路器的限流作用及電纜熱穩(wěn)定校驗(yàn)

1、13 低壓斷路器的限流作用及電纜的熱穩(wěn)定校驗(yàn) 在變壓器低壓側(cè)電氣設(shè)備的短路穩(wěn)定校驗(yàn)特別是電纜熱穩(wěn)定校驗(yàn)中常常容易忽略兩個(gè)問題, 一是斷路器具有的限流作用, 二是在計(jì)算低壓側(cè)短路電流時(shí)忽略了一些低壓元件的接觸電阻和線圈阻抗, 因此在選擇低壓側(cè)出線電纜時(shí)常常不必要地放大了電纜截面, 現(xiàn)在對(duì)這兩個(gè)問題分述如下; 1, 斷路器的限流作用; 目前我們?cè)谠O(shè)計(jì)變壓器低壓側(cè)出線系統(tǒng)時(shí), 大量采用塑殼斷路器, 國(guó)內(nèi)外目前生產(chǎn)的塑殼斷路器大多是能夠快速開斷而有限流作用的.下面討論塑殼斷路器在線路發(fā)生短路時(shí)的限流作用;大家知道, 電路故障發(fā)生短路, 其短路電流的大小與短路發(fā)生的時(shí)刻有關(guān), 短路發(fā)生后有一個(gè)暫態(tài)沖擊電

2、流, 在最嚴(yán)重的情況下, 沖擊短路電流峰值將接近于短路電流周期分量和非周期分量峰值的疊加. 短路電流從零迅速上升到峰值的時(shí)間是在短路發(fā)生后半周波(10ms) 的時(shí)刻. 因此斷路器要起到限制短路電流和通過能量的作用, 必須快速斷開, 也就是說,在短路電流上升未達(dá)到峰值之前(10ms之內(nèi)) 斷開, 短路電流持續(xù)時(shí)間包括三部分,一是電流上升至整定電流的時(shí)間, 二是斷路器的固有動(dòng)作時(shí)間. 三是斷路器開始分?jǐn)嗳蓟≈翑嗷r(shí)間. 要起到限流作用一般要求斷路器的固有動(dòng)作時(shí)間縮短到3ms之內(nèi). 限流斷路器的快速動(dòng)作是利用短路電流所產(chǎn)生的電動(dòng)力作為推動(dòng)斷路器觸頭快速動(dòng)作的力. 斷路器固有動(dòng)作時(shí)間后即觸頭斥開后(此

3、時(shí)斷路器并未完全斷開) 電弧即出現(xiàn), 利用電弧電阻的迅速壇加限制短路電流的上升直至斷弧. 全部斷開時(shí)間一般在10ms左右.目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的塑殼斷路器常說明其產(chǎn)品有限流能力, 但限流能力應(yīng)有具體指標(biāo), 只有運(yùn)用這些指標(biāo), 通過設(shè)計(jì)的實(shí)際計(jì)算, 才能在工程中具體使用, 限流性能一般可用下述兩個(gè)指標(biāo)予以衡量; (1), 用分?jǐn)鄷r(shí)的最大通過電流值與予期短路電流峰值相比較來說明短路電流被抑制到什么程度.(2), 用分?jǐn)鄷r(shí)的最大通過能量與予期短路電流流通時(shí)通過的能量相比較來說明短路能量被抑制到什么程度. 這兩個(gè)指標(biāo)一般都用下列兩個(gè)表格曲線來表示; 表格的橫座標(biāo)均表示我們?cè)诙搪酚?jì)算中得出的短路電流有效值(k

4、A), 表格中的斜直線是予期(沒有限流時(shí)) 的短路電流最大峰值(左表)和半周波通過能量(右表), 表中曲線則是各型塑殼斷路器的限流特性和限能特性. 縱座標(biāo)則是對(duì)應(yīng)的最大通過電流kA(左表) 和最大通過能量A.s(右表), 如果能使最大通過電流和能量都抑制得低一些, 則短路電流對(duì)電路和設(shè)備所產(chǎn)生的動(dòng)力效應(yīng)和熱效應(yīng)都減輕. 現(xiàn)在一些引進(jìn)生產(chǎn)的塑殼斷路器都用表格列出了這兩個(gè)指標(biāo), 例如ABB公司的S型塑殼斷路器; 施奈德公司的NS型塑殼斷路器. 西門子公司的3VF型塑殼斷路器等.ABB公司還列出了斷路器的分閘時(shí)間, 其全分閘時(shí)間最快的達(dá)到3.5ms. 國(guó)內(nèi)塑殼斷路器的生產(chǎn)廠家尚少見測(cè)試出這些指標(biāo),

