電力電纜允許短路電流計算的簡單方法及與IEC 949的比較

劉 英

（西安交通大學，西安710049）

電力電纜允許短路電流計算的簡單方法及與IEC 949的比較

劉 英

（西安交通大學，西安710049）

電力電纜的允許短路電流通常依據IEC 949進行計算。針對該標準中推薦方法存在的涉及物性及中間參數多、物理概念晦澀、理解和記憶困難、應用繁瑣等問題，從電纜短路時的熱傳導模型出發，推導出一種簡單易懂、準確實用的計算方法。在計算充油/交聯聚乙烯絕緣電纜的線芯及金屬屏蔽等允許短路電流時，其結果與IEC 949的偏差不超過4%，且計算結果偏于保守，可保證電纜的實際安全運行。

電力電纜；允許短路電流；IEC 949；熱傳導模型

0 引 言

電力電纜額定載流量的計算通常依據國際電工委員會制定的IEC 60287標準進行［1］，國內外的大量研究成果可作為該標準的一個補充和完善，尤其是在利用數值方法較為精確地確定復雜敷設情況下電力電纜的熱場分布與允許負載電流方面。

當電纜線路發生故障時，線芯電流可達到額定電流值的幾倍到幾十倍，但一般故障時間很短，短路電流作用僅幾秒或更短。在短路電流作用下，電纜溫度不應超過短路允許的最高溫度。短路溫度限定值主要取決于不損傷電纜的絕緣性能，而這進一步取決于電纜類型，如聚合物絕緣電纜半導電屏蔽的粘合程度可能是決定限定值的關鍵，而對于紙絕緣電纜，則絕緣本體性能更加重要。IEC 949出版物根據各權威機構采用的限定值范圍做出規定，在短路時間不超過5 s情況下，充油、粘性浸漬紙以及交聯聚乙烯（XLPE）絕緣電纜的允許最高工作溫度分別不應超過160℃、220℃、250℃［2］。

電纜中的任何載流元件，其額定短路電流的計算最初都是采用絕熱方法，即認為在短路時間內，熱量保留在載流體內。IEC 986標準推薦的短路電流計算公式中就忽略了熱損失，其結果對大多數中低壓電纜情況適用［3］。

實際上在短路時，一些熱量會傳入相鄰的材料中去，并非是絕熱的，按最極端條件計算，其結果偏于安全。IEC 949提出按非絕熱效應計算允許短路電流的方法。熱損耗進入絕緣介質的容許量可用一個因數ε來確定，因數ε被定義為絕熱和非絕熱能量輸入的比值。這樣，在絕熱法計算結果基礎上乘以修正系數ε，即可得到非絕熱法計算的允許短路電流［4］。

雖然IEC 949標準給出了電力電纜允許短路電流的計算方法和對應于各種情況的參數取值，但由于對公式的推導過程沒有介紹，理論基礎不明晰，一些參數的概念難以理解，取值也難以記憶，因此，對于行業內的工程技術人員來說，不容易掌握和實際應用。鑒于此，本文建立了短路時電纜中徑向熱傳導的理論模型，提出了一種更容易理解和掌握的簡單計算方法。與IEC 949的計算結果相比較，證明該方法具有足夠的計算精度，可供電力電纜生產和運行部門的工程技術人員在進行允許短路電流計算時參考應用。

1 IEC 949方法簡介

該標準設定的主要計算過程如下。

（1）計算絕熱的短路電流

在任何起始溫度下，電力電纜的允許短路電流計算按下式進行：

式中：IAD為在絕熱基礎上計算的短路電流（整個短路期間的有效值）（A）；K為取決于載流體材料的常數（A·s1/2/mm2），由下式計算：

式中：σc為載流體20℃時的比熱（J/K·m3）；ρ20為載流體20℃時的電阻率（Ω·m）；β為0℃時載流體電阻溫度系數的倒數（K）；S為載流體截面積（mm2）；t為短路持續時間（s）；θi、θf分別為起始和最終溫度（℃）。

（2）計算非絕熱效應的修正系數

非絕熱因數ε的計算依據下式：

式中：ε是考慮熱損耗進入鄰接部位的因數；F是考慮導體和鄰接非金屬材料熱接觸不完善性而引入的系數；A、B是以鄰接非金屬材料熱性能為基礎的經驗常數，且有

式中：σi為鄰接非金屬材料的比熱（J/K·m3）；ρi為鄰接非金屬材料的熱阻系數（K·m/W）。

（3）獲得非絕熱允許短路電流

在前兩步基礎上，獲得考慮非絕熱效應的電力電纜允許短路電流I為：

從以上的介紹可以看出，IEC 949標準中雖然給出了詳細的計算公式，可以直接套用，但其中包含的大量中間參數物理概念不清楚，給理解和記憶都帶來困難。工程技術人員在實際應用時，需要反復查閱相關公式及參數值，過程較為繁瑣不便。

2 熱傳導模型的建立及公式推導

計算短路電流時，由于短路的時間很短，可以近似認為短路電流產生的熱量來不及向外發散，除極少部分傳遞到與載流體相鄰的非金屬材料層中，絕大部分轉化為載流體的溫升；同時認為短路電流不隨時間變化，熱容也為常數。

由持續時間為t的短路電流I在電纜載流體中產生的總熱量W為：

這里的R-是單位長度載流體在短路時間內的等效電阻，它和載流體的溫度有關。由于載流體溫度在時間t內由θi持續上升到θf，認為溫度線性增加不會引起很大誤差。根據電阻與溫度之間的線性關系，可以推得：

