杜建宏（上海浦東建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 201204）

不論是從事工業(yè)電氣設(shè)計、民用電氣設(shè)計的人員，還是照明專業(yè)設(shè)計人員，工作中都離不開低壓電纜的選型。GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計規(guī)范》對低壓電纜（導體）截面的選擇提出 6 個方面的規(guī)定，但很多電氣設(shè)計師在選型時往往注重的是載流量、額定電壓、絕緣及護套材料、敷設(shè)路徑、回路電壓降乃至經(jīng)濟電流密度等方面的因素，忽視了電纜熱穩(wěn)定校驗。

在變配電系統(tǒng)設(shè)計過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)因某些變壓器低壓側(cè)饋電回路安裝容量小而選用小截面電纜的情況，如變電所配電箱、距變電所距離較近的消防小動力配電箱、應(yīng)急照明配電箱、普通照明配電箱等回路，如果按載流量選擇則電纜截面過小且電纜長度較短，可能就會出現(xiàn)電纜的熱穩(wěn)定不滿足要求。該回路發(fā)生短路時，在保護電器的瞬時短路保護還未動作之前，電纜的絕緣層在巨大的短路電流熱效應(yīng)情況下可能會被破壞，同時可能影響到附近的電氣設(shè)備或電纜，甚至引發(fā)電氣火災(zāi)。對大容量變壓器的饋線電纜截面 ＜16 mm2時，審圖人員一般會要求設(shè)計人員出具電纜熱穩(wěn)定校驗計算書，但也不宜盲目將所有饋線電纜都放大到16 mm2及以上。本文將結(jié)合工程實例就如何快速準確進行電纜的熱穩(wěn)定校驗展開探討。

1 工程概況

某體育公園項目位于廣西壯族自治區(qū)柳州市柳江新區(qū)中部綜合功能區(qū) E 組團，距柳州市區(qū) 12 km，項目規(guī)劃用地約3.27 萬 m2，總投資約 5.05 億元人民幣。建成后的體育公園將以現(xiàn)有的森林及濕地水域為基礎(chǔ)，整合開發(fā)成為融觀光、運動、休閑度假等功能為一體的新城綜合性公園，成為開放式、集約型的全民健身場所。

本工程有地面建筑物 13 座，建筑總面積為 24 726.67 m2。根據(jù)負荷計算，本工程設(shè)置 2 座 10/0.4 kV 變電所，由電網(wǎng)分別引入 2 路 10 kV 電源，在體育館一樓的變電所設(shè)置 2 臺1 000 kVA 變壓器，在 13 號樓 1 樓的變電所設(shè)置 2 臺 630 kVA變壓器。附近的建筑單體、室外道路、運動場所以及景觀照明的供電由變電所低壓母線側(cè)引出。

2 問題提出

本工程施工圖設(shè)計階段，變電所低壓母線段的饋線中部分回路由于額定脫扣電流不大（In=20 A/25 A），設(shè)計時選用了型號為 WDZA－YJY－4×6＋E 6 的無鹵低煙阻燃型交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜，在常規(guī)載流量的基礎(chǔ)上放大了一擋，未做電纜熱穩(wěn)定校驗。內(nèi)部校審時，總工根據(jù)經(jīng)驗，認為常規(guī)設(shè)計 1 000 kVA 變壓器饋線側(cè)截面一般 ≥10 mm2，最好使用16 mm2電纜，本設(shè)計使用 6 mm2截面的電纜有可能不滿足短路熱穩(wěn)定的要求。變電所低壓側(cè)系統(tǒng)如圖 1 所示，變電所平面如圖 2 所示。

圖1 變電所低壓側(cè)系統(tǒng)圖

圖2 變電所平面圖

認真核對圖紙后，選擇了長度最短的一個回路（變電所配電箱，電纜長度約 13 m），保護電器設(shè)計為 CM1-63 M型塑殼斷路器，額定脫扣電流In=25 A。按規(guī)范和圖集的相關(guān)要求進行電纜的熱穩(wěn)定校驗。

3 短路電流分析與計算

3.1 短路點的選擇

中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司編寫的《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊（第四版）》（以下簡稱《設(shè)計手冊》）提出，校驗電纜的熱穩(wěn)定時，短路點可按下述情況確定。

