关于变压器二次侧出线电缆的热稳定校验问题的探讨

关于变压器二次侧出线电缆的热稳定校验问题的探讨

前言

在变压器二次侧电缆热稳定校验中常常容易忽略两个问题，一是按照高压断路器的开断时间而忽略塑壳断路器快速开断且具有的限流作用，二是在计算二次侧短路电流时忽略了一些低压元件的接触电阻和线圈阻抗，因此在选择二次侧出线电缆时常常不必要地放大了电缆截面，现在对这两个问题论述如下。

断路器的限流作用

目前我们在设计变压器二次侧出线系统时，大量采用塑壳断路器，国内外目前生产的塑壳断路器大多是能够快速开断而有限流作用的。国家规范规定，小于0．1s的电缆热稳定校验，应采用断路器的I2〃t特性进行校验。下面先讨论塑壳断路器在线路发生短路时的限流作用。

电路故障发生短路，其短路电流的大小与短路发生的时刻有关。短路发生后有一个暂态冲击电流，在最严重的情况下，冲击短路电流峰值将接近于短路电流周期分量和非周期分量峰值的叠加。短路电流从零迅速上升到峰值的时间是在短路发生后半周波(10ms)的时刻。因此断路器要起到限制短路电流和通过能量的作用，必须快速断开，也就是说，在短路电流上升未达到峰值之前(10ms之内)断开。短路电流持续时间包括三部分，一是电流上升至整定电流的时间，二是断路器的固有动作时间，三是断路器开始分断燃弧至断弧时间。要起到限流作用一般要求断路器的固有动作时间缩短到3ms之内。断路器固有动作时间后即触头斥开后(此时断路器并未完全断开)电弧即出现，利用电弧电阻的迅速增加限制短路电流的上升直至断弧，全部断开时间一般小于10ms左右。

目前国内外生产的塑壳断路器常说明其产品有限流能力，但限流能力应有具体指标，只有运用这些指标，通过设计的实际计算，才能在工程中具体使用，限流性能一般可用下述两个指标予以衡量：

(1)用分断时的最大通过电流值与预期短路电流峰值相比较来说明短路电流被抑制到什么程度。

(2)用分断时的最大通过能量与预期短路电流通过时的能量相比较来说明短路能量被抑制到什么程度。这两个指标一般都用图1所示两个表格曲线来表示。

表格的横坐标均表示我们在短路计算中得出的短路电流有效值(kA)，表格中的斜直线是预期(没有限流时)的短路电流最大峰值（参见图1(a))和半周波通过能量(参见图1(b))，表中曲线则是各型塑壳断路器的限流特性和限能特性。纵坐标则是对应的最大通过电流kA(参见图1(a))和最大通过能量A2〃s(参见图1(b))，如果能使最大通过电流和能量都抑制得低一些，则短路电流对电路和设备所产生的动力效应和热效应都减轻。现在一些引进生产的塑壳断路器都用表格列出了

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这两个指标，例如ABB公司的S型塑壳断路器，施耐德公司的NS型塑壳断路器，西门子公司的3VF型塑壳断路器等。其中ABB公司还列出了断路器的分闸时间，其全分闸时间最快的达到了3．5ms。国内塑壳断路器的生产厂家尚少见测试出这些指标，但江苏常熟开关制造有限公司通过测试，绘制了他们生产的CMl型塑壳断路器的限流特性曲线，现介绍如下：

常熟开关制造有限公司为配合我院这项科研课题，在上海电器科学研究所对CMl系列断路器通过试验取得的数据基础上，绘制了从CMl—63到CMl—800型塑壳断路器的限流和限能特性曲线。图2—5列出了其限流特性和CMl—

63,100,225三个限能特性曲线表格，限流曲线表的横坐标表示的是短路电流有效值，纵坐标表示短路电流峰值，单位均为kA，表中斜直线表示未经限流时的特性，曲线为各型CM—1型断路器的限流特性，限能特性表中的横坐标表示的是短路电流有效值(A)，纵坐标表示的是限流后通过的能量(A2s)，表内是限能特性曲线。

下面我们说明在工程中如何使用这些曲线做短路校验。假设有一台变压器二次侧出线电缆首端短路电流有效值为20kA，我们采用了CMl—100型断路器，其额定电流63A，在横坐标上找出20kA的一点，在限流特性表中斜直线上找出对应的点平移至纵坐标，在纵坐标上的对应点就表示未加限流时的最大短路电流峰值为44kA， 而我们在限流特性曲线上找出对应20kA有效值的点平移至纵坐标，在纵坐标上的对应点就表示经过限流后通过的电流峰值为19kA，峰值电流明显降低，此电流值可作为校验电气设备元件的动稳定之用。

