萬新新，李 濤

引言

根據(jù)GB50217-2007《電力工程電纜設計規(guī)范》[1]以下簡稱《規(guī)范》，電纜最小截面（以下用“S”表示）設計時需滿足以下4個因素：

（1）按照經(jīng)濟電流密度選擇電纜的截面（Sj）；

（2）按照電壓損失校驗電纜的截面（Sy）；

（3）按照持續(xù)工作電流選擇電纜的截面（Sc）；

（4）按照短路時熱穩(wěn)定校驗電纜的截面（Sd）；

取 S=Max（Sj，Sy，Sc，Sd）。

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

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

1　快速斷路器

1.1　簡介

快速斷路器是采用電磁斥力原理“渦流驅動”技術，是一種電容器儲能的、渦流盤驅動的、永磁保持的、機械分閘時間小于5 ms、最大開斷電流不小于80 kA CO100次、直動式快速真空斷路器[2-3]。

1.2　快速斷路器關鍵參數(shù)

“渦流驅動”快速斷路器關鍵參數(shù)：

分閘時間＜5 ms；

燃弧時間＜2 ms；

合閘時間＜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)工程設計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）額定電流計算。

（2）查表選擇電纜截面。

依據(jù)《規(guī)范》進行計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）電纜截面計算

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

Q——電纜導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)工程設計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)情況簡介

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

3.2　系統(tǒng)主接線圖

圖1　一次主接線圖

3.3　參數(shù)計算

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

采用Etap電力分析軟件IEC標準計算短路電流如圖2。

圖2　短路電流計算模型

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　負荷支路的電纜截面選擇

便于計算，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C的相關參數(shù)整定如下：

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

計算C=13700（基本上是一個常數(shù)）。

3.4.1圖1中各負荷支路中的開關k2均選用中速斷路器

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

查表應選擇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（在此不細述按額定電流選擇電纜截面的計算），因此這條支路中電纜最小截面按照持續(xù)運行電流選擇，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中各負荷支路中的開關k2均選用快速斷路器

（1）快速斷路器全開斷時間≤15 ms，故快速斷路器t可取0.015 s；

按照短路熱穩(wěn)定校驗電纜的最小截面：

查表得S=50 mm2。

（2）同理，負荷容量 P=5000 kVA的回路，S1′=150 mm2；另負荷容量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后電纜的總截面比（K）及造價比（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，也就知道了價格比。

根據(jù)市場情況，各電纜的單價約如下：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格），可以看出使用快速斷路器后電纜的造價僅為原來的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的梯形圖表征了時間t的改變大幅度影響電纜截面選擇，圖中橫坐標為短路電流Ik，縱坐標為電纜截面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^性很強的梯形圖表征了采用快速開關后銅芯電纜截面的選擇，圖中橫坐標為短路電流Ik，縱坐標為電纜截面S。

圖4　電纜截面綜合選型圖

說明：28 kA和39.2 kA為橫坐標電流拐點；25 mm2、35 mm2及50 mm2為縱坐標銅芯電纜截面拐點；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)國標查表得最終電纜截面，而負荷容量如≤2600 kVA，則可全部按此圖形查詢最終的電纜截面。

5　快速斷路器在多級開閉所的應用

某系統(tǒng)短路電流為I，如圖5所示，我們定義一級保護范圍為單負荷或稱末端負荷，當d1點發(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）計算其截面比為：

圖5　多級開閉所一次系統(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方案中末端負荷很多，如果全部使用快速斷路器k1，對節(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高；為了不造成越級跳閘，二級保護需按照繼電保護整定原則跳閘時間需延長0.3 s，總時間t2=0.15 s+0.3 s=0.45 s，因此二級保護用快速斷路器沒有必要。

根據(jù)上述情況，如果對系統(tǒng)配置作相關調(diào)整的話，那將會帶來意想不到的經(jīng)濟效益，具體分析如下：

圖6 多級開閉所一次系統(tǒng)圖方案2

圖6與圖5不同的是，總降站的末端負荷用了快速斷路器k1；并在有下級開閉所支路的中速斷路器k2下串聯(lián)一臺快速斷路器k1，同時在k1處并聯(lián)了阻抗R，R為開閉所內(nèi)所有負荷的等效阻抗，正常運行時，k1是合閘的，相當于阻抗R是被旁路了，當d1處發(fā)生短路，二級保護位置的快速斷路器k1和短路支路的中速斷路器k2都檢測到短路電流I，立即啟動跳閘，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，所以一臺快速斷路器k1就替代了n臺中速斷路器k2的速動作用，對于總降站其他負荷來說，短路期間低電壓時間僅15 ms左右，供電質量不受影響，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，負荷阻抗恢復了，k1保護判斷故障解除，立即合閘，系統(tǒng)恢復正常。

若短路點在d2點，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上級的k2斷路器按常規(guī)保護設置跳開回路，如果0.3 s后k2斷路器未切除故障，則k1斷路器的快速保護裝置可以發(fā)信號給k2斷路器跳閘回路，k1的快速保護作為二級后備保護。

圖6方案在有下級站的支路配置快速開關與等效阻抗，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)時間0.015 s計算電纜最小截面。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的造價也可降低。

6　結論

根據(jù)上述分析及計算，快速斷路器應用前景非常可觀，不僅僅起到本質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，針對快速斷路器，短路持續(xù)時間t=0.015 s被普遍認可并寫入國標，作為設計單位設計選型依據(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用，現(xiàn)有的設計規(guī)范及國標可能會被改寫。同時快速斷路器應用非常廣泛，隨著技術的成熟，可能會取代現(xiàn)有的中速斷路器。

[參考文獻]

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