变压器低压侧母线馈线电缆热稳定分析

杜建宏（上海浦东建筑设计研究院有限公司，上海 201204）

不论是从事工业电气设计、民用电气设计的人员，还是照明专业设计人员，工作中都离不开低压电缆的选型。GB 50054—2011《低压配电设计规范》对低压电缆（导体）截面的选择提出 6 个方面的规定，但很多电气设计师在选型时往往注重的是载流量、额定电压、绝缘及护套材料、敷设路径、回路电压降乃至经济电流密度等方面的因素，忽视了电缆热稳定校验。

在变配电系统设计过程中，经常会出现因某些变压器低压侧馈电回路安装容量小而选用小截面电缆的情况，如变电所配电箱、距变电所距离较近的消防小动力配电箱、应急照明配电箱、普通照明配电箱等回路，如果按载流量选择则电缆截面过小且电缆长度较短，可能就会出现电缆的热稳定不满足要求。该回路发生短路时，在保护电器的瞬时短路保护还未动作之前，电缆的绝缘层在巨大的短路电流热效应情况下可能会被破坏，同时可能影响到附近的电气设备或电缆，甚至引发电气火灾。对大容量变压器的馈线电缆截面 ＜16 mm2时，审图人员一般会要求设计人员出具电缆热稳定校验计算书，但也不宜盲目将所有馈线电缆都放大到16 mm2及以上。本文将结合工程实例就如何快速准确进行电缆的热稳定校验展开探讨。

1 工程概况

某体育公园项目位于广西壮族自治区柳州市柳江新区中部综合功能区 E 组团，距柳州市区 12 km，项目规划用地约3.27 万 m2，总投资约 5.05 亿元人民币。建成后的体育公园将以现有的森林及湿地水域为基础，整合开发成为融观光、运动、休闲度假等功能为一体的新城综合性公园，成为开放式、集约型的全民健身场所。

本工程有地面建筑物 13 座，建筑总面积为 24 726.67 m2。根据负荷计算，本工程设置 2 座 10/0.4 kV 变电所，由电网分别引入 2 路 10 kV 电源，在体育馆一楼的变电所设置 2 台1 000 kVA 变压器，在 13 号楼 1 楼的变电所设置 2 台 630 kVA变压器。附近的建筑单体、室外道路、运动场所以及景观照明的供电由变电所低压母线侧引出。

2 问题提出

本工程施工图设计阶段，变电所低压母线段的馈线中部分回路由于额定脱扣电流不大（In=20 A/25 A），设计时选用了型号为 WDZA－YJY－4×6＋E 6 的无卤低烟阻燃型交联聚乙烯绝缘电缆，在常规载流量的基础上放大了一挡，未做电缆热稳定校验。内部校审时，总工根据经验，认为常规设计 1 000 kVA 变压器馈线侧截面一般 ≥10 mm2，最好使用16 mm2电缆，本设计使用 6 mm2截面的电缆有可能不满足短路热稳定的要求。变电所低压侧系统如图 1 所示，变电所平面如图 2 所示。

图1 变电所低压侧系统图

图2 变电所平面图

认真核对图纸后，选择了长度最短的一个回路（变电所配电箱，电缆长度约 13 m），保护电器设计为 CM1-63 M型塑壳断路器，额定脱扣电流In=25 A。按规范和图集的相关要求进行电缆的热稳定校验。

3 短路电流分析与计算

3.1 短路点的选择

中国航空工业规划设计研究总院有限公司编写的《工业与民用配电设计手册（第四版）》（以下简称《设计手册》）提出，校验电缆的热稳定时，短路点可按下述情况确定。

（1）不超过制造长度的单根电缆，短路发生在电缆的末端。

（2）中间接头的电缆，短路发生在每一缩减电缆截面的线段首端；电缆线段为等截面时，则短路发生在下一段电缆的首端，即第一个中间接头处。

（3）无中间接头的并列的电缆，短路发生在并列点后。

本回路单根电缆的长度约为 13 m，未超过制造长度，符合上面第（1）条的情况，所以热稳定校验的短路点应选择在线路电缆的末端，即电缆长度 13 m 处。

3.2 短路电流查询与计算

工程设计中应用的短路电流计算通常不必按《设计手册》中的公式精确计算，图集 19 DX 101—1《建筑电气常用数据》（以下简称《常用数据》）提供了大部分工程常用数据，其中表 15.8 就提供了 YJV 电缆不同截面用于不同变压器出线侧不同距离处的短路电流参考数据。由于没有 6 mm2电缆的数据，只好应用《设计手册》提供的公式 4.3-1 即式（1）来计算实际的短路电流。

工程设计阶段，电网参数与变压器制造参数暂时无法获知，10 kV电网短路容量按无穷大考虑，变压器阻抗根据短路阻抗估算（参考《常用数据》15-7页）可得出：

根据电缆手册提供的参数可以计算 13 m 铜芯 6 mm2电缆的正序阻抗：

整个回路的三相短路阻抗参数为：

由以上计算过程可知，在网络参数一定的情况下，电缆线路越长，则短路阻抗越大。当电缆阻抗远大于变压器阻抗时，电缆长度同短路电流大致成反比关系，电缆长度增加可以有效抑制系统的短路电流。

