李 喆

(建科公共設(shè)施運(yùn)營管理有限公司，北京 100044)

0 一般規(guī)定

短路穩(wěn)定校驗(yàn)是指短路故障發(fā)生時(shí)，電器及開關(guān)設(shè)備和導(dǎo)體在電磁力和熱效應(yīng)的作用下是否滿足對其動(dòng)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定的要求。根據(jù)《水電工程三相交流系統(tǒng)短路電流計(jì)算導(dǎo)則》NB/T 35043-2014，校驗(yàn)高壓電器、開關(guān)設(shè)備和導(dǎo)體短路穩(wěn)定所用的短路電流，應(yīng)采用系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下可能流經(jīng)被校驗(yàn)導(dǎo)體和電器的最大短路電流，該電流應(yīng)是系統(tǒng)正常運(yùn)行方式下可能發(fā)生的短路電流，不包括切換過程可能產(chǎn)生的并列運(yùn)行方式。

1 短路形式和短路點(diǎn)的選擇

(1)校驗(yàn)高壓電器和導(dǎo)體的動(dòng)穩(wěn)定、熱穩(wěn)定以及開關(guān)設(shè)備的開斷電流時(shí)，確定短路電流應(yīng)按可能發(fā)生最大短路電流的正常接線方式的三相短路計(jì)算，當(dāng)單相或兩相短路電流大于三相短路電流時(shí)，應(yīng)按照更嚴(yán)重的情況驗(yàn)算。

(2)短路電流動(dòng)穩(wěn)定、熱穩(wěn)定校驗(yàn)時(shí)短路點(diǎn)的選擇，對于不帶電抗器的回路，短路點(diǎn)應(yīng)選擇在正常接線方式下短路電流為最大的地點(diǎn)；對于帶電抗器的10(6)kV出線，校驗(yàn)?zāi)妇€與斷路器之間的引線和套管時(shí)，應(yīng)按短路點(diǎn)在電抗器前計(jì)算；校驗(yàn)其他導(dǎo)體和電器一般按短路點(diǎn)在電抗器后計(jì)算。

(3)校驗(yàn)電纜的熱穩(wěn)定時(shí)，短路點(diǎn)按下述情況確定：通過電纜回路的最大短路電流發(fā)生處，即不超過制造長度的單根電纜，短路發(fā)生在電纜的末端；有中間接頭的電纜，短路發(fā)生在每一縮減電纜截面的線段首段；電纜線段為等截面時(shí)，則短路發(fā)生在下一段電纜的首段，即第一個(gè)中間接頭處；無中間接頭的并列連接的電纜，短路發(fā)生在并列點(diǎn)后。

2 穩(wěn)定校驗(yàn)所需用的短路電流

(1)校驗(yàn)高壓電器及開關(guān)設(shè)備和導(dǎo)體的動(dòng)穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)計(jì)算短路電流峰值ip。

(2)校驗(yàn)高壓電器及開關(guān)設(shè)備和導(dǎo)體的熱穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)計(jì)算短路電流交流分量初始值I″k和短路電流Ik在0、t/2和t的數(shù)值，t為短路電流持續(xù)時(shí)間。

3 高壓電器或開關(guān)設(shè)備動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)

3.1 動(dòng)穩(wěn)定實(shí)用計(jì)算法校驗(yàn)要求

短路電流使用計(jì)算法中校驗(yàn)高壓電器及開關(guān)設(shè)備的動(dòng)穩(wěn)定，應(yīng)同時(shí)滿足下面條件。

(1)高壓電器或開關(guān)設(shè)備安裝處的短路電流峰值不應(yīng)大于給定的額定峰值耐受電流，即

ip≤Ip

(1)

式中，ip為三相短路沖擊電流(三相短路峰值電流)，kA；Ip為高壓電器或開關(guān)設(shè)備的額定峰值耐受電流(額定動(dòng)穩(wěn)定電流Idyn或額定機(jī)械短路電流IMCSr),kA，由供貨商樣本查得(表1)。

10kV高壓開關(guān)設(shè)備額定峰值耐受電流供貨商產(chǎn)品舉例 表1

高壓電器或開關(guān)設(shè)備的額定峰值耐受電流，是在規(guī)定使用和性能條件下，高壓電器或開關(guān)設(shè)備在合閘位置能夠承載的額定短時(shí)耐受電流第一個(gè)大半波的電流峰值。

