論采用快速斷路器可大幅度減少電纜截面

萬新新，李 濤

引言

根據(jù)GB50217-2007《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》，電纜最小截面（以下用“S”表示）設(shè)計(jì)時(shí)需滿足以下4個(gè)因素：

（1）按照經(jīng)濟(jì)電流密度選擇電纜的截面（Sj）；

（2）按照電壓損失校驗(yàn)電纜的截面（Sy）；

（3）按照持續(xù)工作電流選擇電纜的截面（Sc）；

（4）按照短路時(shí)熱穩(wěn)定校驗(yàn)電纜的截面（Sd）；

取 S=Max（Sj，Sy，Sc，Sd）。

而在工程應(yīng)用中，主要以持續(xù)工作電流選擇電纜截面，以短路熱穩(wěn)定電流進(jìn)行校驗(yàn)，而按短路熱穩(wěn)定校驗(yàn)電力電纜截面時(shí)多以中速或慢速斷路器切除短路故障時(shí)間來進(jìn)行計(jì)算，加之設(shè)計(jì)方考慮的設(shè)計(jì)冗余，故往往電纜截面選擇都很大。

在這種情況下，對(duì)企業(yè)或用戶來說一次性投資必然增高，而隨著斷路器技術(shù)的發(fā)展，快速斷路器的面世，將帶來無窮的經(jīng)濟(jì)效益及快速切斷技術(shù)的新變革。

1　快速斷路器

1.1　簡(jiǎn)介

快速斷路器是采用電磁斥力原理“渦流驅(qū)動(dòng)”技術(shù)，是一種電容器儲(chǔ)能的、渦流盤驅(qū)動(dòng)的、永磁保持的、機(jī)械分閘時(shí)間小于5 ms、最大開斷電流不小于80 kA CO100次、直動(dòng)式快速真空斷路器[2-3]。

1.2　快速斷路器關(guān)鍵參數(shù)

“渦流驅(qū)動(dòng)”快速斷路器關(guān)鍵參數(shù)：

分閘時(shí)間＜5 ms；

燃弧時(shí)間＜2 ms；

合閘時(shí)間＜15 ms；

合閘反彈：0。

2　工程中電纜截面選擇方法及原則

2.1　常規(guī)工程設(shè)計(jì)中電纜截面選擇方法及依據(jù)

2.1.1按額定電流選擇電纜截面

（1）額定電流計(jì)算。

（2）查表選擇電纜截面。

依據(jù)《規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算并查表選擇電纜截面。

2.1.2按短路電流熱穩(wěn)定選擇電纜截面

（1）電纜截面計(jì)算

式中，C——與導(dǎo)體材質(zhì)、溫度極限、冗余系數(shù)等相關(guān)，各計(jì)算數(shù)據(jù)可查表獲得，屬于常數(shù)；

Q——電纜導(dǎo)體在短路過程中的發(fā)熱量；

I——短路電流周期分量有效值，kA；

t——短路電流持續(xù)時(shí)間，s。

（2）查表

查表方法及依據(jù)與按額定電流選擇電纜截面一致。

2.2　常規(guī)工程設(shè)計(jì)中電纜截面選擇原則

根據(jù)上述兩種電纜截面選擇方法分別選擇電纜截面，最終取即滿足額定電流又滿足短路熱穩(wěn)定要求的電纜截面即可[4-5]。

3　工程案例分析

3.1　系統(tǒng)情況簡(jiǎn)介

某10 kV系統(tǒng)，單母線分列運(yùn)行，1#、2#變壓器容量S=50 MVA，變壓器短路阻抗百分比為Uk%=10.5，每臺(tái)主變下配置的總負(fù)荷約為35 MVA，其中電動(dòng)機(jī)負(fù)荷容量為25 MW。

3.2　系統(tǒng)主接線圖

圖1　一次主接線圖

3.3　參數(shù)計(jì)算

當(dāng)10 kVⅠ段某饋線如d1點(diǎn)（假定為10回中某一支路）出現(xiàn)三相短路，為計(jì)算方便110 kV短路電流按30 kA考慮。

采用Etap電力分析軟件IEC標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算短路電流如圖2。

圖2　短路電流計(jì)算模型

根據(jù)模型流過短路支路短路電流為39.7 kA，便于后續(xù)分析，按40 kA。

3.4　負(fù)荷支路的電纜截面選擇

便于計(jì)算，本文中的電纜選定為10 kV三芯交聯(lián)聚乙烯銅芯電力電纜，根據(jù)《規(guī)范》我們對(duì)C的相關(guān)參數(shù)整定如下：