4 馈线电缆热稳定校验

4.1 按短路电流在电缆中产生的热量来校验

电缆的热稳定允许通过短路电流也可以通过《常用数据》表 15.9 查询，但是表格中给出的短路持续时间最短是 0.1 s。本案例中计算短路电流为 5.285 kA，约为断路器额定脱扣电流的 210 倍，远大于断路器的瞬时脱扣电流（5～10In），断路器应瞬时动作。咨询过市场上主流的断路器制造厂家，塑壳断路器瞬时动作的全分断时间（包含灭弧时间）均在 20 ms 之内。根据《设计手册》第 11 章在电缆的热稳定进行校验时提出“对持续时间不超过 5 s 的短路，按公式 11.2-4即式（2） 校验持续时间”。

查表得出交联聚乙烯铜芯电缆的k值为143，计算短路电流允许持续时间。

设计选用的电缆在计算短路电流条件下允许的短路电流持续时间大于断路器的开断时间，满足热稳定要求。

4.2 在考虑保护电器的限流作用后的热稳定校验

在用断路器作为电缆的保护电器（塑壳断路器）时，由于断路器的限流作用，发生短路时实际短路电流一般不会达到计算短路电流，具体限流数值可以从各断路器制造厂家提供的限流曲线获得。所以《设计手册》第 11 章建议对于断路器保护的回路，短路持续时间 ≤ 0.1 s 时，应按公式 11.2-5 即式（3）要求校验导体截面。

市面上主流的塑壳断路器制造厂家都能够提供允通能量曲线，为增加结果可信度，分析时选用了 3 个厂家提供的允通能量曲线：国际品牌 ABB 的 S 1 型断路器，如图 3所示；本案例设计选用的国内技术领先的常熟开关厂 CM 1型断路器，如图 4 所示；国产低压电器广泛应用的正泰电器厂 NM 1 型断路器，如图 5 所示。首先计算电缆允许通过的最大能量。

图3 ABB S 1 型断路器允通能量曲线

图4 CM 1 断路器允通能量曲线

图5 NM 1 断路器允通能量曲线

在短路电流 6 kA 和 25 kA（0 m 处短路）时，通过图3～图 5 可得各型号的允通能量值为：S 1 型断路器在 6 kA时是 240 000（A2s），25 kA 时是 500 000（A2s）；CM 1 型断路器在 6 kA 时是 5 900（A2s），25 kA 时是 58 000（A2s）；NM 1 型断路器在6 kA 时是 18 000（A2s），25 kA时是 190 000（A2s）。

由上可知，设计选用的交联聚乙烯绝缘 6 mm2电缆在短路电流为 6 kA 时，选用上述 3 种中任意一种断路器作为保护电器，都可以满足电缆热稳定校验，甚至在电缆长度为0 m 的极端情况下，也均能满足电缆热稳定校验。

4.3 校验结果局限性

（1）从几个不同厂家提供的允通能量曲线来看，因制造工艺差异较大，不同型号的断路器限流特性曲线呈现出比较高的离散性，因此不同厂家型号断路器的允通能量曲线不具备通用性。虽然本次校验选用了 3 个不同层次的断路器样本，但仍然不能说本次热稳定校验结论适用于所有断路器。

（2）本文 4.1 中的校验方法可供参考，但要说明的是，从严谨的角度考虑，校验结果 0.026 s 通过热稳定校验的前提条件是假定断路器全分断时间＜0.020 s，实际上这个全分断时间也会因制造厂家工艺不同而略有差异，《设计手册》11.2.3.3 也指出瞬时分断断路器全分断时间一般为10～30 ms。

5 结 语

本工程最终出图时，虽然所选的馈线回路电缆热稳定校验在设计选型条件下通过校验，但考虑到本文上述分析的校验结果的局限性，经与总工协商后调整此回路的截面为10 mm2，以提供更广的适用性。本工程其他馈线回路长度均＞ 20 m，未作调整。通过对本工程的电缆热稳定分析，得出如下结论及建议，供广大电气设计人员参考。

（1）电气设计时应依据规范中的相关要求，对低压馈线电缆进行热稳定校验，尤其是在大容量变压器的低压侧要注意对那些电缆长度较短、截面积较小的电缆的热稳定校验。

（2）在进行短路电流计算和校验电缆的热稳定允许通过短路电流时，应尽可能利用《常用数据》中的现有数据；数据不能涵盖时，尽量运用工程简化计算的手段来做近似计算。

（3）现代电气设计中绝大多数馈线回路都是通过断路器提供保护，应尽可能利用断路器的允通能量曲线来校验馈线电缆的热稳定。

（4）本文提出的电缆热稳定快速校验方法是基于一些接近实际情况的假定条件进行的，如果实际工程情况较假定条件有较大差别，建议慎重选用本文提到的计算和校验方法。

（5）在满足经济性及安全可靠的前提下，当大容量变压器的低压侧馈线电缆不能满足热稳定校验时，建议优先选择优化电缆敷设路径（适当加长）以及适当选择带限流功能的断路器（允通能量小）的方法。也可选择加大电缆截面的方法，但增加截面的同时回路阻抗减少会造成短路电流的增加。从厂家提供的允通能量曲线来看，短路电流增加，断路器允通能量也是增加的，对提升热稳定校验的效果可能不够明显。

（6）工程设计中往往工期紧、任务量大，建议大容量（＞1 000 kVA）变压器的低压侧馈线电缆不宜选择截面小且长度又短的电缆。通过本文的计算，建议设计人员在长度≤ 15 m 的回路慎重选择 6 mm2以下的电缆，否则须进行热稳定检验。