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路器的限流作用及电缆热稳定校验


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低压断路器的限流作用及电缆的热稳定校验

在变压器低压侧电气设备的短路稳定校验特别是电缆热稳定校验中常常容易忽略两个问题 , 一 是断路器具有的限流作用 , 二是在计算低压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, 因此在选择低压侧出线电缆时常常不必要地放大了电缆截面, 现在对这两个问题分述如下; 1, 断路器的限流作用;

目前我们在设计变压器低压侧出线系统时 , 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. 下面讨论塑壳断路器在线路发生短路时的限流作用; 大家知道, 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. 限流断路器的快速动作是利用短路电流所产生的电动力作为推动断路器触头快速动作的力. 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坛加 限制短路电流的上升直至断弧. 全部断开时间一般在 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予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予期短路电流流通时通过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下列两个表格曲线来表示;

表格的横座标均表示我们在短路计算中得出的短路电流有效值 (kA), 表格中的斜直线是予期(没有限 流时) 的短路电流最大峰值(左表)和半周波通过能量(右表), 表中曲线则是各型塑壳断路器的限流特 性和限能特性. 纵座标则是对应的最大通过电流 kA(左表) 和最大通过能量 A?.s(右表), 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这两个指标, 例如 ABB 公司的 S 型塑壳断路器; 施奈德公 司的 NS 型塑壳断路器. 西门子公司的 3VF 型塑壳断路器等...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 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 CM1 型塑壳断路器的限流特性曲线, 现介绍如下;

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常熟开关制造有限公司 CM1 型塑壳断路器限流及限能特性曲线

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常熟开关制造有限公司绘制了从 CM1-63 到 CM1-800 型塑壳断路器的限流和限能特性曲线, 上面列 出其限流特性和 CM1-63,100,225 三个限能特性曲线表格, 限流曲线表的横座标表示的是短路电流有 效值 , 纵座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, 限能特性表中的横座标表示的是短路电流有效值(A), 纵座标表示的是限 流后通过的能量(A?s), 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 ; 假设有一台变压器低压侧出线电缆首端短路电流有效值为 20kA, 我们采用了 CM1-100 型断路器,额定 电流 63A, 在横座标上找出 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座标, 在纵 座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座标, 在纵座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, 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

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座标, 在纵座标上的数值约为 3 ? 10 A?s 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
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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?
对上式进行变换

IK K

t

2 (S ? K ) 2 ? I K ?t

上式中 S-电缆或导体线芯截面(mm?)

K-电缆或导体热稳定系数, 根据国家标准 “接地装置和 保护导体” 选取.( 见下表).

2 IK ? t -电缆或导体能承受的能量(A?s)

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;
电 缆 截 面 (mm?)S 能量 (A?s) 电缆种类

4

6

10

16

25

35

50

算式 (S×K)?

交 联 聚乙烯 铜芯电缆 聚 氯 乙烯铜 芯电缆 普 通 橡胶铜 芯电缆 交联聚乙烯 铝芯电缆 聚氯乙烯铝 芯电缆 普通橡胶铝 芯电缆

3.27 ? 105 7.36 ? 105 2.04 ? 106 5.23? 106 1.28? 107 2.50 ? 107 5.11? 107 (S×143)? 2.12 ? 105 4.76 ? 105 1.32 ? 106 3.38? 106 8.26 ? 106 1.62 ? 107 3.31? 107 (S×115)? 2.87 ? 105 6.46 ? 105 1.80 ? 106 4.60 ? 106 1.12 ? 107 2.20 ? 107 4.49 ? 107 (S×134)?