式中，Ri、Rf分別是單位長度載流體在初始溫度θi和最終溫度θf時的電阻。

定義常數κ，它是短路期間載流體吸收的熱量與短路電流產生的總熱量之比（因有少部分熱量被鄰接的非金屬材料吸收），有

式中，KTC、KTS分別代表單位長度的載流體及其鄰接非金屬材料的熱容。對載流導體，有

而對鄰接的非金屬材料，在時間t內熱流傳導的距離x為

式中的α為材料的熱傳導系數，可由材料的熱阻系數和熱容系數求得：

由此，得到

式中，r為鄰接非金屬材料層的內半徑。

由上分析，載流體吸收的熱量為κW，使得其溫度由θi上升到θf，故下式成立

從中即可求得允許短路電流

3 兩種方法的計算結果比較

3.1 線芯短路容量計算結果比較

（1）充油電纜

以500 kV、聚丙烯復合紙充油絕緣、1× 800 mm2截面、銅導體電纜為例，比較兩種方法的計算結果。假定短路前電纜滿負荷運行。

若短路時間為0.5 s，根據IEC 949標準推薦方法計算時，有

故有：I=1.0052×161.88=162.72 kA。

按本文提出的方法計算，有

所以有

此處用I′表示允許短路電流，是為了和IEC 949的計算結果相區別（后同）。

兩種方法計算結果的偏差為

若以短路時間為5 s計算，可得

（2）XLPE電纜

仍以相同的結構，僅將絕緣材料改為XLPE，重復計算，結果如下。

若短路時間為0.5 s，則根據IEC 949標準推薦方法計算時，有

故有：I=1.0052×161.88=162.72 kA。

而以本文提出的方法計算時，有

所以有：I′=158.53 kA

兩種方法計算結果的偏差為：γI=2.6%

若以短路時間為5 s計算，可得

3.2 金屬屏蔽短路容量計算結果比較

6.6 kV XLPE絕緣電纜，絕緣層外徑為29.7 mm，絕緣屏蔽厚度為0.15 mm。金屬屏蔽用銅帶厚度為0.1 mm，聚乙烯外護套厚度為2.5 mm。短路故障前金屬屏蔽層溫度為75℃，允許短路故障最高溫度為150℃，短路時間2 s。

根據IEC 949，金屬屏蔽層的ε由下面公式決定

M由下式計算

式中：σ2、σ3為屏蔽層四周媒質的比熱（J/K·m3）；ρ2、ρ3為屏蔽層四周媒質的熱阻（K·m/W）；σ1為屏蔽層的比熱（J/K·m3）；δ為屏蔽層厚度（mm）。

根據以上，有

所以有：I=1.531 kA。

當用本文提出的方法計算時，有

故有：I′=1.472 kA

兩種方法計算結果的偏差為：γI=3.8%。

3.3 討論

比較兩種方法所得的計算結果可知，電纜金屬屏蔽層的允許短路電流計算值偏差大于線芯，而充油電纜線芯的短路電流計算值偏差又大于XLPE電纜，其原因可能是：本文提出的熱傳導模型認為短路電流產生的熱量由載流導體向外傳輸，這與XLPE電纜線芯中通過短路電流發熱時的情況一致；而當充油電纜線芯通過短路電流時，熱量會同時向管道內的油及線芯外的油浸紙絕緣傳輸；當金屬屏蔽或護套等結構因通過短路電流發熱時，熱量也會同時向鄰接的內、外非金屬材料層傳播。從計算結果看，偏差均在可接受范圍內。

另外，充油和XLPE電纜所對應的熱傳導系數分別是0.9×10-7m2/s和1.2×10-7m2/s，為便于記憶，均以1×10-7m2/s代入計算，仍可達到工程計算的精度要求。

4 結束語

比較可知，本文所提出的方法與IEC 949計算結果的偏差不超過4%，具有足夠的精度。并且，該方法計算出的允許短路電流值偏小，即偏于保守，可保證電纜的運行安全。

相較于IEC 949標準中推薦的方法，本文提出的電力電纜允許短路電流計算方法理論模型簡單、概念清楚、涉及參數少，容易被行業內工程技術人員理解和應用。

［1］ IEC 60287：1994 Calculation of the current rating of electric cables［S］.

［2］ 劉子玉，王惠明.電力電纜結構設計原理［M］.西安：西安交通大學出版社，1995.

［3］ 馬國棟.電線電纜載流量［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［4］ IEC 949：1988 Calculation of thermally permissible short-circuit currents，taking into account non-adiabatic heating effects［S］.

A Simp le M ethod to Calculate the Perm issible Short-Circuit Currents of Power Cables and Com parison w ith IEC Standard 949

LIU Ying
（Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049，China）

The permissible short-circuit currents of power cables are calculated using the method recommended by IEC standard 949.Because of the large amountofbasic and intermediate parameters involved，and the obscure physical conception，thismethod is notonly hard to understand or remember，butalso inconvenient to apply.Based on the heat transfermodel，a simple，easy to understand，accurate and practical calculationmethod is presented.Compared with IEC 949 when calculating the permissible short-circuit currents for conductors and metal screens of oil filled and XLPE cables，it is shown that errors are lower than 4%in pessimistic side，which is in favor of cables'safe operation.

power cable；permissible short-circuit current；IEC 949；heat transfermodel

TM247

A

1672-6901（2014）05-0001-04

2013-05-10

劉 英（1976-），女，博士，講師.

作者地址：陜西西安市咸寧西路28號［710049］.