路容量的滿足方面，指出了用鋁合金電纜替代銅芯電纜的截面要求。由計(jì)算和比較可以得出這樣的結(jié)論：絕緣類型相同、截面是銅芯導(dǎo)體1.51倍的鋁合金電纜，具有和銅芯電纜相近的滿足熱穩(wěn)定校驗(yàn)的能力；如果用XLPE絕緣的鋁合金電纜替代PVC絕緣的銅芯電纜，對(duì)于導(dǎo)體截面≤300 mm2的電纜，在同樣的導(dǎo)體短路起始溫度時(shí)，鋁合金導(dǎo)體的截面只要放大到1.13～1.23倍，就能滿足短路電流的要求；而對(duì)于導(dǎo)體截面＞300 mm2的電纜，可以用XLPE絕緣截面為1.01～1.12倍銅芯截面的鋁合金電纜代替銅芯PVC絕緣的電纜，就能滿足短路容量的要求。

［1］ GB 50217-2007 電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］ GB/T 12706-2008 額定電壓1 kV（Um=1.2 kV）到35 kV（Um=40.5 kV）擠包絕緣電力電纜及附件［S］.

Calculation of the Short-Circuit Current of an Alum inum Alloy Cable and Comparison w ith the Short-Circuit Current of a Copper Cable

WANG Guo-zhong
（Jiangsu Tongguang Qiangneng Transmission Line Technology Co.，Ltd.，Haimen 226100，China）

This paper gives the derivation and calculation of the allowing short-circuit current of an aluminum alloy cable.Comparing with that of copper conductor cable，it points out the requirement of the area of an aluminum alloy conductor in place of a certain copper conductor cable.

aluminum alloy cable；short-circuit current；calculation；copper conductor cable；compare

TM201.3

A

1672-6901（2014）05-0017-03

2014-04-22

王國(guó)忠（1962-），男，總工程師，高級(jí)工程師.

作者地址：江蘇海門市大生路3966號(hào)［226100］.