(2)短路電流在高壓電器或開關(guān)設(shè)備接線端子上產(chǎn)生的作用力，不應(yīng)大于接線端子允許靜態(tài)拉力額定值，即

Fk3≤Fth或Ftv

(2)

式中，F(xiàn)k3為短路時(shí)端子上的作用力，N；Fth為設(shè)備接線端子允許的靜態(tài)水平力，N；Ftv為設(shè)備接線端子允許的靜態(tài)垂直力，N。具體數(shù)據(jù)可參見表2。

高壓交流斷路器、隔離開關(guān)和接地開關(guān)接線端子允許的機(jī)械荷載 表2

3.2 電磁力的實(shí)用計(jì)算方法

由于在短路發(fā)生時(shí)，三相短路峰值電流最大，故只需研究三相短路時(shí)的最大作用力。

(1)不考慮機(jī)械共振條件時(shí)，當(dāng)三相短路電流通過在同一平面的三相導(dǎo)體時(shí)，中間相所處情況最嚴(yán)重，其最大作用力Fk3為：

(3)

式中,Fk3為三相短路時(shí)中間相導(dǎo)體的最大作用力，N；Kx為矩形截面導(dǎo)體的形狀系數(shù)(《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(第四版)》，以下簡稱配四，圖5.5-16查得)；ip為三相短路沖擊電流(三相短路峰值電流)，kA；l為平行導(dǎo)體長度，m；D為平行導(dǎo)體中心線之間的距離，m。不同額定電流的10kV母線最大作用力Fk3簡化公式如表3所示。

不同額定電流的10kV母線最大作用力Fk3簡化公式 表3

(2)考慮機(jī)械共振條件時(shí)，為了避免短路時(shí)電動(dòng)力的工頻和2倍工頻交流分量于導(dǎo)體的自振頻率相近而引起共振的危險(xiǎn)，對重要母線應(yīng)使導(dǎo)體的自振頻率fm(對單頻振動(dòng)系統(tǒng))限制在下列共振頻率范圍之外：對單根的導(dǎo)體為35～135Hz；對多根子導(dǎo)體組成的主導(dǎo)體及帶有引下線的單根導(dǎo)體為35～155Hz。

如不在此范圍內(nèi)，則必須考慮機(jī)械共振自振頻率的影響。其最大作用力Fk3為：

(4)

式中，F(xiàn)k3為三相短路時(shí)中間相導(dǎo)體的最大作用力，N；Kx為矩形截面導(dǎo)體的形狀系數(shù)(配四圖5.5-16查得)；β為振動(dòng)系數(shù)，在單頻振動(dòng)系統(tǒng)中，β可根據(jù)導(dǎo)體的固有頻率f0(配四5.5.70式求得)由配四圖5.5-17查得；ip為三相短路沖擊電流(三相短路峰值電流)，kA；l為平行導(dǎo)體長度，m；D為平行導(dǎo)體中心線之間的距離，m。

4 硬導(dǎo)體的動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)

4.1 應(yīng)力的實(shí)用計(jì)算法校驗(yàn)要求

短路電流使用計(jì)算法中校驗(yàn)硬導(dǎo)體的動(dòng)穩(wěn)定，應(yīng)滿足下面條件。

(1)單片矩形導(dǎo)體，短路時(shí)單片硬導(dǎo)體的最大應(yīng)力不應(yīng)大于硬導(dǎo)體最大允許應(yīng)力，即

σcm≤σy

(5)

式中，σcm為短路時(shí)單片硬導(dǎo)體的最大應(yīng)力，Pa；σy為硬導(dǎo)體最大允許應(yīng)力，Pa，由導(dǎo)體的材料給出。硬導(dǎo)體最大允許應(yīng)力如表4所示。

硬導(dǎo)體最大允許應(yīng)力 表4

(2)多片矩形導(dǎo)體，短路時(shí)多片硬導(dǎo)體的總應(yīng)力不應(yīng)大于硬導(dǎo)體最大允許應(yīng)力，即

σ≤σy

(6)

