铝合金电缆短路电流的计算及与铜芯电缆的比较

王国忠

（江苏通光强能输电线科技有限公司，江苏海门226100）

铝合金电缆短路电流的计算及与铜芯电缆的比较

王国忠

（江苏通光强能输电线科技有限公司，江苏海门226100）

给出了铝合金电缆短路电流的推导和计算，计算结果与铜芯电缆的允许短路电流作了比较，从短路容量的满足方面，指出了用铝合金电缆替代铜芯电缆的截面要求。

铝合金电缆；短路电流；计算；铜芯电缆；比较

0 引 言

当配电系统发生短路故障时，电缆中有巨大的短路电流流过，产生大量的热，使电缆温度急剧上升。如果短路电流不能迅速切断，电缆的绝缘和护套就会很快发生热膨胀、变形和分解，甚至冒烟、燃烧和导体熔断，危害人们的生命财产安全，因此，电缆短路热稳定性的正确校验十分重要。电缆短路电流的校验主要用于以下几点：

（1）校验保护电器的分断能力，如断路器、熔断器的分断能力应大于安装电器可能出现的最大预期短路电流；

（2）确定保护电器的整定值，使其在短路电流对开关电器及线路器材造成破坏之前切断故障电路；

（3）校验开关电器及线路器材的动力稳定和热稳定是否满足规范要求。

对于常规电缆的热稳定校验，大多数设计人员都有丰富的经验。然而，铝合金电缆是一个新的产品，在产品推广和销售过程中，常常有设计人员咨询到铝合金电缆短路电流的计算及其短路电流与铜芯电缆比较的问题。本文就这方面内容加以探讨。

1 铝合金电缆短路电流的计算

铝合金导体电缆如发生短路故障，同常规电缆一样，通过导体的电流可达额定电流值的几倍或几十倍。不过短路电流作用时间很短，一般只有几秒或更短的时间。在短路电流作用期间，如果电气参数设计正确的话，各种保护电器能迅速动作，电缆的温度不会超过允许的最高工作温度。对于交联聚乙烯（XLPE）绝缘的铝合金电缆，短路时允许最高工作温度为250℃；对于聚氯乙烯（PVC）绝缘的铝合金电缆，截面≤300 mm2时，最高允许短路温度为160℃，而截面大于300 mm2时，则为140℃。

计算铝合金电缆的允许短路电流时，由于短路电流作用时间短，为方便起见，认为在电缆短路期间，导体损耗产生的热流全部使导体温度上升，向绝缘层散发的热量可以忽略不计。同时认为，导体的热容系数、导体交流电阻与直流电阻之比均与温度无关。这样，对单位长度（本文以1 m长电缆计算）的电缆有：

式中：ISC为允许短路电流（A）；R20为1 m长电缆20℃时的导体直流电阻（Ω）；α为20℃时电缆导体的电阻温度系数（1/℃）。对于8000系列铝合金导体，α取0.00403/℃。

将式（2）代入式（1），整理后得：

将式（3）两边积分。设短路开始时，导体的温度为θ0，在t秒时间内，导体达到的温度为θc，于是有：

设导体的截面为S，8000系列铝合金导体的电阻率ρ取0.028264Ω·mm2/m，热容系数q取2.5× 10-3J/℃·mm3，对1 m长电缆：

R20=0.028264/S （Ω）

K=q·S·1000=2.5S（J）

代入式（4）得，

将电缆允许的短路温度和短路开始时的导体假设温度代入式（5），可得单位面积铝合金导体电缆在1 s内的允许短路电流即电流密度，见表1。

表1 铝合金电缆短路时允许的瞬时电流密度ISC

2 铜芯电缆的短路电流密度

将前面的推导和计算用的铝合金导体的参数更换为铜导体的参数，即20℃时导体的电阻温度系数α、导体电阻率ρ、导体热容系数q分别取0.00393（1/℃）、0.017241（Ω·mm2/m）、3.45×10-3（J/℃· mm3），可得单位面积铜芯导体电缆在1 s内的允许短路电流即电流密度，计算结果见表2。

表2 铜芯电缆短路时允许的瞬时电流密度ISC

3 比 较

从表1和表2可以发现，在绝缘类型相同、截面相同、短路持续时间相等的情况下，铜芯电缆的短路允许电流密度是铝合金芯电缆的1.51倍。换言之，如果要保持与铜芯电缆相同的短路容量，铝合金导体的截面应是铜芯导体的1.51倍。如果用XLPE绝缘的铝合金电缆替代PVC绝缘的铜芯电缆，对于导体截面≤300 mm2的电缆，在同样的导体短路起始温度时，铝合金导体的截面只要放大到1.13～1.21倍，就能满足短路电流相同的要求；而对于导体截面＞300 mm2的电缆，PVC绝缘的铜芯电缆的允许短路电流密度比XLPE绝缘的铝合金电缆的大1.01～1.12倍，即从短路容量方面考虑，在导体截面＞300 mm2时，可以用XLPE绝缘截面为1.01～1.12倍铜芯截面的铝合金电缆代替铜芯PVC绝缘的电缆。

4 结 论

用在短路期间，导体损耗产生的热流全部使导体温度上升，向绝缘层散发的热量可以忽略不计的方法推导得出的电缆短路电流应该是偏安全的值，因为实际短路期间，尽管短路电流作用的时间极短，热流还是会向绝缘和护层散发，这样，在一定的短路时间内，实际的允许短路电流应该比前面计算的允许值略大一些。本文给出了铝合金电缆短路电流的推导和计算，计算结果与铜芯电缆的允许短路电流作了比较，从短路容量的满足方面，指出了用铝合金电缆替代铜芯电缆的截面要求。由计算和比较可以得出这样的结论：绝缘类型相同、截面是铜芯导体1.51倍的铝合金电缆，具有和铜芯电缆相近的满足热稳定校验的能力；如果用XLPE绝缘的铝合金电缆替代PVC绝缘的铜芯电缆，对于导体截面≤300 mm2的电缆，在同样的导体短路起始温度时，铝合金导体的截面只要放大到1.13～1.23倍，就能满足短路电流的要求；而对于导体截面＞300 mm2的电缆，可以用XLPE绝缘截面为1.01～1.12倍铜芯截面的铝合金电缆代替铜芯PVC绝缘的电缆，就能满足短路容量的要求。

［1］ GB 50217-2007 电力工程电缆设计规范［S］.

［2］ GB/T 12706-2008 额定电压1 kV（Um=1.2 kV）到35 kV（Um=40.5 kV）挤包绝缘电力电缆及附件［S］.

Calculation of the Short-Circuit Current of an Alum inum Alloy Cable and Comparison w ith the Short-Circuit Current of a Copper Cable

WANG Guo-zhong
（Jiangsu Tongguang Qiangneng Transmission Line Technology Co.，Ltd.，Haimen 226100，China）

This paper gives the derivation and calculation of the allowing short-circuit current of an aluminum alloy cable.Comparing with that of copper conductor cable，it points out the requirement of the area of an aluminum alloy conductor in place of a certain copper conductor cable.

aluminum alloy cable；short-circuit current；calculation；copper conductor cable；compare

TM201.3

A

1672-6901（2014）05-0017-03

2014-04-22

王国忠（1962-），男，总工程师，高级工程师.

作者地址：江苏海门市大生路3966号［226100］.