供配电设计中高压设备及电缆的短路校验

黄庆福

(中土集团福州勘察设计研究院有限公司，福建 福州 350000)

为保证高压开关柜及设备安全可靠运行，设计高压设备具体参数时应按正常工作条件、故障时的热动稳定校验以及工作环境条件来选择。高压电缆的选型设计除了需要按温升选择截面外，还需进行短路的热稳定及动稳定校验，本文通过短路电流计算，结合实际工程案例给出高压设备及电缆的选型设计，有利于提高设计质量，以达到供电安全、可靠以及经济。

1 短路阻抗的计算

在三相交流供电系统中，可能发生的短路有单相接地短路、两相短路以及三相短路故障，当短路点发生在发电机附近的时候，两相短路电流可能大于三相短路电流，除此之外，三相短路电流最大。10kV电力系统短路可视为远端短路，短路电流交流周期分量基本保持不变，即不发生衰减。电力系统短路阻抗由馈出的高压电力电缆线路的阻抗以及系统短路电抗两部分组成。

1.1 电缆线路的阻抗计算

输电线路阻抗标幺值为：

式中，Sb为基准容量，Ub为基准电压，ZL为线路阻抗，z0为单位长度线路阻抗，L为线路长度。基准电压Ub=1.05Un。Un为各级电压标称值。输电线路单位长度的阻抗值可通过厂家给出的电感值来求得。

1.2 系统短路电抗的确定

电力系统的短路容量应由相关供电部门提供，当获取困难的情况下，可以近似由上级变电站高压柜馈出断路器的分断能力来求得：

式中，Sk为系统短路容量(MVA)，Un为馈出柜母排电压(kV)，Ik为馈出柜断路器的分断电流(kA)。

此外，短路容量也可由上级变电站变压器的容量以及短路阻抗百分比来求得，具体为：

式中，Sk为系统短路容量(kVA)，Sn为变压器额定容量(kVA)，Uk为变压器短路阻抗百分比。

根据系统的短路容量即可计算出系统短路阻抗，由于系统短路电阻很小，可以忽略不计，因此，在计算系统短路阻抗的时候，可只计短路电抗值，系统短路电抗标幺值为：

2 系统短路电流计算

10kV电缆线路短路属于远端短路，因此，三相短路较两相短路及单相短路电流要大，对于电缆线路及高压设备的校验应按三相短路电流来校验。但是，为了确定继电保护的方案，还需要计算最小运行方式下的两相短路电流。对称稳态三相短路电流有效值的标幺值为：

对称稳态三相短路电流有效值用于电力电缆以及高压设备的热稳定校验。高压开关柜的选型设计中，还应对其动稳定进行选型校验，动稳定需要用三相短路电流的冲击电流来校验，三相短路冲击电流出现在短路发生后的前半周内，其值为：

式中，ip为三相短路电流短时冲击电流，Kp为短路电流峰值系数，Ik为对称稳态电流有效值。短路电流峰值系数Kp根据短路回路的实际情况取1～2不等，一般10kV电力系统三相短路峰值系数取1.8。

设计过程中，通过上述方法求出短路电流之后，即可对高压开关柜及电力电缆进行选型设计并校验。

3 高压柜及电力电缆动热稳定校验

10kV高压开关柜的选型设计需进行额定电流、额定电压、额定开断电流、动稳定以及热稳定校验。开关柜的额定电流及额定开断电流应不小于线路最大负荷情况下的运行电流。动稳定及热稳定需要采用线路三相短路电流来校验，动稳定采用三相短路冲击电流来校验选择，热稳定应按继电保护和开关固定分闸时间之和的电流有效值来校验选择。

高压电缆除了用按温升选择电缆截面之外，还需采用稳态三相短路电流有效值进行热稳定校验选型。电缆热稳定的最小截面为：

式中，Smin为电缆热稳定的最小标称截面（mm2），C为热稳定系数，热稳定系数可通过设计手册查得，Qt为三相短路电流产生的热效应（kA2·s），其值为：

式中，ikt为短路电流瞬时值(kA)，Ikt为短路电流交流分量有效值(kA)，idc为短路电流直流分量，T为短路电流直流分量等效时间(s)。t为短路电流切除时间(s)。

4 工程设计实例

某路局车辆段新建一检修库计算用电总负荷为3200kVA，为提高供电可靠性，供电方案采用双电源高低压母线分段，两路10kV电源分别引自不同10kV母线段，如图1所示。

(1)10kV线路采用电缆形式，首先，按温升选择电缆截面。最大负荷电流为184.75A，通过查询手册采用YJV22-10kV-3×95的电缆。

图1 供电方案

(2)选取基准容量为Sb=100MVA，基准电压为Ub=10.5kV，上级变电站变压器容量为50MVA，变压器短路阻抗百分比Uk%=10.5，可求出系统短路容量为476.2MVA，从而系统的短路电抗，标幺值为：X*=0.21。

(3)10kV变配电所距离上级变电站的距离为500m，因此，RL*=0.043，XL*=0.039。

(4)由式3.2可求得短路电流有效值

根据以上计算出的短路电流即可对电缆进行热稳定校验，以及对高压进线柜和高压母联柜进行选型。继电保护主保护采用电流速断保护，断路器选取快速型，固有分闸时间为0.1s，后备保护时间为0.5s，交联聚氯乙烯电缆的热稳定系数C值取145，因此，可算出电缆满足热稳定的最小标称截面，因此，按温升选择的电缆型号YJV22-10kV-3×95不满足热稳定要求，应加大一级，改为YJV22-10kV-3×120。

短路冲击电流为三相短路电流有效值的2.55倍，即ip=55.44kA，因此，高压柜动稳定极限开断电流选择63kA。而短路电流有效值Ik=21.74kA，因此，高压柜满足热稳定的短时耐受电流选择25kA。

5 结语

高压电器及电缆的动热稳定校验是供配电设计中重要环节，设备必须耐受在系统最大运行方式下的短路热效应及电动力。而短路电流的计算为该校验的基础，采用实用法对短路电流进行计算，在此基础上，对高压设备及电缆进行动、热稳定选型校验，可形成一套较为完善的设备及线缆选型流程。