熱功當(dāng)量系數(shù)J=1.0；電纜導(dǎo)體單位體積熱容量（J/cm3·℃）-銅芯q=3.4；短路電纜導(dǎo)體允許最高溫度θm=250℃；電纜導(dǎo)體允許最高工作溫度θp=90℃；20℃時(shí)電纜導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)（1/℃）-銅芯α=0.00393；20℃時(shí)電纜導(dǎo)體電阻系數(shù)（Ωcm2/cm）-銅芯ρ=0.0184×10-4；導(dǎo)體填充物熱容校正系數(shù)η=1；纜芯導(dǎo)體交流電阻與直流電阻比k=1.003。

計(jì)算C=13700（基本上是一個(gè)常數(shù)）。

3.4.1圖1中各負(fù)荷支路中的開關(guān)k2均選用中速斷路器

（1）假定送電距離近，不考慮線路阻抗，采用中速斷路器時(shí)短路電流持續(xù)時(shí)間t=0.15s，代入式（2）中：

查表應(yīng)選擇S=120 mm2。

（2）由于圖1中每一段母線下均有一條支路的負(fù)荷容量P=5000 kVA，按額定電流選擇電纜截面大于按短路熱穩(wěn)定選擇電纜截面（在此不細(xì)述按額定電流選擇電纜截面的計(jì)算），因此這條支路中電纜最小截面按照持續(xù)運(yùn)行電流選擇，則選S1′=150 mm2（其中載流量校正系數(shù)k取0.8）。

（3）由圖1可見，每一段母線各出線電纜總計(jì)有23根。

于是各支路使用中速斷路器后，圖1中10 kV系統(tǒng)兩段母線下設(shè)回路電纜的總截面積：S中=2×（22×120 mm2+150 mm2）=5580 mm2。

3.4.2圖1中各負(fù)荷支路中的開關(guān)k2均選用快速斷路器

（1）快速斷路器全開斷時(shí)間≤15 ms，故快速斷路器t可取0.015 s；

按照短路熱穩(wěn)定校驗(yàn)電纜的最小截面：

查表得S=50 mm2。

（2）同理，負(fù)荷容量 P=5000 kVA的回路，S1′=150 mm2；另負(fù)荷容量P=3000 kVA的回路，此條支路中電纜最小截面也按照持續(xù)運(yùn)行電流選擇，則此支路選70 mm2。

（3）各支路使用快速斷路器后，圖1中10 kV系統(tǒng)電纜的總截面積：S快=2×（150 mm2+70 mm2+50 mm2×21）=2540 mm2。

3.4.3系統(tǒng)使用不同速度的開關(guān)后電纜的總截面比（K）及造價(jià)比（Z）

（1）總截面比K

K=S快/S中=2540/5580=45.5%≈46%，即采用快速斷路器后可節(jié)約電纜截面有54%。

（2）總造價(jià)比Z

假定各種規(guī)格的電纜長度相等，則金屬體積及重量比也約為46%，實(shí)際情況，將各電纜長度乘以截面，即可得到體積和重量，也就知道了價(jià)格比。

根據(jù)市場(chǎng)情況，各電纜的單價(jià)約如下：50 mm2電纜118元/m、70 mm2電纜150元/m、120 mm2電纜 235元 /m、150 mm2電纜 286元 /m、240 mm2電纜440元/m、300 mm2電纜 540元/m。

則價(jià)格比 Z=L×2×（1×286+1×150+21×118）/〔L×2×（22×235+1×286）〕=53%（僅電纜材料部分的價(jià)格），可以看出使用快速斷路器后電纜的造價(jià)僅為原來的53%左右。

4　按短路電流選擇電纜截面梯形圖

4.1　按短路電流選擇電纜截面的梯形圖效果展示

如圖3，我們采用直觀性很強(qiáng)的梯形圖表征了時(shí)間t的改變大幅度影響電纜截面選擇，圖中橫坐標(biāo)為短路電流Ik，縱坐標(biāo)為電纜截面S。

圖3　梯形效果圖

4.2　工程中采用快速斷路器后電纜截面選擇圖

如圖4，我們?nèi)圆捎弥庇^性很強(qiáng)的梯形圖表征了采用快速開關(guān)后銅芯電纜截面的選擇，圖中橫坐標(biāo)為短路電流Ik，縱坐標(biāo)為電纜截面S。

圖4　電纜截面綜合選型圖

說明：28 kA和39.2 kA為橫坐標(biāo)電流拐點(diǎn)；25 mm2、35 mm2及50 mm2為縱坐標(biāo)銅芯電纜截面拐點(diǎn)；依據(jù)《規(guī)范》，25 mm2銅芯電纜，額定電流為100 A×k×1.29=103 A（k取0.8），額定容量為1800 kVA；35 mm2銅芯電纜，額定電流為123 A×k×1.29=127 A（k取0.8），額定容量為2200 kVA；50 mm2銅芯電纜，額定電流為146 A×k×1.29=150 A（k取0.8），額定容量為2600 kVA。