σ=σx-x+σc

(7)

式中，σ為短路時(shí)多片硬導(dǎo)體的總應(yīng)力，Pa；σx-x為多片矩形導(dǎo)體的相間作用力的應(yīng)力，Pa，計(jì)算公式同單片矩形導(dǎo)體；σc為同相的多片矩形導(dǎo)體之間作用力的應(yīng)力，Pa。

4.2 應(yīng)力的實(shí)用計(jì)算方法

(1)不考慮機(jī)械共振，且當(dāng)跨數(shù)>2時(shí)，短路電流通過單片矩形硬導(dǎo)體的應(yīng)力σc為

(8)

式中，σc為導(dǎo)體的應(yīng)力，Pa；Kx為矩形截面導(dǎo)體的形狀系數(shù)(配四圖5.5-16查得)；ip為三相短路沖擊電流(三相短路峰值電流)，kA；l為平行導(dǎo)體長度，m；D為平行導(dǎo)體中心線之間的距離，m；W為導(dǎo)體截面系數(shù)，由配四表5.5-10查得，m3。不同額定電流的10kV母線應(yīng)力σc簡化公式如表5所示。

不同額定電流的10kV母線應(yīng)力σc簡化公式 表5

(2)考慮機(jī)械共振時(shí)，導(dǎo)體的應(yīng)力與導(dǎo)體的自振頻率和系統(tǒng)頻率有關(guān)，當(dāng)兩個(gè)頻率接近時(shí)，應(yīng)力將被放大。對于振動(dòng)系數(shù)β，當(dāng)導(dǎo)體的自振頻率fm能限制在35～135Hz 之外時(shí)，β≈1；當(dāng)導(dǎo)體的自振頻率無法限制在上述共振頻率范圍之外時(shí)，導(dǎo)體受力應(yīng)乘以振動(dòng)系數(shù)β。

當(dāng)跨數(shù)>2時(shí)，短路電流通過單片矩形硬導(dǎo)體的應(yīng)力σc為：

(9)

式中，σc為考慮自振頻率影響時(shí)導(dǎo)體的應(yīng)力，Pa；Kx為矩形截面導(dǎo)體的形狀系數(shù)(配四圖5.5-16查得)；ip為三相短路沖擊電流(三相短路峰值電流)，kA；β為振動(dòng)系數(shù)，在單頻振動(dòng)系統(tǒng)中，β可根據(jù)導(dǎo)體的固有頻率f0(配四5.5.70式求得)由配四圖5.5-17查得；l為平行導(dǎo)體長度，m；D為平行導(dǎo)體中心線之間的距離，m；W為導(dǎo)體截面系數(shù)，由配四表5.5-10查得，m3。

5 高壓電器、開關(guān)設(shè)備及導(dǎo)體的短時(shí)熱穩(wěn)定校驗(yàn)

5.1 熱穩(wěn)定的實(shí)用法校驗(yàn)要求

(1)高壓電器和開關(guān)設(shè)備的校驗(yàn)要求

高壓電器或開關(guān)設(shè)備能耐受短路電流流過時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱效應(yīng)而不致?lián)p壞，則認(rèn)為該高壓電器或開關(guān)設(shè)備是滿足短路電流熱穩(wěn)定的要求，校驗(yàn)時(shí)應(yīng)滿足：

(10)

式中，Qt為短路電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)，kA2·s；Ith為高壓電器及開關(guān)設(shè)備的額定短時(shí)耐受電流均方根值，kA；tth為高壓電器及開關(guān)設(shè)備的額定短時(shí)耐受時(shí)間，s。

(2)裸導(dǎo)體、硬導(dǎo)體的校驗(yàn)要求

裸導(dǎo)體、硬導(dǎo)體能耐受短路電流流過時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱效應(yīng)而不致?lián)p壞，則認(rèn)為該裸導(dǎo)體、硬導(dǎo)體是滿足短路電流熱穩(wěn)定的要求，校驗(yàn)時(shí)應(yīng)滿足：

(11)

式中，Smin為裸導(dǎo)體、硬導(dǎo)體滿足熱穩(wěn)定所需的最小截面積，mm2；Qt為短路電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)，kA2·s；C為導(dǎo)體的熱穩(wěn)定系數(shù)。不同的工作溫度、不同材料的熱穩(wěn)定系數(shù)C如表6所示。

