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(yuǎn)

(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(yuǎn)

(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(dǎo)體熱穩(wěn)定校驗(yàn)的方法及其必要性。

低壓斷路器；塑殼斷路器；分?jǐn)嗄芰?；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(xiàng)目負(fù)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(yàn)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(hù)電器應(yīng)裝于保護(hù)線路和母干線的連接處，在本工程中，柜內(nèi)保護(hù)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(fù)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(yàn)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(hù)電器，這緣于它體積小、模塊化、高分?jǐn)?、保護(hù)種類多樣、智能化、維護(hù)工作少等諸多優(yōu)勢。恰當(dāng)選用斷路器的分?jǐn)嗄芰?，可以將短路電流及時切斷，從而保護(hù)線路，起到防災(zāi)目的。在諸多優(yōu)勢中，塑殼斷路器分?jǐn)嗄芰σ呀?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?jǐn)嗄芰蛇x?？梢哉f，分?jǐn)嗄芰Σ粔虻膯栴}已經(jīng)不再是低壓塑殼斷路器在配電線路短路保護(hù)上的短板。設(shè)計中一般按照斷路器額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰砼浜隙搪伏c(diǎn)的預(yù)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?jǐn)嗄芰ε浜项A(yù)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?jǐn)嗄芰?shù)據(jù)均為額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰Α?/p>

同時，斷路器分?jǐn)喽搪冯娏髦?，要保證配線導(dǎo)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(dǎo)體的線芯截面，mm2；I—預(yù)期短路電流有效值(均方根值)，A；t—在已達(dá)到允許最高持續(xù)工作溫度的導(dǎo)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(yàn)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(yuǎn)離發(fā)電廠處短路點(diǎn)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(dá)到全電流峰值，對于位于變壓器低壓側(cè)的短路點(diǎn)，短路電流全電流有效值可達(dá)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(hù)的導(dǎo)線截面需按此短路電流進(jìn)行校驗(yàn)。

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(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰cs=35kACM3-63M,10A85000120000-斷路器允通能量/A2SCM3-63M,63A200000280000-額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰cs=50kACM3-100M,10A100000180000210000CM3-100M,63A600000750000900000限流前最小截面/mm218.8823.2235額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰cs=35kACM3-63M,10A2.042.42-限流后最小截面/mm2CM3-63M,63A3.133.70-額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰cs=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(diǎn)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(dǎo)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(yàn)。

改變以上計算使用條件，如：根據(jù)工程實(shí)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(yù)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(fù)荷要求、并網(wǎng)容量巨大、工程前期數(shù)據(jù)難以獲得的當(dāng)前實(shí)際來說不太具有現(xiàn)實(shí)意義。

綜上所述，工程實(shí)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(yàn)。

3 結(jié)論

通過以上計算與分析，可以看出，在導(dǎo)體滿足負(fù)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(yàn)，校驗(yàn)過程中需配合保護(hù)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(yuǎn)(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