1.41? 105 3.18? 105 8.84 ? 105 2.26 ? 106 5.52 ? 106 1.08? 107 2.21? 107 (S×94)? 9.24 ? 104 2.08? 105 5.78? 105 1.48? 106 3.61? 106 7.06 ? 106 1.44 ? 107 (S×76)?
1.27 ? 105 2.85? 105 7.92 ? 105 2.03? 106 4.95? 106 9.70 ? 106 1.98? 107 (S×89)?
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上例我们采用的 CM1-100,63A 断路器.其限流后通过的能量为 3 ? 10 A?s, 查上表交联聚乙烯铜芯电 缆 4 mm?能承受的能量为 3.27 ? 10 A?s, 此数值大于以上限流后的能量, 这就是说我们采用
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4mm?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 63 安, 我们应选 10mm?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, 35mm?为 15.72kA,50mm?为 22.4kA(见全国民用建筑工程设计电气技术措施 54 页), 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 50mm?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, 变压器越大, 低压侧短路电流越大, 电缆截面就更大了. 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, 对于根据计算电流已选择较大截面的电缆, 常常也能 满足热稳定校验的要求. 以下列举了一些引进的塑壳断路器产品限流特性和限能曲线表 , 根据以上说明在采用这些产品时进 行短路校验的方法是相同的

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下面是施奈德 NS 型塑壳断路器限流及限能特性曲线;(380-415V)

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下面是 ABB 公司 S2X 80 和 S2X100 型断路器限流及限能特性曲线(400-440V)

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下面是 ABB 公司 S3X-S6X 塑壳断路器限流及限能持性曲线(400-440V)

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下面是西门子公司 3VF2-3VF8 型断路器限流及限能特性曲线(380-415V)

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下面是海格公司 H 型断路器限流及限能特性曲线(415V)

2, 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, D,yn11 接线, 变压器容量 ST 为 1000kVA(即 1MVA), 阻抗电压 Uk%=6, 高 压侧系统短路容量 SS 为 200MVA, 低压侧母线为 3X(125X10)+80X8], 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; (1),高压系统侧阻抗 ZS(归算到 0.4kV);

Vn2 (0.4) 2 ZS ? ? ? 103 ? 0.8m? SS 200
系统电阻 RS 很小, 可认为 RS=0, 故 ZS=系统电抗 XS=0.8mΩ . (2) 变压器阻抗 ZT(归算到 0.4Kv); 变压器有功损耗为 PK=7.6kW, 故变压器电阻 RT 和电抗 XT 为

RT ? ZT ?

PK ? Vn2 7.6 ? 0.4 2 ? ? 1.22m? 2 ST 12 U K % Vn2 6 0.4 2 ? ? 103 ? ? ? 103 ? 9.6m? 100 ST 100 1

2 2 X T ? ZT ? RT ? (9.6) 2 ? (1.22) 2 ? 9.5m?

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(3),母线阻抗,查手册 Rm=0.028mΩ /m×10m=0.28mΩ , Xm=0.147mΩ /m×10m=1.47mΩ (4),空气断路器(70A) 过电流线圈阻抗, 查手册 Rkj=2.35mΩ , Xkj=1.3mΩ (5),空气断路器(70A)接触电阻, 查手册 Rkj=1.0mΩ (6),电流互感器(100/5) 一次线圈阻抗, 查手册 RCT=1.5mΩ XCT=12mΩ 以上共计六项阻抗 在计算短路电流时, 若仅考虑前三项阻抗(即不考虑电流互感器和断路器阻抗,则总阻抗

Z ? ( RS ? RT ? Rm ?) 2 ? ( X S ? X T ? X m ?) 2 ? (0 ? 1.22 ? 0.28?) 2 ? (0.8 ? 9.5 ? 1.47?) 2 ? (1.5) 2 ? (11.77) 2 ? 11.86m?
短路电流为

Vn IK ? Z

3

?

230 V ? 19.4kA 11.86m?

若六项阻抗均考虑则

Z ? ( RS ? RT ? Rm ? RkJ ? Rk ? RCT ) 2 ? ( X S ? X T ? X m ? X kJ ? X CT ) 2 ? (0 ? 1.22 ? 0.28 ? 1.0 ? 2.35 ? 1.5) 2 ? (0.8 ? 9.5 ? 1.47 ? 1.3 ? 12) 2 ? (6.35) 2 ? (25.07) 2 ? 25.86m?
则短路电流应为

IK ?

230V ? 8.89 kA 25.86 m?

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.. 从以上两个问题分柝可见;无论如何, 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不可忽略. .

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关键词; 限流,

热稳定,

参考资料; 1, 国家标准; 电力工程电缆设计规范. 2, 塑壳式低压断路器的原理和应用. . 3, 常熟开关厂等产品资料.


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