论采用快速断路器可大幅度减少电缆截面

万新新，李 涛

引言

根据GB50217-2007《电力工程电缆设计规范》[1]以下简称《规范》，电缆最小截面（以下用“S”表示）设计时需满足以下4个因素：

（1）按照经济电流密度选择电缆的截面（Sj）；

（2）按照电压损失校验电缆的截面（Sy）；

（3）按照持续工作电流选择电缆的截面（Sc）；

（4）按照短路时热稳定校验电缆的截面（Sd）；

取 S=Max（Sj，Sy，Sc，Sd）。

而在工程应用中，主要以持续工作电流选择电缆截面，以短路热稳定电流进行校验，而按短路热稳定校验电力电缆截面时多以中速或慢速断路器切除短路故障时间来进行计算，加之设计方考虑的设计冗余，故往往电缆截面选择都很大。

在这种情况下，对企业或用户来说一次性投资必然增高，而随着断路器技术的发展，快速断路器的面世，将带来无穷的经济效益及快速切断技术的新变革。

1　快速断路器

1.1　简介

快速断路器是采用电磁斥力原理“涡流驱动”技术，是一种电容器储能的、涡流盘驱动的、永磁保持的、机械分闸时间小于5 ms、最大开断电流不小于80 kA CO100次、直动式快速真空断路器[2-3]。

1.2　快速断路器关键参数

“涡流驱动”快速断路器关键参数：

分闸时间＜5 ms；

燃弧时间＜2 ms；

合闸时间＜15 ms；

合闸反弹：0。

2　工程中电缆截面选择方法及原则

2.1　常规工程设计中电缆截面选择方法及依据

2.1.1按额定电流选择电缆截面

（1）额定电流计算。

（2）查表选择电缆截面。

依据《规范》进行计算并查表选择电缆截面。

2.1.2按短路电流热稳定选择电缆截面

（1）电缆截面计算

式中，C——与导体材质、温度极限、冗余系数等相关，各计算数据可查表获得，属于常数；

Q——电缆导体在短路过程中的发热量；

I——短路电流周期分量有效值，kA；

t——短路电流持续时间，s。

（2）查表

查表方法及依据与按额定电流选择电缆截面一致。

2.2　常规工程设计中电缆截面选择原则

根据上述两种电缆截面选择方法分别选择电缆截面，最终取即满足额定电流又满足短路热稳定要求的电缆截面即可[4-5]。

3　工程案例分析

3.1　系统情况简介

某10 kV系统，单母线分列运行，1#、2#变压器容量S=50 MVA，变压器短路阻抗百分比为Uk%=10.5，每台主变下配置的总负荷约为35 MVA，其中电动机负荷容量为25 MW。

3.2　系统主接线图

图1　一次主接线图

3.3　参数计算

当10 kVⅠ段某馈线如d1点（假定为10回中某一支路）出现三相短路，为计算方便110 kV短路电流按30 kA考虑。

采用Etap电力分析软件IEC标准计算短路电流如图2。

图2　短路电流计算模型

根据模型流过短路支路短路电流为39.7 kA，便于后续分析，按40 kA。

3.4　负荷支路的电缆截面选择

便于计算，本文中的电缆选定为10 kV三芯交联聚乙烯铜芯电力电缆，根据《规范》我们对C的相关参数整定如下：

热功当量系数J=1.0；电缆导体单位体积热容量（J/cm3·℃）-铜芯q=3.4；短路电缆导体允许最高温度θm=250℃；电缆导体允许最高工作温度θp=90℃；20℃时电缆导体电阻温度系数（1/℃）-铜芯α=0.00393；20℃时电缆导体电阻系数（Ωcm2/cm）-铜芯ρ=0.0184×10-4；导体填充物热容校正系数η=1；缆芯导体交流电阻与直流电阻比k=1.003。

计算C=13700（基本上是一个常数）。

3.4.1图1中各负荷支路中的开关k2均选用中速断路器

（1）假定送电距离近，不考虑线路阻抗，采用中速断路器时短路电流持续时间t=0.15s，代入式（2）中：

查表应选择S=120 mm2。

（2）由于图1中每一段母线下均有一条支路的负荷容量P=5000 kVA，按额定电流选择电缆截面大于按短路热稳定选择电缆截面（在此不细述按额定电流选择电缆截面的计算），因此这条支路中电缆最小截面按照持续运行电流选择，则选S1′=150 mm2（其中载流量校正系数k取0.8）。

（3）由图1可见，每一段母线各出线电缆总计有23根。

于是各支路使用中速断路器后，图1中10 kV系统两段母线下设回路电缆的总截面积：S中=2×（22×120 mm2+150 mm2）=5580 mm2。

3.4.2图1中各负荷支路中的开关k2均选用快速断路器

（1）快速断路器全开断时间≤15 ms，故快速断路器t可取0.015 s；

按照短路热稳定校验电缆的最小截面：

查表得S=50 mm2。

（2）同理，负荷容量 P=5000 kVA的回路，S1′=150 mm2；另负荷容量P=3000 kVA的回路，此条支路中电缆最小截面也按照持续运行电流选择，则此支路选70 mm2。

（3）各支路使用快速断路器后，图1中10 kV系统电缆的总截面积：S快=2×（150 mm2+70 mm2+50 mm2×21）=2540 mm2。

3.4.3系统使用不同速度的开关后电缆的总截面比（K）及造价比（Z）

（1）总截面比K

K=S快/S中=2540/5580=45.5%≈46%，即采用快速断路器后可节约电缆截面有54%。

（2）总造价比Z

假定各种规格的电缆长度相等，则金属体积及重量比也约为46%，实际情况，将各电缆长度乘以截面，即可得到体积和重量，也就知道了价格比。

根据市场情况，各电缆的单价约如下：50 mm2电缆118元/m、70 mm2电缆150元/m、120 mm2电缆 235元 /m、150 mm2电缆 286元 /m、240 mm2电缆440元/m、300 mm2电缆 540元/m。

