李 喆

(建科公共設施運營管理有限公司，北京 100044)

0 一般規(guī)定

短路穩(wěn)定校驗是指短路故障發(fā)生時，電器及開關設備和導體在電磁力和熱效應的作用下是否滿足對其動穩(wěn)定和熱穩(wěn)定的要求。根據《水電工程三相交流系統短路電流計算導則》NB/T 35043-2014，校驗高壓電器、開關設備和導體短路穩(wěn)定所用的短路電流，應采用系統最大運行方式下可能流經被校驗導體和電器的最大短路電流，該電流應是系統正常運行方式下可能發(fā)生的短路電流，不包括切換過程可能產生的并列運行方式。

1 短路形式和短路點的選擇

(1)校驗高壓電器和導體的動穩(wěn)定、熱穩(wěn)定以及開關設備的開斷電流時，確定短路電流應按可能發(fā)生最大短路電流的正常接線方式的三相短路計算，當單相或兩相短路電流大于三相短路電流時，應按照更嚴重的情況驗算。

(2)短路電流動穩(wěn)定、熱穩(wěn)定校驗時短路點的選擇，對于不帶電抗器的回路，短路點應選擇在正常接線方式下短路電流為最大的地點；對于帶電抗器的10(6)kV出線，校驗母線與斷路器之間的引線和套管時，應按短路點在電抗器前計算；校驗其他導體和電器一般按短路點在電抗器后計算。

(3)校驗電纜的熱穩(wěn)定時，短路點按下述情況確定：通過電纜回路的最大短路電流發(fā)生處，即不超過制造長度的單根電纜，短路發(fā)生在電纜的末端；有中間接頭的電纜，短路發(fā)生在每一縮減電纜截面的線段首段；電纜線段為等截面時，則短路發(fā)生在下一段電纜的首段，即第一個中間接頭處；無中間接頭的并列連接的電纜，短路發(fā)生在并列點后。

2 穩(wěn)定校驗所需用的短路電流

(1)校驗高壓電器及開關設備和導體的動穩(wěn)定時，應計算短路電流峰值ip。

(2)校驗高壓電器及開關設備和導體的熱穩(wěn)定時，應計算短路電流交流分量初始值I″k和短路電流Ik在0、t/2和t的數值，t為短路電流持續(xù)時間。

3 高壓電器或開關設備動穩(wěn)定校驗

3.1 動穩(wěn)定實用計算法校驗要求

短路電流使用計算法中校驗高壓電器及開關設備的動穩(wěn)定，應同時滿足下面條件。

(1)高壓電器或開關設備安裝處的短路電流峰值不應大于給定的額定峰值耐受電流，即

ip≤Ip

(1)

式中，ip為三相短路沖擊電流(三相短路峰值電流)，kA；Ip為高壓電器或開關設備的額定峰值耐受電流(額定動穩(wěn)定電流Idyn或額定機械短路電流IMCSr),kA，由供貨商樣本查得(表1)。

10kV高壓開關設備額定峰值耐受電流供貨商產品舉例 表1

高壓電器或開關設備的額定峰值耐受電流，是在規(guī)定使用和性能條件下，高壓電器或開關設備在合閘位置能夠承載的額定短時耐受電流第一個大半波的電流峰值。

(2)短路電流在高壓電器或開關設備接線端子上產生的作用力，不應大于接線端子允許靜態(tài)拉力額定值，即

Fk3≤Fth或Ftv

(2)

式中，Fk3為短路時端子上的作用力，N；Fth為設備接線端子允許的靜態(tài)水平力，N；Ftv為設備接線端子允許的靜態(tài)垂直力，N。具體數據可參見表2。

高壓交流斷路器、隔離開關和接地開關接線端子允許的機械荷載 表2

3.2 電磁力的實用計算方法

由于在短路發(fā)生時，三相短路峰值電流最大，故只需研究三相短路時的最大作用力。

(1)不考慮機械共振條件時，當三相短路電流通過在同一平面的三相導體時，中間相所處情況最嚴重，其最大作用力Fk3為：

(3)