（1）不超過制造長度的單根電纜，短路發(fā)生在電纜的末端。

（2）中間接頭的電纜，短路發(fā)生在每一縮減電纜截面的線段首端；電纜線段為等截面時，則短路發(fā)生在下一段電纜的首端，即第一個中間接頭處。

（3）無中間接頭的并列的電纜，短路發(fā)生在并列點后。

本回路單根電纜的長度約為 13 m，未超過制造長度，符合上面第（1）條的情況，所以熱穩(wěn)定校驗的短路點應(yīng)選擇在線路電纜的末端，即電纜長度 13 m 處。

3.2 短路電流查詢與計算

工程設(shè)計中應(yīng)用的短路電流計算通常不必按《設(shè)計手冊》中的公式精確計算，圖集 19 DX 101—1《建筑電氣常用數(shù)據(jù)》（以下簡稱《常用數(shù)據(jù)》）提供了大部分工程常用數(shù)據(jù)，其中表 15.8 就提供了 YJV 電纜不同截面用于不同變壓器出線側(cè)不同距離處的短路電流參考數(shù)據(jù)。由于沒有 6 mm2電纜的數(shù)據(jù)，只好應(yīng)用《設(shè)計手冊》提供的公式 4.3-1 即式（1）來計算實際的短路電流。

工程設(shè)計階段，電網(wǎng)參數(shù)與變壓器制造參數(shù)暫時無法獲知，10 kV電網(wǎng)短路容量按無窮大考慮，變壓器阻抗根據(jù)短路阻抗估算（參考《常用數(shù)據(jù)》15-7頁）可得出：

根據(jù)電纜手冊提供的參數(shù)可以計算 13 m 銅芯 6 mm2電纜的正序阻抗：

整個回路的三相短路阻抗參數(shù)為：

由以上計算過程可知，在網(wǎng)絡(luò)參數(shù)一定的情況下，電纜線路越長，則短路阻抗越大。當電纜阻抗遠大于變壓器阻抗時，電纜長度同短路電流大致成反比關(guān)系，電纜長度增加可以有效抑制系統(tǒng)的短路電流。

4 饋線電纜熱穩(wěn)定校驗

4.1 按短路電流在電纜中產(chǎn)生的熱量來校驗

電纜的熱穩(wěn)定允許通過短路電流也可以通過《常用數(shù)據(jù)》表 15.9 查詢，但是表格中給出的短路持續(xù)時間最短是 0.1 s。本案例中計算短路電流為 5.285 kA，約為斷路器額定脫扣電流的 210 倍，遠大于斷路器的瞬時脫扣電流（5～10In），斷路器應(yīng)瞬時動作。咨詢過市場上主流的斷路器制造廠家，塑殼斷路器瞬時動作的全分斷時間（包含滅弧時間）均在 20 ms 之內(nèi)。根據(jù)《設(shè)計手冊》第 11 章在電纜的熱穩(wěn)定進行校驗時提出“對持續(xù)時間不超過 5 s 的短路，按公式 11.2-4即式（2） 校驗持續(xù)時間”。

查表得出交聯(lián)聚乙烯銅芯電纜的k值為143，計算短路電流允許持續(xù)時間。

設(shè)計選用的電纜在計算短路電流條件下允許的短路電流持續(xù)時間大于斷路器的開斷時間，滿足熱穩(wěn)定要求。

4.2 在考慮保護電器的限流作用后的熱穩(wěn)定校驗

在用斷路器作為電纜的保護電器（塑殼斷路器）時，由于斷路器的限流作用，發(fā)生短路時實際短路電流一般不會達到計算短路電流，具體限流數(shù)值可以從各斷路器制造廠家提供的限流曲線獲得。所以《設(shè)計手冊》第 11 章建議對于斷路器保護的回路，短路持續(xù)時間 ≤ 0.1 s 時，應(yīng)按公式 11.2-5 即式（3）要求校驗導體截面。

市面上主流的塑殼斷路器制造廠家都能夠提供允通能量曲線，為增加結(jié)果可信度，分析時選用了 3 個廠家提供的允通能量曲線：國際品牌 ABB 的 S 1 型斷路器，如圖 3所示；本案例設(shè)計選用的國內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先的常熟開關(guān)廠 CM 1型斷路器，如圖 4 所示；國產(chǎn)低壓電器廣泛應(yīng)用的正泰電器廠 NM 1 型斷路器，如圖 5 所示。首先計算電纜允許通過的最大能量。

