1、13 低壓斷路器的限流作用及電纜的熱穩定校驗 在變壓器低壓側電氣設備的短路穩定校驗特別是電纜熱穩定校驗中常常容易忽略兩個問題, 一是斷路器具有的限流作用, 二是在計算低壓側短路電流時忽略了一些低壓元件的接觸電阻和線圈阻抗, 因此在選擇低壓側出線電纜時常常不必要地放大了電纜截面, 現在對這兩個問題分述如下; 1, 斷路器的限流作用; 目前我們在設計變壓器低壓側出線系統時, 大量采用塑殼斷路器, 國內外目前生產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生短路時的限流作用;大家知道, 電路故障發生短路, 其短路電流的大小與短路發生的時刻有關, 短路發生后有一個暫態沖擊電

2、流, 在最嚴重的情況下, 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間是在短路發生后半周波(10ms) 的時刻. 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到峰值之前(10ms之內) 斷開, 短路電流持續時間包括三部分,一是電流上升至整定電流的時間, 二是斷路器的固有動作時間. 三是斷路器開始分斷燃弧至斷弧時間. 要起到限流作用一般要求斷路器的固有動作時間縮短到3ms之內. 限流斷路器的快速動作是利用短路電流所產生的電動力作為推動斷路器觸頭快速動作的力. 斷路器固有動作時間后即觸頭斥開后(此

3、時斷路器并未完全斷開) 電弧即出現, 利用電弧電阻的迅速壇加限制短路電流的上升直至斷弧. 全部斷開時間一般在10ms左右.目前國內外生產的塑殼斷路器常說明其產品有限流能力, 但限流能力應有具體指標, 只有運用這些指標, 通過設計的實際計算, 才能在工程中具體使用, 限流性能一般可用下述兩個指標予以衡量; (1), 用分斷時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), 用分斷時的最大通過能量與予期短路電流流通時通過的能量相比較來說明短路能量被抑制到什么程度. 這兩個指標一般都用下列兩個表格曲線來表示; 表格的橫座標均表示我們在短路計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) 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. 縱座標則是對應的最大通過電流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, 則短路電流對電路和設備所產生的動力效應和熱效應都減輕. 現在一些引進生產的塑殼斷路器都用表格列出了這兩個指標, 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間, 其全分閘時間最快的達到3.5ms. 國內塑殼斷路器的生產廠家尚少見測試出這些指標,

5、但江蘇常熟開關制造有限公司通過測試, 繪制了他們生產的CM1型塑殼斷路器的限流特性曲線, 現介紹如下; 常熟開關制造有限公司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CM1-63,100,225三個限能特性曲線表格, 限流曲線表的橫座標表示的是短路電流有效值, 縱座標表示短路電流峰值, 單位均為kA, 表中斜直線表示未經限流時的特性, 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表示的是短路電流有效值(A), 縱座標表示的是限流后通過的能量(As), 表內是限能特性曲線,

6、 下面我們說明在工程中如何使用這些曲線做短路校驗; 假設有一臺變壓器低壓側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, 在橫座標上找出20kA的一點, 在限流特性表中斜直線上找出對應的點平移至縱座標, 在縱座標上的對應點就表示未加限流時的最大短路電流峰值為44kA, 而我們在限流特性曲線上找出對應20kA有效值的點平移至縱座標, 在縱座標上的對應點就表示經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電氣設備元件的動穩定之用, 這里我們重點說明如何使用限能曲線來校驗電纜的熱穩定, 計算的短路電流有效值仍為20kA, 在限

7、能曲線上找出對應的點平移至縱座標, 在縱座標上的數值約為As 這一數值就表示經過限流后通過的能量(即短路電流通過電纜時間內產生的熱效應), 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過限流后的能量, 為此我們必須求出各種型號各種規格的電纜承受能量(熱效應)的能力.根據電纜熱穩定校驗公式 對上式進行變換 上式中 S-電纜或導體線芯截面(mm) K-電纜或導體熱穩定系數, 根據國家標準 “接地裝置和保護導體” 選取.( 見下表). -電纜或導體能承受的能量(As) 因此從上式可以看出電纜或導體能承受的能量等于其截面乘以熱穩定系數的平方, 根據這一公式可計算出不同規格(截面) 不同型號(

8、熱穩定系數) 的電纜和導體能承受能量的數據, 以常用交聯聚乙烯,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, 查上表交聯聚乙烯銅芯電纜 4 mm能承受的能量為As, 此數值大于以上限流后的能量, 這就是說我們采用4mm的交聯銅芯電纜就能符合熱穩定校驗的要求.( 但根據額定電流

9、63安, 我們應選10mm電纜) 然而當我們不考慮開關的限流作用按照短路電流持續時間0.1s計算交聯聚乙烯銅芯電纜的熱穩定短路電流, 35mm為15.72kA,50mm為22.4kA(見全國民用建筑工程設計電氣技術措施54頁), 則按照 “ 電纜的熱穩定電流應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, 低壓側短路電流越大, 電纜截面就更大了. 對于電纜熱穩定校驗限流問題, 主要是針對根據計算電流選擇了較小截面的電纜, 對于根據計算電流已選擇較大截面的電纜, 常常也能滿足

10、熱穩定校驗的要求.以下列舉了一些引進的塑殼斷路器產品限流特性和限能曲線表, 根據以上說明在采用這些產品時進行短路校驗的方法是相同的 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.現計算示例如下;設變壓器型號為SCB-9, D,yn11接線, 變壓器容量ST為1000kVA(即1MVA), 阻抗電壓Uk%=6, 高壓側系統短路容量SS為200MVA, 低壓側母線為3X(125X10)+80X8, 長10m, 出線回路空氣斷路器額定電流為70A, 電流互感器為100/5, 求電纜起始點三相短路電流:應當考慮的部份阻抗如下;(1),高壓系統側阻抗ZS(歸算到0.4kV);系統電阻RS很小, 可認為RS=0, 故ZS=系統電抗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Rkj=2.35m,Xkj=1.3m(5),空氣斷路器(70A)接觸電阻, 查手冊Rkj=1.0m(6),電流互感器(100/5) 一次線圈阻抗, 查手冊RCT=1.5mXCT=12m 以上共計六項阻抗 在計算短路電流時, 若僅考慮前三項阻抗(即不考慮電流互感器和斷路器阻抗,則總阻抗短路電流為 若六項阻抗均考慮則則短路電流應為由以上計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, 按照熱穩定校驗的線纜截面也將小下來, 但應當說明的是上面計算取用的電流互感器阻抗數據是從一些設計手冊中抄來的, 這些數據比較陳舊, 且未說明其阻抗是在什么條件下的數據, 例如電流互感器的阻抗在正常運行和在短路飽和狀態下的數值是不同的, 這類數據還有待于有關制造廠進行測試提供出可靠數據, 另外本例未計算短路沖擊電流, 但可以看出, 考慮了低壓元件電阻, 沖擊電流也將減少, 若要計算沖擊電流, 則短路點近處若有大電動機, 其反饋沖擊短路電流的影響也不應忽略. 從以上兩個問題分