通過圖4及上述分析看出，負(fù)荷容量如果＞2600 kVA，則在短路電流40 kA及以內(nèi)均需要按額定電流，依據(jù)國標(biāo)查表得最終電纜截面，而負(fù)荷容量如≤2600 kVA，則可全部按此圖形查詢最終的電纜截面。

5　快速斷路器在多級(jí)開閉所的應(yīng)用

某系統(tǒng)短路電流為I，如圖5所示，我們定義一級(jí)保護(hù)范圍為單負(fù)荷或稱末端負(fù)荷，當(dāng)d1點(diǎn)發(fā)生短路，系統(tǒng)使用中速和快速兩種不同速度的斷路器，利用公式（2）計(jì)算其截面比為：

圖5　多級(jí)開閉所一次系統(tǒng)圖方案1

可見用快速斷路器比用中速斷路器選擇的電纜最小截面小很多。

圖5方案中末端負(fù)荷很多，如果全部使用快速斷路器k1，對(duì)節(jié)約電纜投資有很明顯效果，但快速斷路器投資成本可能會(huì)高；為了不造成越級(jí)跳閘，二級(jí)保護(hù)需按照繼電保護(hù)整定原則跳閘時(shí)間需延長0.3 s，總時(shí)間t2=0.15 s+0.3 s=0.45 s，因此二級(jí)保護(hù)用快速斷路器沒有必要。

根據(jù)上述情況，如果對(duì)系統(tǒng)配置作相關(guān)調(diào)整的話，那將會(huì)帶來意想不到的經(jīng)濟(jì)效益，具體分析如下：

圖6 多級(jí)開閉所一次系統(tǒng)圖方案2

圖6與圖5不同的是，總降站的末端負(fù)荷用了快速斷路器k1；并在有下級(jí)開閉所支路的中速斷路器k2下串聯(lián)一臺(tái)快速斷路器k1，同時(shí)在k1處并聯(lián)了阻抗R，R為開閉所內(nèi)所有負(fù)荷的等效阻抗，正常運(yùn)行時(shí)，k1是合閘的，相當(dāng)于阻抗R是被旁路了，當(dāng)d1處發(fā)生短路，二級(jí)保護(hù)位置的快速斷路器k1和短路支路的中速斷路器k2都檢測(cè)到短路電流I，立即啟動(dòng)跳閘，k1在0.015 s內(nèi)快速開斷，將阻抗R串入系統(tǒng)，短路電流被限制到額定電流In，所以一臺(tái)快速斷路器k1就替代了n臺(tái)中速斷路器k2的速動(dòng)作用，對(duì)于總降站其他負(fù)荷來說，短路期間低電壓時(shí)間僅15 ms左右，供電質(zhì)量不受影響，維持了供電可靠連續(xù)性。中速斷路器k2在短路后80 ms左右也開斷了，短路故障被徹底切除，負(fù)荷阻抗恢復(fù)了，k1保護(hù)判斷故障解除，立即合閘，系統(tǒng)恢復(fù)正常。

若短路點(diǎn)在d2點(diǎn)，支路快速斷路器k1在0.015 s內(nèi)開斷，將阻抗R串入系統(tǒng)，短路電流被限制到額定電流In，由k1上級(jí)的k2斷路器按常規(guī)保護(hù)設(shè)置跳開回路，如果0.3 s后k2斷路器未切除故障，則k1斷路器的快速保護(hù)裝置可以發(fā)信號(hào)給k2斷路器跳閘回路，k1的快速保護(hù)作為二級(jí)后備保護(hù)。

圖6方案在有下級(jí)站的支路配置快速開關(guān)與等效阻抗，帶來的好處是本條回路電纜以及所帶的開閉所內(nèi)所有電纜都可按短路持續(xù)時(shí)間0.015 s計(jì)算電纜最小截面。并且該回路的中速斷路器k2在這種短路工況下，不再需要開斷短路電流了，僅需開斷額定電流In，所有的中速斷路器k2的造價(jià)也可降低。

6　結(jié)論

根據(jù)上述分析及計(jì)算，快速斷路器應(yīng)用前景非常可觀，不僅僅起到本質(zhì)上的快速切除短路故障的功能，還可以大幅度減小電纜截面的選擇。不過這一切需要有兩大步驟，其一，快速斷路器的可靠穩(wěn)定性及普及性；其二，針對(duì)快速斷路器，短路持續(xù)時(shí)間t=0.015 s被普遍認(rèn)可并寫入國標(biāo)，作為設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)選型依據(jù)。

相信伴隨電力系統(tǒng)的發(fā)展及快速斷路器的被廣泛應(yīng)用，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)規(guī)范及國標(biāo)可能會(huì)被改寫。同時(shí)快速斷路器應(yīng)用非常廣泛，隨著技術(shù)的成熟，可能會(huì)取代現(xiàn)有的中速斷路器。

[參考文獻(xiàn)]

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