浅谈变压器低压侧柜内出线小截面电缆的选用

刘志远

(中国恩菲工程技术有限公司 电气及自动化事业部，北京 100038)

浅谈变压器低压侧柜内出线小截面电缆的选用

刘志远

(中国恩菲工程技术有限公司 电气及自动化事业部，北京 100038)

本文通过计算，分析了大容量变压器低压侧柜内出线回路小截面导体热稳定校验的方法及其必要性。

低压断路器；塑壳断路器；分断能力；热稳定；限流特性；允通能量

1 问题提出

在工程设计中，一般要设置多个10/0.4 kV车间变电所，作为各车间工段生产设备的电力供应中心。根据某工程项目负荷分布情况，选用变压器(D,yn11连接)容量为800 kVA、1000 kVA、1600 kVA不等。设计统一技术规定中选用的动力线缆的型号为YJV，示例回路最小截面为2.5 mm2。图纸审查人员提出“根据GB50054-2011第3.2.2条，电缆截面选择应满足短路热稳定的要求，请校验变压器低压侧出线低压配电柜内出线为YJV2.5 mm2的支路电缆截面”的要求。

2 问题分析

车间变电所低压配电柜内属于母干线式配电，按照规范要求，保护电器应装于保护线路和母干线的连接处，在本工程中，柜内保护电器采用塑壳断路器，柜内电缆长度一般来说不会超过3 m，也会在设计及施工过程中采取措施，降低柜内短路发生的可能，但柜内一旦发生短路，就会产生较大的短路电流，这是由于柜内母干线距离大容量车间变的低压侧很近，短路阻抗几乎不增大，三相短路电流得不到衰减；再者，在短路发生的半个周波内，短路电流为三相短路全电流，含有非周期分量，致使母干线附近的短路电流更大，对于小负荷的配电线路来说很有可能造成急剧热效应以致其电缆高温，甚至超过其极限温度，加剧线路绝缘损坏。如果周边有易燃物，有可能引燃易燃物，造成火灾事故。为有效避免此类事故发生，需做好大容量变压器低压侧柜内小截面电缆的热稳定校验工作。

目前，～0.4 kV级低压配电系统设计中大多采用塑壳断路器作为配电线路的短路保护电器，这缘于它体积小、模块化、高分断、保护种类多样、智能化、维护工作少等诸多优势。恰当选用断路器的分断能力，可以将短路电流及时切断，从而保护线路，起到防灾目的。在诸多优势中，塑壳断路器分断能力已经取得长足发展，例如某产品相同额定壳架电流甚至做到四种分断能力可选。可以说，分断能力不够的问题已经不再是低压塑壳断路器在配电线路短路保护上的短板。设计中一般按照断路器额定运行短路分断能力来配合短路点的预期短路电流，最不利的情况下，也要按照断路器的额定极限短路分断能力配合预期短路电流，不过此时存在断路器损坏不能继续使用的问题，需慎重选用。本文采用的断路器分断能力数据均为额定运行短路分断能力。

同时，断路器分断短路电流之前，要保证配线导体的温升不超过其允许极限温度。温升是短路电流急剧作用并以热能方式释放的结果，热效应为I2t，不同时段下短路电流的取值不同，热效应大小也会有差别。

该时间可以按公式(1)确定。

t≤(k2·S2)/I2

(1)

式中S—绝缘导体的线芯截面，mm2；I—预期短路电流有效值(均方根值)，A；t—在已达到允许最高持续工作温度的导体内短路电流持续作用的时间，s；

k—计算系数，可查相关数据[1]。

此公式得变形公式即为电缆热稳定校验公式，见公式(2)。

(2)

该公式假定短路电流持续时间小于5 s，在大于5 s时，对于小壳架等级额定断路器一般瞬动脱扣已完成，或者由于热量的散失，不会产生很大热效应，这种情况不属于本文讨论范围。

工频电网下，远离发电厂处短路点的短路电路总电阻较小，总电抗较大时，短路电流直流分量衰减时间常数约为0.05 s，在短路发生半周期(0.01 s)内某个瞬间，直流分量不衰减，三相短路电流达到全电流峰值，对于位于变压器低压侧的短路点，短路电流全电流有效值可达到三相短路电流交流分量的1.51倍，目前0.1 s时间范围内瞬动脱扣保护的导线截面需按此短路电流进行校验。