这里我们重点说明如何使用限能曲线来校验电缆的热稳定值，计算的短路电流有效值仍为20kA，在限能曲线上找出对应的点平移至纵坐标，在纵坐标上的数值约为3×105A2s这一数值就表示经过限流后通过的能量(即短路电流通过电缆时间内产生的热效应)，我们的目的是求出接在断路器后面的电缆用多大截面能承受经过限流后的能量，为此我们必须求出各种型号、各种规格的电缆承受能量(热效应)的能力。

根据电缆热稳定校验公式

(S×K)2=I2K〃t

式中，S——电缆或导体线芯截面(mm2)。

K——电缆或导体热稳定系数，根据国家标准《接地装臵和保护导体》选取。(参见表)I2K〃t——电缆或导体能承受的能量(A2s）。

因此从上式可以看出电缆或导体能承受的能量等于其截面乘以热稳定系数的平方，根据这一公式可计算出不同规格(截面)不同型号(热稳定系数)的电缆和导体能承受能量的数据，以常用交联聚乙烯，聚氯乙烯和普通橡胶电缆为例列出下表。

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上例我们采用的CMl—100,63A型断路器，其限流后通过的能量为3×

105A2s，查上表交联聚乙烯铜芯电缆4mm2能承受的能量为3．27×105A2s，此数值大于以上限流后的能量，这就是说我们采用4mm2的交联铜芯电缆就能符合热稳定校验的要求。(但根据额定电流63A，我们应选10mm2电缆)。

然而当我们不考虑开关的限流作用按照短路电流持续时间0．1s计算交联聚乙烯铜芯电缆的热稳定短路电流，按照常规计算：35mm2的电缆为15．72kA；50mm2的电缆为22．4kA，则按照“电缆的热稳定电流应大于或等于回路的短路电流周期分量有效值(上例为20kA)”的原则，这样我们就要选择50mm2的电缆才符合热稳定的要求，这显然是不必要地提高了电缆截面，导致变压器越大，二次侧短路电流越大， 电缆截面就越大。对于电缆热稳定校验限流问题，主要是针对根据计算电流选择了较小截面的电缆，而对于根据计算电流已选择较大截面的电缆，亦也能满足热稳定校验的要求。

在低压短路电流计算中忽略了断路器的接触电阻和断路器过流线圈和电流互感器线圈的阻抗问题

为了说明问题，现计算示例如下。设变压器型号为SCB—9，Dynll接线，变压器容量ST为1000kVA(即1MVA)，阻抗电压K％=6，一次侧系统短路容量S为200MVA，二次侧母线为3×(125×10)+80×8]，长10m，出线回路空气断路器额定电流为70A，电流互感器为100／5，求电缆起始点三相短路电流。

应当考虑的部份阻抗如下：（附1）

由以上计算可以看出若考虑断路器及电流互感等的接触电阻和阻抗则短路电流小得多，按照热稳定校验的线缆截面也将小下来，但应当说明的是上面计算取用的电流互感器阻抗数据是从一些设计手册中抄来的，这些数据比较陈旧，且未说明其阻抗是在什么条件下的数据，例如电流互感器的阻抗在正常运行和在短路饱和状态下的数值是不同的，这类数据还有待于有关制造厂进行测试提供出可靠数据，另外本例未计算短路冲击电流，但可以看出，考虑了低压元件电阻，冲击电流也将减少，若要计算冲击电流，则短路点近处若有大电动机，其反馈冲击短路电流的影响也不应忽略。

图6是施耐德NS型塑壳断路器限流及限能特性曲线(380-415V)，图7是ABB公司S3X--S6X塑壳断路器限流及限能持性曲线(400—440v)，这些引进的塑壳断路器产品，根据以上说明在选用时，进行短路校验的方法是相同的。

结束语

从以上对两个问题分析的可见，短路动稳定和热稳定校验所根据的短路电流和能量的数据是可以小下来的，当然电气设备的选择还应根据其他条件来校验，这里只是说明在短路校验中断路器的限流能力和低压元件的接触电阻和线圈阻抗对短路电流计算和电气设备选择的影响足不可忽略的。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1xri.html