导体温度对低压动力电缆电阻的影响_李玲.pdf

设计技术石油化工设计PetrochemicalDesign2023，40(2)10 14导体温度对低压动力电缆电阻的影响李玲(中国石化工程建设有限公司，北京 100101)摘要:对低压动力电缆选择计算中容易忽视的要点进行了探讨、分析，指出了导体阻抗计算中直流电阻和交流电阻的关系，强调了应根据电气保护校核电缆截面;以炼化企业常用的交流聚乙烯绝缘电缆为例，给出了电缆导体最高允许温度、建议的实际工作温度;同时介绍了一种短路时导体假设计算温度的计算方式，并通过计算，给出了低压回路动力电缆短路时导体假设计算温度和电阻值的变化趋势。关键词:电缆和导体导体的直流电阻和交流电阻导体最高允许温度导体实际工作温度导体短路时假设温度的计算导体短路时的电阻值 低压回路末端短路电流doi:10 3969/j issn 1005 8168 2023 02 003在对炼化装置的低压负荷，如旋转电机或各种馈线进行配电设计中，低压电缆的选择计算十分重要。笔者持续关注炼化企业低压电缆选择计算，曾在几年前发表了一篇论文石油化工企业内低压动力电缆的选择1，对此进行了初步的分析和讨论。本文作为上篇论文的续篇和补遗，以炼化企业常用的交联聚乙烯绝缘电缆(以下简称XLPE 绝缘电缆)为例，对低压动力电缆选择计算的几个容易忽视的要点进行探讨。1导体阻抗计算应按连接回路的允许电压降选择/校核电缆截面。正确的回路电压降计算的基础是正确的导体阻抗计算。工程设计中应注意导体直流电阻和交流电阻的区别、导体实际工作温度等因素。1 1导体直流电阻计算工业与民用供配电设计手册2 第 4 版(以下简称手册)第 9 4 节给出了导体直流电阻的计算公式。=20 1+a(20)(1)R=CjL/S(2)式中:导体温度为 时的直流电阻率;106cm;20 导体温度为 20 时的直流电阻率;铜导体为 0 017 2 mm2/m;a 电阻温度系数，铜取 0 004;导体实际工作温度，;R 导体实际工作温度时的直流电阻值，;Cj 绞入系数，单股导线为 1，多股导线为 1 02;L 电缆长度，m;S 导体截面，mm2。一般电缆制造厂可以提供不同截面电缆 20时的单位长度的直流电阻值。因此，导体实际工作温度时的直流电阻值可以通过式(3)求得:R=R20 1+a(20)(3)式中:R20 导体温度 20 时的直流电阻值。1 2导体交流电阻计算手册 第 9 4 节同时给出了导体交流电阻的计算公式。Rj=KjfKljR(4)式中:Rj 导体温度为 时的交流电阻值;Kjf 集肤效应系数;当频率为 50 Hz、导体截面不超过 240 mm2时，Kjf为 1;Klj 邻近效应系数，可从图 1 曲线求取，其中 f 为频率(Hz);R100为长 100 m 的电缆在运行温度时的电阻()。经验表明:低压多芯电缆的 Klj可取 1。当导体截面不超过 240 mm2时，由于低压多芯动力电缆的集肤效应系数 Kjf和邻近效应系数收稿日期:2022 10 17。作者简介:李玲，女，1993 年毕业于上海同济大学工业电气自动化专业，学士，现任公司技术总监、高级工程师，长期从事石油化工电气设计工作。联系电话:010 84876730;E mail:liling sei com cn2023 年第 2 期(第 40 卷)李玲 导体温度对低压动力电缆电阻的影响 11 Klj均为 1，因此，在导体实际工作温度 时的导体交流电阻 Rj与导体实际工作温度时的直流电阻值R相等。实际工程设计中往往以 R直接计算，但设计人员也有遇到特殊情况的应对能力:当设计中出现大截面电缆、单芯电缆或中压系统电缆时，需充分考虑集肤效应系数 Kjf和邻近效应系数 Klj对导体交流电阻 Rj的影响。