式中,Fk3為三相短路時中間相導體的最大作用力，N；Kx為矩形截面導體的形狀系數(《工業(yè)與民用供配電設計手冊(第四版)》，以下簡稱配四，圖5.5-16查得)；ip為三相短路沖擊電流(三相短路峰值電流)，kA；l為平行導體長度，m；D為平行導體中心線之間的距離，m。不同額定電流的10kV母線最大作用力Fk3簡化公式如表3所示。

不同額定電流的10kV母線最大作用力Fk3簡化公式 表3

(2)考慮機械共振條件時，為了避免短路時電動力的工頻和2倍工頻交流分量于導體的自振頻率相近而引起共振的危險，對重要母線應使導體的自振頻率fm(對單頻振動系統)限制在下列共振頻率范圍之外：對單根的導體為35～135Hz；對多根子導體組成的主導體及帶有引下線的單根導體為35～155Hz。

如不在此范圍內，則必須考慮機械共振自振頻率的影響。其最大作用力Fk3為：

(4)

式中，Fk3為三相短路時中間相導體的最大作用力，N；Kx為矩形截面導體的形狀系數(配四圖5.5-16查得)；β為振動系數，在單頻振動系統中，β可根據導體的固有頻率f0(配四5.5.70式求得)由配四圖5.5-17查得；ip為三相短路沖擊電流(三相短路峰值電流)，kA；l為平行導體長度，m；D為平行導體中心線之間的距離，m。

4 硬導體的動穩(wěn)定校驗

4.1 應力的實用計算法校驗要求

短路電流使用計算法中校驗硬導體的動穩(wěn)定，應滿足下面條件。

(1)單片矩形導體，短路時單片硬導體的最大應力不應大于硬導體最大允許應力，即

σcm≤σy

(5)

式中，σcm為短路時單片硬導體的最大應力，Pa；σy為硬導體最大允許應力，Pa，由導體的材料給出。硬導體最大允許應力如表4所示。

硬導體最大允許應力 表4

(2)多片矩形導體，短路時多片硬導體的總應力不應大于硬導體最大允許應力，即

σ≤σy

(6)

σ=σx-x+σc

(7)

式中，σ為短路時多片硬導體的總應力，Pa；σx-x為多片矩形導體的相間作用力的應力，Pa，計算公式同單片矩形導體；σc為同相的多片矩形導體之間作用力的應力，Pa。

4.2 應力的實用計算方法

(1)不考慮機械共振，且當跨數>2時，短路電流通過單片矩形硬導體的應力σc為

(8)

式中，σc為導體的應力，Pa；Kx為矩形截面導體的形狀系數(配四圖5.5-16查得)；ip為三相短路沖擊電流(三相短路峰值電流)，kA；l為平行導體長度，m；D為平行導體中心線之間的距離，m；W為導體截面系數，由配四表5.5-10查得，m3。不同額定電流的10kV母線應力σc簡化公式如表5所示。

不同額定電流的10kV母線應力σc簡化公式 表5

(2)考慮機械共振時，導體的應力與導體的自振頻率和系統頻率有關，當兩個頻率接近時，應力將被放大。對于振動系數β，當導體的自振頻率fm能限制在35～135Hz 之外時，β≈1；當導體的自振頻率無法限制在上述共振頻率范圍之外時，導體受力應乘以振動系數β。

當跨數>2時，短路電流通過單片矩形硬導體的應力σc為：

(9)

式中，σc為考慮自振頻率影響時導體的應力，Pa；Kx為矩形截面導體的形狀系數(配四圖5.5-16查得)；ip為三相短路沖擊電流(三相短路峰值電流)，kA；β為振動系數，在單頻振動系統中，β可根據導體的固有頻率f0(配四5.5.70式求得)由配四圖5.5-17查得；l為平行導體長度，m；D為平行導體中心線之間的距離，m；W為導體截面系數，由配四表5.5-10查得，m3。

5 高壓電器、開關設備及導體的短時熱穩(wěn)定校驗

5.1 熱穩(wěn)定的實用法校驗要求

(1)高壓電器和開關設備的校驗要求

高壓電器或開關設備能耐受短路電流流過時間內產生的熱效應而不致損壞，則認為該高壓電器或開關設備是滿足短路電流熱穩(wěn)定的要求，校驗時應滿足：

(10)