则价格比 Z=L×2×（1×286+1×150+21×118）/〔L×2×（22×235+1×286）〕=53%（仅电缆材料部分的价格），可以看出使用快速断路器后电缆的造价仅为原来的53%左右。

4　按短路电流选择电缆截面梯形图

4.1　按短路电流选择电缆截面的梯形图效果展示

如图3，我们采用直观性很强的梯形图表征了时间t的改变大幅度影响电缆截面选择，图中横坐标为短路电流Ik，纵坐标为电缆截面S。

图3　梯形效果图

4.2　工程中采用快速断路器后电缆截面选择图

如图4，我们仍采用直观性很强的梯形图表征了采用快速开关后铜芯电缆截面的选择，图中横坐标为短路电流Ik，纵坐标为电缆截面S。

图4　电缆截面综合选型图

说明：28 kA和39.2 kA为横坐标电流拐点；25 mm2、35 mm2及50 mm2为纵坐标铜芯电缆截面拐点；依据《规范》，25 mm2铜芯电缆，额定电流为100 A×k×1.29=103 A（k取0.8），额定容量为1800 kVA；35 mm2铜芯电缆，额定电流为123 A×k×1.29=127 A（k取0.8），额定容量为2200 kVA；50 mm2铜芯电缆，额定电流为146 A×k×1.29=150 A（k取0.8），额定容量为2600 kVA。

通过图4及上述分析看出，负荷容量如果＞2600 kVA，则在短路电流40 kA及以内均需要按额定电流，依据国标查表得最终电缆截面，而负荷容量如≤2600 kVA，则可全部按此图形查询最终的电缆截面。

5　快速断路器在多级开闭所的应用

某系统短路电流为I，如图5所示，我们定义一级保护范围为单负荷或称末端负荷，当d1点发生短路，系统使用中速和快速两种不同速度的断路器，利用公式（2）计算其截面比为：

图5　多级开闭所一次系统图方案1

可见用快速断路器比用中速断路器选择的电缆最小截面小很多。

图5方案中末端负荷很多，如果全部使用快速断路器k1，对节约电缆投资有很明显效果，但快速断路器投资成本可能会高；为了不造成越级跳闸，二级保护需按照继电保护整定原则跳闸时间需延长0.3 s，总时间t2=0.15 s+0.3 s=0.45 s，因此二级保护用快速断路器没有必要。

根据上述情况，如果对系统配置作相关调整的话，那将会带来意想不到的经济效益，具体分析如下：

图6 多级开闭所一次系统图方案2

图6与图5不同的是，总降站的末端负荷用了快速断路器k1；并在有下级开闭所支路的中速断路器k2下串联一台快速断路器k1，同时在k1处并联了阻抗R，R为开闭所内所有负荷的等效阻抗，正常运行时，k1是合闸的，相当于阻抗R是被旁路了，当d1处发生短路，二级保护位置的快速断路器k1和短路支路的中速断路器k2都检测到短路电流I，立即启动跳闸，k1在0.015 s内快速开断，将阻抗R串入系统，短路电流被限制到额定电流In，所以一台快速断路器k1就替代了n台中速断路器k2的速动作用，对于总降站其他负荷来说，短路期间低电压时间仅15 ms左右，供电质量不受影响，维持了供电可靠连续性。中速断路器k2在短路后80 ms左右也开断了，短路故障被彻底切除，负荷阻抗恢复了，k1保护判断故障解除，立即合闸，系统恢复正常。

若短路点在d2点，支路快速断路器k1在0.015 s内开断，将阻抗R串入系统，短路电流被限制到额定电流In，由k1上级的k2断路器按常规保护设置跳开回路，如果0.3 s后k2断路器未切除故障，则k1断路器的快速保护装置可以发信号给k2断路器跳闸回路，k1的快速保护作为二级后备保护。

图6方案在有下级站的支路配置快速开关与等效阻抗，带来的好处是本条回路电缆以及所带的开闭所内所有电缆都可按短路持续时间0.015 s计算电缆最小截面。并且该回路的中速断路器k2在这种短路工况下，不再需要开断短路电流了，仅需开断额定电流In，所有的中速断路器k2的造价也可降低。

6　结论

根据上述分析及计算，快速断路器应用前景非常可观，不仅仅起到本质上的快速切除短路故障的功能，还可以大幅度减小电缆截面的选择。不过这一切需要有两大步骤，其一，快速断路器的可靠稳定性及普及性；其二，针对快速断路器，短路持续时间t=0.015 s被普遍认可并写入国标，作为设计单位设计选型依据。

相信伴随电力系统的发展及快速断路器的被广泛应用，现有的设计规范及国标可能会被改写。同时快速断路器应用非常广泛，随着技术的成熟，可能会取代现有的中速断路器。

[参考文献]

[1]GB50217-2007，电力工程电缆设计规范[S].

[2]王子趣，何俊佳，尹小根，等.基于电磁斥力机构的快速真空开关[J]. 电工技术学报，2009，4（11）.

[3]李娜.快速涡流驱动机构：CN201310180687.7[P].2013-09-04.[4]郭云霞.电力电缆截面选择初探[J].上海电力学院学报，2007（02）.

[5]牛素珍.电缆截面选择方法探讨[J].科技情报开发与经济，2002，12（2）：72-73.