图 1实心圆导体的邻近效应系数曲线1 3导体最高允许温度和导体实际工作温度根据国家标准 GB/T 12706 12020额定电压 1 kV(Um=1 2 kV)到 35 kV(Um=40 5 kV)挤包绝缘电力电缆及附件 第 1 部分:额定电压 1 kV(Um=1 2 kV)和 3 kV(Um=3 6 kV)电缆3(下称 GB/T 12706 1)条款 4 2 和 GB 502172018电力工程电缆设计标准4(下称 GB 50217)附录 A，XLPE 绝缘电缆正常运行时导体最高允许温度为 90，短路时(最长持续 5 s)导体最高允许温度为 250。1)当电流通过导体时，导体会产生温升，从而引起导体电阻的增加、加大回路电压降。因此，有必要对导体实际工作温度做一个合理的估算，从而进行合理的线路电压降计算。例如:有些设计人员在进行回路电压降计算中，未考虑导体温升对其电阻的影响，机械地选用 20 时的直流电阻，会导致导体电阻的计算值偏小和实际压降偏大，严重时甚至无法实现导体所在系统的功能。另外，也不宜按 GB/T 12706 1 和 GB50217 标准规定的正常运行时或短路时导体最高允许温度，计算正常运行或短路时的导体电阻，因为此举极易计算出过高的导体电阻，其结果会使工程建设采用超出实际需求的更大截面的电缆，增大了投资，并对用电设备、特别是防爆用电设备的进线口造成较大的冲击。手册 9 4 节给出了工程中导体实际工作温度的估算值:1 10 kV XLPE 绝缘电力电缆导体实际工作温度 =80。2)炼化企业有许多大型工艺装置，低压用电负荷多为旋转电机和各种馈线，供电距离较长，其多数处于爆炸危险环境中。在考虑各种电缆敷设系数后，正常运行时，低压动力电缆导体的实际工作温度可能低于上述估算值。3)低压电动机在起动过程中，导体将通过电机起动电流，引起电缆导体的温升、增加导体电阻。但由于低压电动机的起动时间往往很短，起动完成后，随着电流恢复到正常工作电流，导体的温度将达到正常实际工作温度。因此，为简化回路电压降计算，在进行低压电动机全压起动时和正常运行时的回路压降计算，以及其他低压馈线回路的压降计算时，导体实际工作温度可取 =80。1 4导体电抗计算1)导体电抗一般只计入感抗值，这样的计算结果往往偏保守。1 kV XLPE 电力电缆导体的感抗值见 手册 9 4 19，或由电缆制造厂提供。2)关于导体短路时假设温度的计算、导体短路时的电阻值、低压回路末端短路电流计算。手册 第 4 6 4 节“低压网络短路电流计算”第 4 条有如下描述:“4)单位长度有效电阻的计算温度不同，在计算三相最大短路电流时，导体计算温度取为 20;在计算单相短路电流时，假设的计算温度升高，电阻值增大，其值一般为 20 时电阻的1 5 倍。”3)上述说法不全面。不仅仅是“计算单相短路电流”时，需考虑假设的导体计算温度升高、电阻值增大;事实上，任何类型的短路(单相、两相、三相等)都会造成导体假设计算温度的升高、电阻值增大，工程计算中应考虑该部分影响。设计人员需要清楚地知道断路器提供何种短路保护。炼化企业的低压负荷都远离发电机端。当断路器为三相平衡负载提供短路保护时，需要考核电缆末端的最小两相短路电流;当断路器为单相负载或 12 石 油 化 工 设 计2023 年第 2 期(第 40 卷)三相不平衡负载(带 N 线)提供短路保护时，需考核电缆末端的最小单相短路电流。需要注意的是，剩余电流保护可以提供单相对地短路保护，却无法提供单相短路保护，那些以为设置了“剩余电流保护”即无需考核单相短路保护的想法，是不正确的。1 4 1导体温度升高对其电阻值的影响下文讨论短路时假设的导体计算温度的升高对导体电阻值的影响。1)XLPE 绝缘电缆短路时导体最高允许温度为 250。有的设计人员在进行回路短路电流计算时，取 250 的导体阻抗是不合适的。这会造成:计算的导体电阻过大，短路电流太小，与实际不符，从而引致选用过粗的电缆。因此有必要对低压回路短路时的导体温升计算进行探讨。2)在计算回路短路电流时，需计及导体电阻、电抗和电源侧系统阻抗。为方便讨论，本文引入电源侧系统阻抗与导体阻抗比值系数 k。