小电厂10kV电缆按热稳定校验选择截面

中图分类号：F407文献标识码：A

一、引言

随着社会工业化的发展，电力系统的重要也与日俱增。而电缆是电力系统中

的“血管”，它的安全可靠关系着整个电力工程的运行安全与稳定。同时，电缆

在电力工程的直接建材费中占比也非常高。所以选择一个科学、合理的电缆就有

关重要。

为了保证供电系统的安全、可靠、优质、经济地运行，选择导体截面时，除

满足工作电压的要求外，一般还要满足发热条件：电流通过电缆时要产生电能损

耗，使导体发热升温，严重时会损坏绝缘层甚至引起火灾。

但是当前的很多设计人员，在设计选型时，往往根据计算电流，容许压降等

技术条件选择电缆的截面，却往往忽视了电缆的动稳定和热稳定校验。所以在

35kV以下的电缆中，动稳定基本都能满足要求，而热稳定如果不进行校验，往

往就不满足要求，造成停电甚至发生火灾。所以本文着重探讨电缆的热稳定校验。

二、设计的依据

根据DL/T5222-2005《导体和电器选择设计技术规定》5.0.2规定：选用导

体的长期允许电流不得小于该回路的持续工作电流。对于断路器、隔离开关、组

合电器、封闭式组合电器、金属封闭开关设备、负荷开关、高压接触器等长期工

作制电器，在选择其额定电流时，应满足各种可能运行方式下回路持续工作电流

的要求。

根据GB50217-2007《电力工程电缆设计规范》（以下简称《电缆规范》）3.7.7

规定：对非熔断器保护回路，应按满足短路热稳定条件确定电缆导体允许最小截

面，并应按照本规范附录E的规定计算。

规范的附录中我们可以知道在固定绝缘电缆的导体允许最小截面，按下面公

式：

210×≥

C

Q

S(E.1.1-1)

)20(1

)20(1

ln

1

−+

−+

=

p

m

k

Jq

C

θα

θα

ραη

(E.1.1-2)

2

00))((

H

p

HpI

I

θθθθ

−+=(E.1.1-3)

根据公司E.1.1-1可知，电缆的最小截面跟发热量Q和热稳定系数C有关。而热稳定系

数因温度、单位体积热容量、电阻温度系数、电阻系数、校正系数等众多参数的影响，计算

复杂。所以一般项目上可以直接参考《工业与民用配电设计手册》（以下简称《配电手

册》）P212中的表5-9。从表中可知道，对应的电缆种类和材质，热稳定系数基本为定值。

所以我们着重去研究一下常用的电缆发热量Q。

电缆发热量Q值计算一般有这几种：电动机馈线和非电动机馈线；而电动机馈线又分为

机组容量为100MW以下和100MW以上的电动机馈线。本文试着去分析机组容量的100MW以下

的电动机馈线和非电动机馈线。

1对火电厂3～10kV厂用电动机馈线回路，当机组容量为100MW及以下时：

)(2

bTtIQ

+=(E.1.3-1)

2除火电厂3～10kV厂用电动机馈线外的情况：

tIQ

•=2(E.1.3-2)

（1）公式中IDD系统电源供给短路电流的周期分量起始有效值（A）；

tDD短路持续时间（s）；

TbDD系统电源非周期分量的衰减时间常数（s）。对于电抗器或Ud％小于10.5

的双绕组变压器，取Tb＝0.045，其它情况取Tb＝0.06。

三、短路持续时间的确定

从公式E.1.3-1和2我们可知，Q主要跟短路电流和短路持续时间决定的。系统的短路

电流根据具体的系统情况来计算。那么短路持续时间如何确定了？GB50217-2007《电缆规

范》规定：短路电流作用时间，应取保护动作时间与断路器开断时间之和。对电动机等馈线，

保护动作时间应取主保护时间；其他情况，宜取后备保护时间。

t=tp+tfd=tp+tgu+thu(E.1.3-3)

tp为保护动作时间，

tfd为开路器开断时间；

tgu为开路器固有分闸时间；

thu为开路器燃弧持续时间；

保护动作时间tp应为保护装置的起动机构、延时机构和知性机构的时间总和。我们参

看各个厂家的馈线保护/电动机保护装置的误差性能参数，下表

表1

保护装置厂家速断动作(ms)延时定值(ms)

