三十七、热稳定如何校验

热稳定如何校验?

热稳定校验是短路电流对导体的热作用的计算，理论上任何一点都需要考虑，对于同一条线路，始端短路电流最大，一般按始端校验，如果始端满足，那么整条线路都满足。

热稳定需要按最大短路电流考虑，计算最大短路电流需要考虑以下五个问题：

1）最大短路电流的电压系数，按可能的最大值。不能简单地按标称电压，变压器附近往往比标称电压高5%，甚至更多。

2）选择电网结构，考虑电厂与馈电网络可能的最大馈入。

3）用等值阻抗等值外部网络时，应使用最小值。

4）计及电动机的影响。

5）线路电阻采用20℃时的数值。

按上述条件计算可能的最大短路电流来校验热稳定，若满足，就能保证发生短路时线路能够被保护。

关于热稳定的相关内容，GB 50054—2011的正文及条文说明如下：

1）配电线路的短路保护电器，应在短路电流对导体和连接处产生的热作用和机械作用造成危害之前切断电源。

2）绝缘导体的热稳定，应按其截面积校验，且应符合下列规定：

①当短路持续时间小于或等于5s时，绝缘导体的截面积应符合式（18）的要求，其相导体的系数可按表46的规定确定。

②短路持续时间小于0.1s时，校验绝缘导体截面积应计入短路电流非周期分量的影响；大于5s时，校验绝缘导体截面积应计入散热的影响。

式中 S——保护导体的截面积（mm2）；

I——通过保护电器的预期故障电流或短路电流［交流方均根值（A）］；

t——保护电器自动切断电流的动作时间（s）；

k——系数，按规范中式（A.0.1）计算或按表 A.0.2~表 A.0.6确定。

相导体的初始、最终温度和系数，其值应按表46的规定确定。

▼表46 相导体的初始、最终温度和系数

▲注：括号内数值适用于截面积大于300mm2的聚氯乙烯绝缘导体。裸导体温度不损伤相邻材料时的初始、最终温度和系数，其值应按表47的规定确定。

▼表47 裸导体温度不损伤相邻材料时的初始、最终温度和系数

《工业与民用配电设计手册》中的公式及k值如下：在回路任一点短路引起的电流，使导体达到允许极限温度之前应分断电路。

1）对于持续时间不超过5s的短路，由已知的短路电流使导体从正常运行时的最高允许温度上升到极限温度的时间t可近似地用下式计算：

式中 t——持续时间（s）；S——导体截面积（mm2）；

I——预期短路电流交流方均根值（r.m.s）（A）；

k——计算系数，取决于导体材料的电阻率、温度系数和热容量以及短路时初始和最终温度，见表48。

注：当短路持续时间大于5s时，部分热量将散到空气中，校验时应计及散热的影响。根据规定，短路保护动作时间不应大于5s。

▼表48 导体的k值

▲①此值用于易被触摸的裸电缆。

注：PVC—聚氯乙烯；EPR—乙丙橡胶；XLPE—交联聚乙烯。

例如，C16配2.5mm2的线50m和10mm2的线200m，末端短路电流大约相同。但是，按式（19），导体截面大了4倍，温升时间其变化量的二次方，即16倍，2.5mm2的线如果温升时间是3s，那么，10mm2就是48s，从这个角度，对于短路对导线的伤害，大截面耐受时间更久，也就是达到允许极限温升需要更多的时间。同时超过5s会有明显的散热，此处不考虑散热，尚且需要48s，如果考虑散热计算较为复杂，定量分析较难，但通过定性分析可知温升时间肯定会明显大于这个时间。

按式（19）计算2.5mm2的线在200A短路电流时达到允许极限温升的时间（k值取较为不利的100，同时方便计算）：

t=（100×2.5/200）2s=1.5625s

t=（100×2.5/100）2s=6.25s（当短路电流为100A时，时间变

为6.25s）

短路电流分别为200A和100A，导线截面为10mm2，温升时间分别是25s和100s。注意这个时间明显大于5s时已经不是准确值了，实际值会明显大于这个值。其实100A的短路电流对于正常载流量是70A（假设直埋情况下载流量是70A）的10mm2的线来说，某种意义上其实只是相当于过负载，所以实际允许时间会明显大。按GB 50054—2011的6.3.3条规定，实际电流不超过1.45倍额定电流在约定时间内（In=63A以下是1h）是允许的。也就是说，70×1.45A=101.5A （计算的最大允许电流）＞100A（短路电流），这种情况下，1h都没有问题，满足规范，不会对导线造成伤害。

GB 50054—2011的6.3.3条规定：过负荷保护电器的动作特性，应符合式（1）和式（2）的要求。

某低压配电回路最大短路电流为50kA，保护开关瞬动关闭，短延时设定时间为0.4s，k取100，为满足热稳定，导体最小截面为多少?

最小需要选择400mm2截面的电缆。

某低压配电回路最大短路电流为20kA，保护开关瞬动关闭，短延时设定时间为0.4s，k取100，为满足热稳定，导体最小截面为多少?

