鋁合金電纜短路電流的計算及與銅芯電纜的比較

王國忠

（江蘇通光強能輸電線科技有限公司，江蘇海門226100）

鋁合金電纜短路電流的計算及與銅芯電纜的比較

王國忠

（江蘇通光強能輸電線科技有限公司，江蘇海門226100）

給出了鋁合金電纜短路電流的推導和計算，計算結果與銅芯電纜的允許短路電流作了比較，從短路容量的滿足方面，指出了用鋁合金電纜替代銅芯電纜的截面要求。

鋁合金電纜；短路電流；計算；銅芯電纜；比較

0 引 言

當配電系統發生短路故障時，電纜中有巨大的短路電流流過，產生大量的熱，使電纜溫度急劇上升。如果短路電流不能迅速切斷，電纜的絕緣和護套就會很快發生熱膨脹、變形和分解，甚至冒煙、燃燒和導體熔斷，危害人們的生命財產安全，因此，電纜短路熱穩定性的正確校驗十分重要。電纜短路電流的校驗主要用于以下幾點：

（1）校驗保護電器的分斷能力，如斷路器、熔斷器的分斷能力應大于安裝電器可能出現的最大預期短路電流；

（2）確定保護電器的整定值，使其在短路電流對開關電器及線路器材造成破壞之前切斷故障電路；

（3）校驗開關電器及線路器材的動力穩定和熱穩定是否滿足規范要求。

對于常規電纜的熱穩定校驗，大多數設計人員都有豐富的經驗。然而，鋁合金電纜是一個新的產品，在產品推廣和銷售過程中，常常有設計人員咨詢到鋁合金電纜短路電流的計算及其短路電流與銅芯電纜比較的問題。本文就這方面內容加以探討。

1 鋁合金電纜短路電流的計算

鋁合金導體電纜如發生短路故障，同常規電纜一樣，通過導體的電流可達額定電流值的幾倍或幾十倍。不過短路電流作用時間很短，一般只有幾秒或更短的時間。在短路電流作用期間，如果電氣參數設計正確的話，各種保護電器能迅速動作，電纜的溫度不會超過允許的最高工作溫度。對于交聯聚乙烯（XLPE）絕緣的鋁合金電纜，短路時允許最高工作溫度為250℃；對于聚氯乙烯（PVC）絕緣的鋁合金電纜，截面≤300 mm2時，最高允許短路溫度為160℃，而截面大于300 mm2時，則為140℃。

計算鋁合金電纜的允許短路電流時，由于短路電流作用時間短，為方便起見，認為在電纜短路期間，導體損耗產生的熱流全部使導體溫度上升，向絕緣層散發的熱量可以忽略不計。同時認為，導體的熱容系數、導體交流電阻與直流電阻之比均與溫度無關。這樣，對單位長度（本文以1 m長電纜計算）的電纜有：

式中：ISC為允許短路電流（A）；R20為1 m長電纜20℃時的導體直流電阻（Ω）；α為20℃時電纜導體的電阻溫度系數（1/℃）。對于8000系列鋁合金導體，α取0.00403/℃。

將式（2）代入式（1），整理后得：

將式（3）兩邊積分。設短路開始時，導體的溫度為θ0，在t秒時間內，導體達到的溫度為θc，于是有：

設導體的截面為S，8000系列鋁合金導體的電阻率ρ取0.028264Ω·mm2/m，熱容系數q取2.5× 10-3J/℃·mm3，對1 m長電纜：

R20=0.028264/S （Ω）

K=q·S·1000=2.5S（J）

代入式（4）得，

將電纜允許的短路溫度和短路開始時的導體假設溫度代入式（5），可得單位面積鋁合金導體電纜在1 s內的允許短路電流即電流密度，見表1。

表1 鋁合金電纜短路時允許的瞬時電流密度ISC

2 銅芯電纜的短路電流密度

將前面的推導和計算用的鋁合金導體的參數更換為銅導體的參數，即20℃時導體的電阻溫度系數α、導體電阻率ρ、導體熱容系數q分別取0.00393（1/℃）、0.017241（Ω·mm2/m）、3.45×10-3（J/℃· mm3），可得單位面積銅芯導體電纜在1 s內的允許短路電流即電流密度，計算結果見表2。

表2 銅芯電纜短路時允許的瞬時電流密度ISC

3 比 較

從表1和表2可以發現，在絕緣類型相同、截面相同、短路持續時間相等的情況下，銅芯電纜的短路允許電流密度是鋁合金芯電纜的1.51倍。換言之，如果要保持與銅芯電纜相同的短路容量，鋁合金導體的截面應是銅芯導體的1.51倍。如果用XLPE絕緣的鋁合金電纜替代PVC絕緣的銅芯電纜，對于導體截面≤300 mm2的電纜，在同樣的導體短路起始溫度時，鋁合金導體的截面只要放大到1.13～1.21倍，就能滿足短路電流相同的要求；而對于導體截面＞300 mm2的電纜，PVC絕緣的銅芯電纜的允許短路電流密度比XLPE絕緣的鋁合金電纜的大1.01～1.12倍，即從短路容量方面考慮，在導體截面＞300 mm2時，可以用XLPE絕緣截面為1.01～1.12倍銅芯截面的鋁合金電纜代替銅芯PVC絕緣的電纜。

4 結 論

用在短路期間，導體損耗產生的熱流全部使導體溫度上升，向絕緣層散發的熱量可以忽略不計的方法推導得出的電纜短路電流應該是偏安全的值，因為實際短路期間，盡管短路電流作用的時間極短，熱流還是會向絕緣和護層散發，這樣，在一定的短路時間內，實際的允許短路電流應該比前面計算的允許值略大一些。本文給出了鋁合金電纜短路電流的推導和計算，計算結果與銅芯電纜的允許短路電流作了比較，從短路容量的滿足方面，指出了用鋁合金電纜替代銅芯電纜的截面要求。由計算和比較可以得出這樣的結論：絕緣類型相同、截面是銅芯導體1.51倍的鋁合金電纜，具有和銅芯電纜相近的滿足熱穩定校驗的能力；如果用XLPE絕緣的鋁合金電纜替代PVC絕緣的銅芯電纜，對于導體截面≤300 mm2的電纜，在同樣的導體短路起始溫度時，鋁合金導體的截面只要放大到1.13～1.23倍，就能滿足短路電流的要求；而對于導體截面＞300 mm2的電纜，可以用XLPE絕緣截面為1.01～1.12倍銅芯截面的鋁合金電纜代替銅芯PVC絕緣的電纜，就能滿足短路容量的要求。

［1］ GB 50217-2007 電力工程電纜設計規范［S］.

［2］ GB/T 12706-2008 額定電壓1 kV（Um=1.2 kV）到35 kV（Um=40.5 kV）擠包絕緣電力電纜及附件［S］.

Calculation of the Short-Circuit Current of an Alum inum Alloy Cable and Comparison w ith the Short-Circuit Current of a Copper Cable

WANG Guo-zhong
（Jiangsu Tongguang Qiangneng Transmission Line Technology Co.，Ltd.，Haimen 226100，China）

This paper gives the derivation and calculation of the allowing short-circuit current of an aluminum alloy cable.Comparing with that of copper conductor cable，it points out the requirement of the area of an aluminum alloy conductor in place of a certain copper conductor cable.

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TM201.3

A

1672-6901（2014）05-0017-03

2014-04-22

王國忠（1962-），男，總工程師，高級工程師.

作者地址：江蘇海門市大生路3966號［226100］.