5、但江蘇常熟開關(guān)制造有限公司通過測(cè)試, 繪制了他們生產(chǎn)的CM1型塑殼斷路器的限流特性曲線, 現(xiàn)介紹如下; 常熟開關(guān)制造有限公司CM1型塑殼斷路器限流及限能特性曲線 常熟開關(guān)制造有限公司繪制了從CM1-63到CM1-800型塑殼斷路器的限流和限能特性曲線, 上面列出其限流特性和CM1-63,100,225三個(gè)限能特性曲線表格, 限流曲線表的橫座標(biāo)表示的是短路電流有效值, 縱座標(biāo)表示短路電流峰值, 單位均為kA, 表中斜直線表示未經(jīng)限流時(shí)的特性, 曲線為各型CM-1型斷路器的限流特性, 限能特性表中的橫座標(biāo)表示的是短路電流有效值(A), 縱座標(biāo)表示的是限流后通過的能量(As), 表內(nèi)是限能特性曲線,

6、 下面我們說明在工程中如何使用這些曲線做短路校驗(yàn); 假設(shè)有一臺(tái)變壓器低壓側(cè)出線電纜首端短路電流有效值為20kA, 我們采用了CM1-100型斷路器,額定電流63A, 在橫座標(biāo)上找出20kA的一點(diǎn), 在限流特性表中斜直線上找出對(duì)應(yīng)的點(diǎn)平移至縱座標(biāo), 在縱座標(biāo)上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)就表示未加限流時(shí)的最大短路電流峰值為44kA, 而我們?cè)谙蘖魈匦郧€上找出對(duì)應(yīng)20kA有效值的點(diǎn)平移至縱座標(biāo), 在縱座標(biāo)上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)就表示經(jīng)過限流后通過的電流峰值為19kA, 峰值電流明顯降低, 此電流值可作為校驗(yàn)電氣設(shè)備元件的動(dòng)穩(wěn)定之用, 這里我們重點(diǎn)說明如何使用限能曲線來校驗(yàn)電纜的熱穩(wěn)定, 計(jì)算的短路電流有效值仍為20kA, 在限

7、能曲線上找出對(duì)應(yīng)的點(diǎn)平移至縱座標(biāo), 在縱座標(biāo)上的數(shù)值約為As 這一數(shù)值就表示經(jīng)過限流后通過的能量(即短路電流通過電纜時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱效應(yīng)), 我們的目的是求出接在斷路器后面的電纜用多大截面能承受經(jīng)過限流后的能量, 為此我們必須求出各種型號(hào)各種規(guī)格的電纜承受能量(熱效應(yīng))的能力.根據(jù)電纜熱穩(wěn)定校驗(yàn)公式 對(duì)上式進(jìn)行變換 上式中 S-電纜或?qū)w線芯截面(mm) K-電纜或?qū)w熱穩(wěn)定系數(shù), 根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) “接地裝置和保護(hù)導(dǎo)體” 選取.( 見下表). -電纜或?qū)w能承受的能量(As) 因此從上式可以看出電纜或?qū)w能承受的能量等于其截面乘以熱穩(wěn)定系數(shù)的平方, 根據(jù)這一公式可計(jì)算出不同規(guī)格(截面) 不同型號(hào)(

8、熱穩(wěn)定系數(shù)) 的電纜和導(dǎo)體能承受能量的數(shù)據(jù), 以常用交聯(lián)聚乙烯,聚氯乙烯和普通橡膠電纜為例列出下表;電纜截面 (mm)S能量 (As)電纜種類 4 6 10 16 25 35 50 算式(SK)交聯(lián)聚乙烯銅芯電纜 (S143)聚氯乙烯銅芯電纜(S115)普通橡膠銅芯電纜(S134)交聯(lián)聚乙烯鋁芯電纜(S94)聚氯乙烯鋁芯電纜(S76)普通橡膠鋁芯電纜(S89)上例我們采用的CM1-100,63A斷路器.其限流后通過的能量為As, 查上表交聯(lián)聚乙烯銅芯電纜 4 mm能承受的能量為As, 此數(shù)值大于以上限流后的能量, 這就是說我們采用4mm的交聯(lián)銅芯電纜就能符合熱穩(wěn)定校驗(yàn)的要求.( 但根據(jù)額定電流