圖3 ABB S 1 型斷路器允通能量曲線

圖4 CM 1 斷路器允通能量曲線

圖5 NM 1 斷路器允通能量曲線

在短路電流 6 kA 和 25 kA（0 m 處短路）時，通過圖3～圖 5 可得各型號的允通能量值為：S 1 型斷路器在 6 kA時是 240 000（A2s），25 kA 時是 500 000（A2s）；CM 1 型斷路器在 6 kA 時是 5 900（A2s），25 kA 時是 58 000（A2s）；NM 1 型斷路器在6 kA 時是 18 000（A2s），25 kA時是 190 000（A2s）。

由上可知，設(shè)計選用的交聯(lián)聚乙烯絕緣 6 mm2電纜在短路電流為 6 kA 時，選用上述 3 種中任意一種斷路器作為保護電器，都可以滿足電纜熱穩(wěn)定校驗，甚至在電纜長度為0 m 的極端情況下，也均能滿足電纜熱穩(wěn)定校驗。

4.3 校驗結(jié)果局限性

（1）從幾個不同廠家提供的允通能量曲線來看，因制造工藝差異較大，不同型號的斷路器限流特性曲線呈現(xiàn)出比較高的離散性，因此不同廠家型號斷路器的允通能量曲線不具備通用性。雖然本次校驗選用了 3 個不同層次的斷路器樣本，但仍然不能說本次熱穩(wěn)定校驗結(jié)論適用于所有斷路器。

（2）本文 4.1 中的校驗方法可供參考，但要說明的是，從嚴謹?shù)慕嵌瓤紤]，校驗結(jié)果 0.026 s 通過熱穩(wěn)定校驗的前提條件是假定斷路器全分斷時間＜0.020 s，實際上這個全分斷時間也會因制造廠家工藝不同而略有差異，《設(shè)計手冊》11.2.3.3 也指出瞬時分斷斷路器全分斷時間一般為10～30 ms。

5 結(jié) 語

本工程最終出圖時，雖然所選的饋線回路電纜熱穩(wěn)定校驗在設(shè)計選型條件下通過校驗，但考慮到本文上述分析的校驗結(jié)果的局限性，經(jīng)與總工協(xié)商后調(diào)整此回路的截面為10 mm2，以提供更廣的適用性。本工程其他饋線回路長度均＞ 20 m，未作調(diào)整。通過對本工程的電纜熱穩(wěn)定分析，得出如下結(jié)論及建議，供廣大電氣設(shè)計人員參考。

（1）電氣設(shè)計時應(yīng)依據(jù)規(guī)范中的相關(guān)要求，對低壓饋線電纜進行熱穩(wěn)定校驗，尤其是在大容量變壓器的低壓側(cè)要注意對那些電纜長度較短、截面積較小的電纜的熱穩(wěn)定校驗。

（2）在進行短路電流計算和校驗電纜的熱穩(wěn)定允許通過短路電流時，應(yīng)盡可能利用《常用數(shù)據(jù)》中的現(xiàn)有數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)不能涵蓋時，盡量運用工程簡化計算的手段來做近似計算。

（3）現(xiàn)代電氣設(shè)計中絕大多數(shù)饋線回路都是通過斷路器提供保護，應(yīng)盡可能利用斷路器的允通能量曲線來校驗饋線電纜的熱穩(wěn)定。

（4）本文提出的電纜熱穩(wěn)定快速校驗方法是基于一些接近實際情況的假定條件進行的，如果實際工程情況較假定條件有較大差別，建議慎重選用本文提到的計算和校驗方法。

（5）在滿足經(jīng)濟性及安全可靠的前提下，當大容量變壓器的低壓側(cè)饋線電纜不能滿足熱穩(wěn)定校驗時，建議優(yōu)先選擇優(yōu)化電纜敷設(shè)路徑（適當加長）以及適當選擇帶限流功能的斷路器（允通能量?。┑姆椒āＲ部蛇x擇加大電纜截面的方法，但增加截面的同時回路阻抗減少會造成短路電流的增加。從廠家提供的允通能量曲線來看，短路電流增加，斷路器允通能量也是增加的，對提升熱穩(wěn)定校驗的效果可能不夠明顯。

（6）工程設(shè)計中往往工期緊、任務(wù)量大，建議大容量（＞1 000 kVA）變壓器的低壓側(cè)饋線電纜不宜選擇截面小且長度又短的電纜。通過本文的計算，建議設(shè)計人員在長度≤ 15 m 的回路慎重選擇 6 mm2以下的電纜，否則須進行熱穩(wěn)定檢驗。