根据GB/T 15544 12013三相交流系统短路电流计算 第 1 部分:电流计算5 得出短路电流计算公式如下:I3p=(1+k)CU/(3 Z)(5)I2p=3(1+k)CU/(23Z)=(1+k)CU/(2Z)(6)I1p=(1+k)CU0)/(RP+RN)2+(XP+XN)20 5(7)式中:I3p 三相短路电流;I2p 两相短路电流;I1p 单相短路电流;k 电源侧系统阻抗与导体阻抗比值，炼化企业常用低压电源系统的阻抗，与长距离电缆的阻抗相比往往很小，因此k 值很小。实际计算中可直接将电源侧系统阻抗计入回路阻抗中;C 计算短路电流时的电压系数，根据 GB/T 15544 12013 表 1，当计算最小短路电流时，C 为 Cmin，应取 0 95;当计算最大短路电流时，C 为 Cmax，对于允许电压偏差为+10%或+6%的低压系统，应分别取 1 1 或1 05。U 系统标称线电压;U0 系统标称相电压;Z 导体实际工作温度时的导体阻抗，Z=(R2+X2)0 5，其中 X 为导体感抗;RP、RN 导体实际工作温度时相导体电阻、N 导体电阻;XP、XN 导体感抗。3)当相导体与 N 导体的材质和截面相同时，式(7)可简化为:I1p=(1+k)CU0/(RP+RN)2+(XP+XN)20 5=(1+k)CU0/(2Z)(8)笔者查阅了 IEC 规范。IEC 61200 53“Elec-trical installation guide Part 53:Selection and e-rection of electrical equipment switchgear and con-trolgear”6 第 533 3 2 3 条有如下规定:在进行最小短路计算时，如果缺少明确的信息，可采用简单估算法;可考虑假设的计算温度的升高引起的导体电阻值的增加，为 1 5 倍导体 20 时的电阻值;如果电源侧的阻抗未知，可考虑电源电压为 80%的额定电压时的短路电流值;三相无 N 线平衡负荷相间短路电流计算公式:I=0 8U/(1 520 2L/s)=0 8U/(2R)(9)注:此时计算的是两相短路电流，根据该条款，R=1 5R20三相带 N 线负荷相对 N 短路电流计算公式:I=(0 8U0)/1 520(1+m)L/s(10)式中:I 预期短路电流，A;U 相间电压，V;20 导体温度为 20 时的直流电阻率;铜导体为0 017 2mm2/m;L 被保护线路长度，m;s 导体截面，mm2;U0 系统相电压，V;m N 导体电阻和相导体电阻的比值，或者是相导体横截面和 N 导体横截面的比值;当两者同材质且截面相等时，m=1。此时，式(10)可简化为:I=(0 8U0)/(1 5202L/s)=(0 8U0)/(2R)(11)注:此时计算的是单相短路电流，根据该条款，R=1 5R20。4)比较式(6)和式(9)、或式(8)与式(11)可以发 现:两 者(中 国 国 标 与 国 际 电 工 委 员 会GB51EC)的计算公式遵循的概念一致。在计算最小短路电流时，国家标准要求电压系数为 0 95，应计入导体感抗和电源侧系统阻抗;作为简化公式，2023 年第 2 期(第 40 卷)李玲 导体温度对低压动力电缆电阻的影响 13 IEC 标准虽然未计入导体感抗，但建议考虑 20%的电压降。对于短路时假设计算温度升高引起导体电阻的增加，均按 1 5 倍 20 时的电阻值。对于短路时温升引起的导体电阻的增加，GB/T 15544 12013 第 2 5 条指出:短路结束时的导体温度，见 IEC 60865 1、IEC 60949 和 IEC60986(适用于 6 kV 及以上系统)。为更准确地研究短路时导体的温升，笔者查阅了相关规范。IEC 60949“Calculation of ther-mally permissible short circuit currents，taking intoaccount non adiabatic heating effect