但是，本工程选用了限流型塑壳断路器，对照断路器时间/电流特性曲线，壳架等级额定电流为63 A，整定额定电流为10～25 A的塑壳断路器的瞬动脱扣时间为0.02 s以内，整定额定电流为32～63 A的塑壳断路器的10倍瞬动脱扣时间约在0.02～2 s范围内，在0.02～2 s时间内短路电流的作用能量可以通过断路器的允通能量曲线查得，见图1、图2。非限流断路器、限流断路器对电缆截面的选择比较如表1所示。

图1 CM3-63L M允通曲线

变压器容量/kVA80010001600三相短路电流有效值/kA17.8721.9933.58三相短路电流全电流有效值/kA2733.250.71热效应/A2S270023320250712额定运行短路分断能力Ics=35kACM3-63M,10A85000120000-断路器允通能量/A2SCM3-63M,63A200000280000-额定运行短路分断能力Ics=50kACM3-100M,10A100000180000210000CM3-100M,63A600000750000900000限流前最小截面/mm218.8823.2235额定运行短路分断能力Ics=35kACM3-63M,10A2.042.42-限流后最小截面/mm2CM3-63M,63A3.133.70-额定运行短路分断能力Ics=50kACM3-100M,10A2.212.973.20CM3-100M,63A5.426.066.63

使用条件：(1)高压侧系统短路容量按∞考虑, 变压器选型SCB9系列,10±2x2.5%/0.4 kV, D,yn11,Ud=6%； (2)三相短路电流全电流有效值/三相短路电流有效值=1.51； (3)热效应作用时间按0.01 s考虑； (4)电缆绝缘材料计算系数k=143； (5)断路器数据参见CM3系列塑料外壳式断路器。

由表1可得：尽管变压器低压侧短路点处可产生的热效应很大，但是具有限流作用的断路器将允通能量以数量级形式拉到低值，很大程度上减小了电缆截面。在导体满足载流量及压降等条件的前提下，按照表1的计算条件，800 kVA及1000 kVA容量变压器低压侧柜内配电电缆最小截面选用2.5 mm2、1600 kVA容量变压器低压侧柜内配电电缆最小截面选用4 mm2即可满足该处短路电流的热稳定校验。

改变以上计算使用条件，如：根据工程实际参数，可以减小高压侧短路容量；断路器瞬动脱扣时间大于0.1 s，从而短路电流直流分量衰减，预期短路电流趋于短路周期分量，这些情况下可精确计算得到满足要求的最小截面，根据计算，对于1600 kVA容量变压器，除非高压侧系统短路容量小至20 MVA甚至更小，才能选择小于4 mm2电缆，对于800 kVA及1000 kVA容量变压器，高压侧系统短路容量甚至需要小至10 MVA，才能选择小于2.5 mm2电缆，这对于满足负荷要求、并网容量巨大、工程前期数据难以获得的当前实际来说不太具有现实意义。

综上所述，工程实际应用中，800 kVA及1000 kVA容量变压器低压侧柜内配电电缆最小截面选用2.5 mm2、1600 kVA容量变压器低压侧柜内配电电缆最小截面选用4 mm2即可满足该处短路电流的热稳定校验。

3 结论

通过以上计算与分析，可以看出，在导体满足负荷要求的前提下，应该重视大容量变压器低压侧柜内出线回路小截面的热稳定校验，校验过程中需配合保护电器提供的曲线，优先选用限流型产品，从而降低配电电缆截面，减少不必要的投资。

[1] 中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册(第3版)[M].北京：中国电力出版社，2005.

[2] 低压配电设计规范，GB 50054-2011[S].

Brief Analysis of Selection for Small Cross-sectional Area Cable in Low-voltage Distributors nearby Transformer Low-voltage Outlet

LIU Zhi-yuan

(Electrical and Automation Department, China ENFI Engineering Corporation, Beijing 100038, China)

The paper analyses how to check thermal stability of small cross-sectional area cable in low-voltage distributors nearby transformer low-voltage outlet and the necessity of the checking through calculation.

low voltage circuit breaker；moulded case circuit breaker(MCCB)；breaking capacity；thermal stability；current limiting characteristic；limited energy

2014-01-22

刘志远(1977-)，女，河北徐水人，工程师，硕士研究生，主要从事供配电设计工作。

TM406

B

1003-8884(2014)03-0027-03