不同的工作溫度、不同材料的熱穩(wěn)定系數(shù)C 表6

(3)電纜的校驗(yàn)要求

電纜能耐受短路電流流過時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱效應(yīng)而不致?lián)p壞，則認(rèn)為該電纜是滿足短路電流熱穩(wěn)定的要求，校驗(yàn)時(shí)應(yīng)滿足：

(12)

式中，Smin為電纜滿足熱穩(wěn)定所需的最小截面積，mm2；Qt為短路電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)，kA2·s；C為導(dǎo)體的熱穩(wěn)定系數(shù)。電纜長期允許工作溫度和短路時(shí)允許最高溫度及的熱穩(wěn)定系數(shù)C如表7所示。

電纜長期允許工作溫度和短路時(shí)允許最高溫度及的熱穩(wěn)定系數(shù)C 表7

5.2 短路電流熱效應(yīng)Qt的計(jì)算

短路電流在高壓電器及開關(guān)設(shè)備和導(dǎo)體中引起的熱效應(yīng)，即：

(13)

(14)

(15)

無汽輪發(fā)電機(jī)和水輪發(fā)電機(jī)的配電網(wǎng)絡(luò)中，電力系統(tǒng)都為遠(yuǎn)端短路，短路電流交流分量引起的熱效應(yīng)QZ可簡化，即

(16)

直流分量等效時(shí)間 表8

5.3 短路電流的持續(xù)時(shí)間

(1)校驗(yàn)高壓開關(guān)設(shè)備短路電流熱效應(yīng)時(shí)，短路電流持續(xù)時(shí)間可按式(17)計(jì)算：

t=tb+tfd=tb+tgu+thu

(17)

式中，t為短路電流持續(xù)時(shí)間，s；tb為主保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間，s；tfd為斷路器開斷時(shí)間(全分閘時(shí)間)，s；tgu為斷路器固有分閘時(shí)間，s；thu為斷路器燃弧持續(xù)時(shí)間，s；主保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間tb應(yīng)為該保護(hù)裝置的啟動(dòng)機(jī)構(gòu)、延時(shí)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間的總和。斷路器的固有分閘時(shí)間tgu，可由供貨商產(chǎn)品樣本查得。當(dāng)真空斷路器或SF6斷路器開斷額定容量時(shí)，斷路器燃弧持續(xù)時(shí)間thu可取0.01～0.02s。

當(dāng)主保護(hù)裝置為速動(dòng)時(shí)(無延時(shí)保護(hù))，短路電流持續(xù)時(shí)間t可取表9的數(shù)據(jù)。

校驗(yàn)熱穩(wěn)定的短路電流持續(xù)時(shí)間 表9

當(dāng)繼電保護(hù)有延時(shí)時(shí)，則按表中數(shù)據(jù)加上相應(yīng)的延時(shí)整定時(shí)間。

(2)校驗(yàn)導(dǎo)體的熱穩(wěn)定時(shí)，短路電流持續(xù)時(shí)間宜采用主保護(hù)動(dòng)作時(shí)間tb加相應(yīng)斷路器的開斷時(shí)間tfd之和，當(dāng)主保護(hù)有死區(qū)時(shí)應(yīng)采用對該死區(qū)起作用的后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，并采用相應(yīng)的短路電流(后備保護(hù)時(shí)間一般為幾十毫秒)。

(3)校驗(yàn)電纜的熱穩(wěn)定時(shí)，對電動(dòng)機(jī)饋線的電纜宜采用主保護(hù)動(dòng)作時(shí)間tb與斷路器開斷時(shí)間tfd之和，對其他電纜宜采用后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間與斷路器開斷時(shí)間tfd之和(后備保護(hù)時(shí)間一般為幾十毫秒)。35kV以下工作溫度90℃的硬銅母線及銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜熱穩(wěn)定允許的最小截面積如表10～11所示。

35kV以下工作溫度90℃的硬銅母線熱穩(wěn)定允許的最小截面積 表10

35kV及以下工作溫度90℃的銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜熱穩(wěn)定允許最小截面積 表11

6 結(jié)束語