9、63安, 我們應(yīng)選10mm電纜) 然而當(dāng)我們不考慮開關(guān)的限流作用按照短路電流持續(xù)時(shí)間0.1s計(jì)算交聯(lián)聚乙烯銅芯電纜的熱穩(wěn)定短路電流, 35mm為15.72kA,50mm為22.4kA(見全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)電氣技術(shù)措施54頁(yè)), 則按照 “ 電纜的熱穩(wěn)定電流應(yīng)大于或等于回路的短路電流周期分量有效值(上例為20kA)” 的原則, 這樣我們就要選擇50mm的電纜才符合熱穩(wěn)定的要求, 這顯然是不必要地提高了電纜截面, 變壓器越大, 低壓側(cè)短路電流越大, 電纜截面就更大了. 對(duì)于電纜熱穩(wěn)定校驗(yàn)限流問題, 主要是針對(duì)根據(jù)計(jì)算電流選擇了較小截面的電纜, 對(duì)于根據(jù)計(jì)算電流已選擇較大截面的電纜, 常常也能滿足

10、熱穩(wěn)定校驗(yàn)的要求.以下列舉了一些引進(jìn)的塑殼斷路器產(chǎn)品限流特性和限能曲線表, 根據(jù)以上說明在采用這些產(chǎn)品時(shí)進(jìn)行短路校驗(yàn)的方法是相同的 下面是施奈德NS型塑殼斷路器限流及限能特性曲線;(380-415V) 下面是ABB公司S2X 80和S2X100型斷路器限流及限能特性曲線(400-440V) 下面是ABB公司S3X-S6X塑殼斷路器限流及限能持性曲線(400-440V) 下面是西門子公司3VF2-3VF8型斷路器限流及限能特性曲線(380-415V) 下面是海格公司H型斷路器限流及限能特性曲線(415V)2, 在低壓短路電流計(jì)算中忽略了斷路器的接觸電阻和斷路器過流線圈和電流互感器線圈的阻抗問題;

11、為了說明問題.現(xiàn)計(jì)算示例如下;設(shè)變壓器型號(hào)為SCB-9, D,yn11接線, 變壓器容量ST為1000kVA(即1MVA), 阻抗電壓Uk%=6, 高壓側(cè)系統(tǒng)短路容量SS為200MVA, 低壓側(cè)母線為3X(125X10)+80X8, 長(zhǎng)10m, 出線回路空氣斷路器額定電流為70A, 電流互感器為100/5, 求電纜起始點(diǎn)三相短路電流:應(yīng)當(dāng)考慮的部份阻抗如下;(1),高壓系統(tǒng)側(cè)阻抗ZS(歸算到0.4kV);系統(tǒng)電阻RS很小, 可認(rèn)為RS=0, 故ZS=系統(tǒng)電抗XS=0.8m . (2)變壓器阻抗ZT(歸算到0.4Kv); 變壓器有功損耗為PK=7.6kW, 故變壓器電阻RT和電抗XT為 (3),

12、母線阻抗,查手冊(cè)Rm=0.028m/m10m=0.28m,Xm=0.147m/m10m=1.47m(4),空氣斷路器(70A) 過電流線圈阻抗, 查手冊(cè)Rkj=2.35m,Xkj=1.3m(5),空氣斷路器(70A)接觸電阻, 查手冊(cè)Rkj=1.0m(6),電流互感器(100/5) 一次線圈阻抗, 查手冊(cè)RCT=1.5mXCT=12m 以上共計(jì)六項(xiàng)阻抗 在計(jì)算短路電流時(shí), 若僅考慮前三項(xiàng)阻抗(即不考慮電流互感器和斷路器阻抗,則總阻抗短路電流為 若六項(xiàng)阻抗均考慮則則短路電流應(yīng)為由以上計(jì)算可以看出若考慮斷路器及電流互感等的接觸電阻和阻抗則短路電流小得多, 按照熱穩(wěn)定校驗(yàn)的線纜截面也將小下來, 但應(yīng)當(dāng)說明的是上面計(jì)算取用的電流互感器阻抗數(shù)據(jù)是從一些設(shè)計(jì)手冊(cè)中抄來的, 這些數(shù)據(jù)比較陳舊, 且未說明其阻抗是在什么條件下的數(shù)據(jù), 例如電流互感器的阻抗在正常運(yùn)行和在短路飽和狀態(tài)下的數(shù)值是不同的, 這類數(shù)據(jù)還有待于有關(guān)制造廠進(jìn)行測(cè)試提供出可靠數(shù)據(jù), 另外本例未計(jì)算短路沖擊電流, 但可以看出, 考慮了低壓元件電阻, 沖擊電流也將減少, 若要計(jì)算沖擊電流, 則短路點(diǎn)近處若有大電動(dòng)機(jī), 其反饋沖擊短路電流的影響也不應(yīng)忽略. 從以上兩個(gè)問題分