深圳中电

南京南自

长园深瑞

从各个继保厂家的性能参数可以看出，对于电动机保护的速断时间（包括了继电器动作

时间）基本都在40ms之内，即tp≤0.04s

在当前电力系统的设计选型中，断路器均采用高速断路器，我们查看几个厂家的样本资

料如下：

表2

断路器品牌固有分闸时间燃弧持续时间全开断时间

库伯耐吉VN2-1220~50ms10~15ms30~65ms

ABBVD440~60ms10~15ms50~75ms

施耐德EV12s≤45ms≤15ms≤60ms

从各个断路器厂家的性能参数可以看出，断路器的全开断时间均在80ms以内。即tfd

≤0.04s。

1)100MW电动机保护的时间参数

在计算电动机的馈线保护时，采用速断保护为主保护。若馈线有电抗器或Ud％小于10.5

的双绕组高压厂变时为T=

bTt

+=tp+tfd+

bT

≤0.04+0.08+0.045=0.165(s);若馈线无有电

抗器和Ud％小于10.5的双绕组高压厂变时为T=

bTt

+=tp+tfd+

bT

≤

0.04+0.08+0.06=0.18(s);

2)配电变压器保护

配电变压器保护中电流速断为主保护，过电流保护为后备保护，保护的动作时限一般取

0.5~0.7s（按照《手册》，P297页，表7-3中规定），该数据为电磁型继电器。

根据DL/T584-2007《3～110kV电网继电保护装置运行整定规程》规定：国家采用高精

度时间继电器，以缩短动作时间级差。综合考虑断路器跳闸断开时间，整套保护动作返回时

间，时间继电器的动作误差等因素，在条件具备的地方，保护的配合可以采用0.3s的时间

级差，故计算用级差采用0.3s。

在变压器低压侧出口采用低压框架断路器，末级采用塑壳断路器。为了使低压侧的断路

器具有选择性，所以在设计时设置框架断路器瞬时脱扣时间为0.1s。根据《整定规范》规定，

采用0.3s的级差，则高压侧的动作保护时间可以按0.4s考虑，即t=0.4s

3)电缆截面计算

依据公式E.1.1-1和《手册》表5-9，在采用铜芯交联聚乙烯绝缘电缆时，热稳定常熟为

137。这里需要指出的是，GB20217-1994规定，交联聚乙烯绝缘电力电缆的额定负荷时的最

高温度为80℃，而到了GB20217-2007，规范更定为交联聚乙烯绝缘电力电缆的额定负荷时

的最高温度为90℃。

表3

短路电流40kA31.5kA25kA

电动机回路

（0.165/0.18s）

118.6/123.9mm293.4/97.5mm274.1/77.4mm2

配电变压器回路（0.4s）184.7mm2145.4mm2115.4mm2

四、结论建议

假设在某一级的电动机配电处短路电流为31.5kA,电机的额定功率为285kW，额定电压

为10kV，额定电流为21.4A。如果仅仅以电流的额定电流计算，则几平方的电缆就能满足，

但是这样选择肯定是不能满足热稳定的要求的。根据表3的热稳定计算结果我们可知，此处

必须应选择120mm2的交联聚乙烯绝缘电力电缆。

同样我们也可以选择变压器馈线的最小截面。

表四

40kA31.5kA25kA

电动机回路150mm295/120mm295mm2

（0.165/0.18s）

配电变压器回路（0.4s）185mm2150mm2120mm2

在上述的分析中，我列出几种典型短路电流的馈线最小截面。当然，在实际设计选型时，

我们必须考虑线路压降、敷设系数等对电缆选择因素。

设计人员在设计选型中纪要充分考虑电缆选择的安全可靠性，不应选择电缆截面过小，

否则造成电缆发热严重破坏绝缘造成事故，同时也应避免电缆截面选择过大，造成不必要的

浪费。

参考书籍

《导体和电器选择设计技术规定》DL/T5222-2005

《电力工程电缆设计规范》GB50217-2007

《工业与民用配电设计手册》第三版

《3～110kV电网继电保护装置运行整定规程》DL/T584-2007

《PDS-740系列数字式保护测控装置使用手册》国电南京自动化股份有限公司

《工业变电站（发电厂）自动化分册》深圳市中电电力技术股份有限公司

《ISA-300变电站综合自动化系统技术使用说明书》长园深瑞继保自动化有限公司