最小需要选择150mm2截面的电缆。

这个计算公式本身不难，困难在于确定短路电流。这个计算与前面的选择性种类对照来看，选择性分为电流选择性、时间选择性、能量选择性和ZSI等。时间选择性的弊端就是逐级加大延时时间。根据低压常见的3~4级配电及保护，从末端到变配电室的低压柜馈线开关，基本短延时至少到0.4s，较大变压器的低压柜处短路电流往往较大，能到20~50kA甚至更大。当变压器为2000~2500kV·A级别时，低压柜馈线处短路电流可能达到40~50kA甚至更大。此时根据热稳定校验截面积会很大，馈线截面积最小为240mm2甚至更大，显然不合理。这是时间选择性的弊端。

对于持续时间大于或等于0.1s的短路按规范来校验热稳定。对于持续时间小于0.1s的短路按式（19）计算。

2）对于持续时间小于0.1s的短路，应计入短路电流非周期分量对热作用的影响，以保证保护电器在分断短路电流前，导体能承受包括非周期分量在内的短路电流的热作用。这种情况应按下式校验：

式中 k——计算系数；

S——导体截面积（mm2）；

I2t——保护电器允许通过的能量值，由产品标准或制造厂提供。

例3：某交联聚乙烯电缆用在预期短路电流25kA处，断路器瞬动最大分断时间为0.04s，产品I2t为2000000A2·s（当短路电流为25kA时的允许通过容量），为满足热稳定校验要求，此电缆最小截面

为多少?

（A）10 （B）16 （C）25 （D）35

答案：A

解析：依据式（20）K2S2≥I2T

知识点解析：此题为热稳定校验的基本应用，一般低压热稳定校验主要是在较大变压器附近，如低压柜馈线、站用电配线、低压柜最小出线问题的计算。注意短路持续时间小于0.1s的短路，I2t为一个整体，是由产品标准或制造厂提供的。如误用计算，会得出，将会选择35mm2，远大于10mm2；

S——导体截面积（mm2）；

I2t——保护电器允许通过的能量值，由产品标准或制造厂提供。

例3：某交联聚乙烯电缆用在预期短路电流25kA处，断路器瞬动最大分断时间为0.04s，产品I2t为2000000A2·s（当短路电流为25kA时的允许通过容量），为满足热稳定校验要求，此电缆最小截面为多少?

（A）10 （B）16 （C）25 （D）35

答案：A

解析：依据式（20）K2S2≥I2t

知识点解析：此题为热稳定校验的基本应用，一般低压热稳定校

验主要是在较大变压器附近，如低压柜馈线、站用电配线、低压柜最小出线问题的计算。注意短路持续时间小于0.1s的短路，I2t为一个整体，是由产品标准或制造厂提供的。如误用计算，会得出，将会选择35mm2，远大于10mm2。根据不同短路电流，实际短路时间未到0.04s，短路电流也可能未到最大的预期短路电流25kA，断路器已经分断，因此需要按式（20）计算。

规范是按最不利情况考虑的，实际中低压热稳定要不要考虑短路点的选取?高压热稳定是按中间接头还是末端，也就是考虑故障概率，同时也是考虑首端短路电流极大。要按首端考虑代价极大，且首端故障概率极小，无论如何做，安全也无法100%保证，考虑安全可靠也是要有限度，需要结合经济合理，所以，高压热稳定校验按最不利的始端考虑可能也并不合理。但低压按最不利校验，结果并不会特别大，能够较为容易地满足。

当短路电流确定后，与开关允通还有较大关系，与开关品牌也有较大关系，存在较多不确定因素，最后实际设计还是偏于保守，这可能还要归于经验值。但弄懂之后，有利于变通，提高设计质量。

瞬动到底是看尖峰还是热效应?为什么瞬动看I2t

（I2t代表了能量，是一个短暂的过程。脱扣是需要一定能量的，不仅仅是峰值达到或超过瞬动值。）

为什么不是尖峰?据某厂家技术资料，实际瞬动是按尖峰，但产品又换算为有效值了。

所以GB 50055—2011中，瞬动说的有效值，实际是尖峰转换过

来的。同样的开关应用在交流和直流系统，瞬动倍数也不同。因为峰值和有效值有的关系，所以应用在直流“显得”瞬动倍数更大，需要注意。如交流中10倍瞬动倍数，应用在直流中大约是14倍。

如GB 50055—2011的2.3.5条第三款中提到有效值，原文如下：当交流电动机正常运行、正常起动或自起动时，短路保护器件不应误动作。短路保护器件的选择应符合下列规定：

1）正确选用保护电器的使用类别。

2）熔断体的额定电流应大于电动机的额定电流，且其安秒特性曲线计及偏差后应略高于电动机起动电流-时间特性曲线。当电动机频繁起动和制动时，熔断体的额定电流应加大1级或2级。

3）瞬动过电流脱扣器或过电流继电器瞬动元件的整定电流应取电动机起动电流周期分量最大有效值的2~2.5倍。

4）当采用短延时过电流脱扣器作保护时，短延时脱扣器整定电流宜躲过起动电流周期分量最大有效值，延时不宜小于0.1s。