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电缆热稳定允许最小截面的计算(附:案例计算)

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在电力线路设计中,受通道资源、环境条件等各种限制因素的影响,常采用电缆方案。电缆线路设计的关键环节之一是电缆选型。电缆选型不仅要考虑正常运行时的载流量、电压降等性能指标,还必须校核其在短路故障条件下的安全可靠性。电缆热稳定校验正是为确保电缆在短路电流作用下不致因过热而损坏的安全性校核。若校验不充分,轻则导致绝缘加速老化、使用寿命缩短,重则引发火灾甚至造成系统崩溃。因此,电缆热稳定校验是电缆线路设计中不可或缺的重要环节。


No.1

热稳定校验的基本原理

当电力系统发生短路故障时,巨大的短路电流将在极短时间内(通常为0.1秒至数秒)流过电缆导体,导致导体温度急剧上升。若温升超过电缆绝缘材料所能承受的极限温度,将造成不可逆的热损伤甚至瞬间烧毁。

常用电力电缆导体的最高允许温度如下表所示:


电缆的短路热效应可用公式 Q = I²t 表示,其中 I 为最大预期短路电流,t 为短路电流的作用时间。短路热稳定的核心要求是:导体在短路电流作用下,其最终温度不超过绝缘材料所允许的短时最高温度。因此,在进行电缆短路热稳定校验时,必须合理确定短路电流及其持续时间。

No.2

校验计算方法及公式推导

根据《电力工程电缆设计标准》(GB 50217-2018)第3.6.8条,短路电流计算条件应符合下列规定:

1. 计算用系统接线应采用正常运行方式,且宜按工程建成后5年~10年的发展规划考虑。

2. 短路点应选取在通过电缆回路可能产生最大短路电流的位置。对单电源回路,短路点选取宜符合下列规定:

1)对无电缆中间接头的回路,宜取在电缆末端;当电缆长度未超过200m时,也可取在电缆首端;

2)当电缆线路较长且有中间接头时,宜取在电缆线路第一个接头处。

3. 宜按三相短路和单相接地短路分别计算,并取其最大值。

4. 当1kV及以下供电回路装有限流作用的保护电器时,该回路宜按限流后的最大短路电流值进行校验。

5. 短路电流的作用时间应取保护动作时间与断路器开断时间之和。对电动机、变压器等直馈线,保护动作时间应取主保护动作时间;对其他情况,宜取后备保护动作时间。

上述规定对短路热效应计算中的两个核心要素——短路电流及其持续时间——作出了明确界定。设计人员可根据相关专业提供的资料,确定最大短路电流及短路持续时间,进而求得电缆的短路热效应值Q。根据《电力工程电缆设计标准》(GB 50217-2018)附录E,可计算电缆导体允许的最小截面,计算公式如下:




公式E.1.1-2与《电气工程师手册》(一次部分)中的公式17-4基本一致,仅在个别参数上略有差异。例如,手册中采用Jq=4.2Q的形式,其中Q为电缆芯单位体积的热容量(cal/(cm³·℃)),铝芯取0.59,铜芯取0.81;手册中的K指20℃时电缆芯的集肤效应系数。


No.3

案例计算

某新能源光伏升压站35kV侧三相短路电流为25kA,单相接地短路电流为21kA,短路保护持续时间为0.6s。进站电缆拟采用交联聚乙烯绝缘单芯铜缆,试按电缆短路热稳定要求校验所需的最小导体截面。

假设选用单芯150 mm²电缆,此时 K = 1.004。

将上述参数代入公式计算得:

C = 141.552

短路热稳定要求的最小截面为:

S = 136.8 mm²

由于150 mm² > 136.8 mm²,故假定电缆截面满足热稳定要求。

No.4

热稳定校验注意事项

1. 确定短路电流时应取可能出现的最大短路电流,通常采用电缆电源侧母线短路电流,而非负荷侧。同时需比较三相短路和单相接地短路电流值,取其中较大者进行校验。

2. 短路作用时间应为短路持续时间,需考虑保护动作时间与断路器固有分闸时间之和。

3. 热稳定校验确定的电缆截面是从安全运行角度提出的基本要求,电缆截面的最终选择尚应综合考虑载流量及电压降等要求。

4. 上述公式涉及参数较多,计算时需预先假定电缆的型号、芯数及截面。若校验结果不满足要求,应调整假定参数重新计算。

5. 当电缆实际运行电流未达到额定负荷电流时,应按相应公式对短路发生前的导体最高工作温度θₕ进行修正。

6. 电缆金属屏蔽层的有效截面也应满足热稳定要求,即在可能的短路电流作用下,其最高温度不超过外护层允许的短路最高温度。屏蔽层的热稳定校验方法与导体类似。

7. 对于旧电缆线路的改造工程,若原线路未按现行标准进行热稳定校验,改造时必须重新核算。

来源:网络

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