低压配电系统热稳定校验分析

尹金玲

(大连城建设计研究院有限公司，大连 116011)

0 引言

在低压配电设计中，配电线路保护保证着整个配电系统的正常运行与故障处理，对人身安全和财产保护起着重要的作用。作为对短路保护十分重要的一个因素，电缆截面的正确选择非常重要，需要对每个配电系统中的每个回路进行热稳定校验，但工作量比较繁琐。因此笔者利用Excel软件，针对不同容量的变压器以及低压配电柜配出不同规格截面的电缆，计算并分析满足热稳定校验情况下，配电距离与截面的关系。为配电系统设计中电缆截面的选择作参考，简化计算过程，提高工作效率，保证配电的安全性。

1 计算公式

首先计算短路电流，然后根据短路电流对导体或连接件产生的热效应来进行热稳定校验。

1.1 热稳定校验公式

根据GB 50054-2011《低压配电设计规范》，绝缘导体的热稳定校验应符合下列规定。

(1)当短路持续时间≤5s时，绝缘导体的热稳定按式(1)进行校验：

(1)

式中，S为绝缘导体的线芯截面，mm2；I为短路电流有效值(方均根值)，A；tk为在已达到正常运行时的最高允许温度的导体上升至极限温度的时间，s；k 为不同绝缘、不同线芯材料的系数k值，按规定选取。

(2)当短路持续时间<0.1s时，应计入短路电流非周期分量的影响。

(3)当短路持续时间>5s时，应计入散热影响。

1.2 短路电流计算公式

低压网络三相短路电流初始值可按式(2)计算：

(2)

式中，Un为网络标称电压(线电压)，V，220/380V网络为380V；c 为电压系数，计算三相短路电流时取1.05；Zk、Rk、Xk分别为短路电路总阻抗、总电阻、总电抗，mΩ。

1.3 短路电流热效应

(3)

式中，Ith为热等效短路电流，kA；m为短路电流非周期分量的热效应系数；n为短路电流交流分量的热效应系数；配电网中发生短路时(远端短路)，通常取n=1；对于短路持续时间≥0.5s的远端短路，可近似取m+n=1。

1.4 细化热稳定校验公式

(4)

2 参数的选取

根据上文中的公式，在计算过程中，有几个参数是需要综合因素加以考虑的。

2.1 短路点的选择

低压配电系统中发生短路时，大部分情况是三相短路电流最大，所以，本文取三相短路电流来进行线路的热稳定校验。由于电缆故障最容易发生在电缆接头处，且在电缆首端发生故障时故障电流并不通过电缆本身。计算短路电流时短路点选择在电缆终端或第一个中间接头处。

2.2 保护电器动作时间

采用断路器保护时，短路保护电器短路保护动作时间为两种，查《配四》可得，第一种是瞬时脱扣器的全分断时间(包括灭弧时间)极短，一般为10～30ms，即tk<0.1s；第二种是短延时脱扣器的动作时间一般为0.1～0.4s。根据断路器产品厂家提供的短路保护电器短路保护动作时间为0.07s，根据保守原则，本文采用tk=0.07s作为短路保护电器短路保护动作时间。

2.3 材料的系数

不同绝缘、不同线芯材料的系数k值的选取：配电系统采用的电缆一般为交联聚乙烯绝缘导体，查《配四》可得，k值选取为143。

2.4 高压侧短路容量

10/0.4kV变压器高压侧短路容量与高压侧阻抗、相保阻抗(归算至400V)的数值有关系，高压侧短路容量越大，系统电抗、电阻越小，进而短路电流越大。本文选高压侧短路容量为500MVA时的系统电阻、电抗参与短路电流计算。

2.5 短路电流非周期分量的热效应系数m

m与f×Tk和kd有关，由《配四》图4.3-10查曲线可得出。其中f为额定频率，单位Hz；Tk为持续短路时间；kd=1.02+0.98e-3R/X，为计算系数，由R/X决定，通过《配四》图4.3-5查曲线并计算得出。

2.6 热效应电流倍数kr值

(1)短路持续时间<0.1s时，校验绝缘导体截面积应该计入短路电流非周期分量影响；根据f×Tk=50×0.07=0.35(本文选Tk=0.07s)和不同kd值对应的m值(查《配四》图4.3-10)，可计算得出热效应电流倍数kr值。如表1所示，为热效应电流倍数kr值(其中，n=1)。

热效应电流倍数kr值 表1

根据本文实例，R/X=0.07，查《配四》图4.3-5，取kd为1.75，所以表1可以得出，热效应电流倍数kr取1.2。

(2)短路持续时间≥0.5s的远端短路，可近似取m+n=1。热效应电流倍数kr取1。

3 实例

3.1 计算流程

下面就自维变电站不同变压器容量，低压配电柜配出电缆采用YJV-1.0kV时，采用不同规格截面的电缆以调整配电长度，满足热稳定校验的情况进行计算。流程图见图1，相关公式及参数选择见前文所述。

3.2 计算结果

不同变压器容量(kVA)，低压配电柜配出的不同规格截面(mm2)电缆满足热稳定校验情况下的最短配电长度，如表2所示。

3.3 结果分析

(1)由表2可以看出：1)同一容量变压器，配电设备距变压器越近，其电缆截面要求越大，才能满足热稳定要求；2)随着变压器容量加大，配出电缆的距离电缆越长，对大截面电缆配电长度要求就越低，所以配出小截面电缆时，一定要进行热稳定校验；3)数值为 “*”表示配电柜配出该规格截面电缆时不需要进行热稳定校验，均能满足要求。

图1 设计流程图

满足热稳定校验下电缆末端或电缆第一个接头处距配出柜的距离/m 表2

(2)低压配柜配出到配电箱，最小距离大约5m，按表2计算结果来看，可总结出变压器配出最小截面电缆，如表3所示。

变压器配出最小截面电缆 表3

4 结束语