式中，Qt為短路電流產生的熱效應，kA2·s；Ith為高壓電器及開關設備的額定短時耐受電流均方根值，kA；tth為高壓電器及開關設備的額定短時耐受時間，s。

(2)裸導體、硬導體的校驗要求

裸導體、硬導體能耐受短路電流流過時間內產生的熱效應而不致損壞，則認為該裸導體、硬導體是滿足短路電流熱穩(wěn)定的要求，校驗時應滿足：

(11)

式中，Smin為裸導體、硬導體滿足熱穩(wěn)定所需的最小截面積，mm2；Qt為短路電流產生的熱效應，kA2·s；C為導體的熱穩(wěn)定系數。不同的工作溫度、不同材料的熱穩(wěn)定系數C如表6所示。

不同的工作溫度、不同材料的熱穩(wěn)定系數C 表6

(3)電纜的校驗要求

電纜能耐受短路電流流過時間內產生的熱效應而不致損壞，則認為該電纜是滿足短路電流熱穩(wěn)定的要求，校驗時應滿足：

(12)

式中，Smin為電纜滿足熱穩(wěn)定所需的最小截面積，mm2；Qt為短路電流產生的熱效應，kA2·s；C為導體的熱穩(wěn)定系數。電纜長期允許工作溫度和短路時允許最高溫度及的熱穩(wěn)定系數C如表7所示。

電纜長期允許工作溫度和短路時允許最高溫度及的熱穩(wěn)定系數C 表7

5.2 短路電流熱效應Qt的計算

短路電流在高壓電器及開關設備和導體中引起的熱效應，即：

(13)

(14)

(15)

無汽輪發(fā)電機和水輪發(fā)電機的配電網絡中，電力系統都為遠端短路，短路電流交流分量引起的熱效應QZ可簡化，即

(16)

直流分量等效時間 表8

5.3 短路電流的持續(xù)時間

(1)校驗高壓開關設備短路電流熱效應時，短路電流持續(xù)時間可按式(17)計算：

t=tb+tfd=tb+tgu+thu

(17)

式中，t為短路電流持續(xù)時間，s；tb為主保護裝置動作時間，s；tfd為斷路器開斷時間(全分閘時間)，s；tgu為斷路器固有分閘時間，s；thu為斷路器燃弧持續(xù)時間，s；主保護裝置動作時間tb應為該保護裝置的啟動機構、延時機構和執(zhí)行機構動作時間的總和。斷路器的固有分閘時間tgu，可由供貨商產品樣本查得。當真空斷路器或SF6斷路器開斷額定容量時，斷路器燃弧持續(xù)時間thu可取0.01～0.02s。

當主保護裝置為速動時(無延時保護)，短路電流持續(xù)時間t可取表9的數據。

校驗熱穩(wěn)定的短路電流持續(xù)時間 表9

當繼電保護有延時時，則按表中數據加上相應的延時整定時間。

(2)校驗導體的熱穩(wěn)定時，短路電流持續(xù)時間宜采用主保護動作時間tb加相應斷路器的開斷時間tfd之和，當主保護有死區(qū)時應采用對該死區(qū)起作用的后備保護動作時間，并采用相應的短路電流(后備保護時間一般為幾十毫秒)。

(3)校驗電纜的熱穩(wěn)定時，對電動機饋線的電纜宜采用主保護動作時間tb與斷路器開斷時間tfd之和，對其他電纜宜采用后備保護動作時間與斷路器開斷時間tfd之和(后備保護時間一般為幾十毫秒)。35kV以下工作溫度90℃的硬銅母線及銅芯交聯聚乙烯絕緣電纜熱穩(wěn)定允許的最小截面積如表10～11所示。

35kV以下工作溫度90℃的硬銅母線熱穩(wěn)定允許的最小截面積 表10

35kV及以下工作溫度90℃的銅芯交聯聚乙烯絕緣電纜熱穩(wěn)定允許最小截面積 表11

6 結束語