劉智鵬

摘要 ：目前國家和相關(guān)行業(yè)還未制定出相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范直流系統(tǒng)及其電氣設(shè)備的短路接地線；為了給直流接地線的選擇提供指導(dǎo)性參考，本文基于有限元方法研究了短路接地線的載流特性。由仿真結(jié)果可知，35 mm2至70 mm2規(guī)格的接地線其載流能力與截面積近線性相關(guān)。

關(guān)鍵詞 ：直流接地線 有限元 載流性能

1. 引言

短路接地線是一種停電期間的臨時(shí)保護(hù)措施，用于防止突然來電對(duì)現(xiàn)場施工人員的傷害。因此，短路接地線必須要能承受較大短路電流的沖擊，在開關(guān)動(dòng)作前不能因?yàn)榇拧嶙饔枚p易熔斷。但目前國家和相關(guān)行業(yè)還未制定出相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范直流系統(tǒng)及其電氣設(shè)備的短路接地線。

接地線的是一項(xiàng)十分重要的參數(shù)，涉及到現(xiàn)場施工人員的安全以及接地線本身的便攜性。為了給現(xiàn)場提供指導(dǎo)性參考，本文基于有限元方法從理論上研究了短路接地線的載流特性。仿真模型將短路接地線視為單股銅電纜，忽略多股銅電纜的扭轉(zhuǎn)角度及其電磁應(yīng)力等效果。

2. 接地線的磁-熱耦合原理

3. 有限元仿真結(jié)果

3.1 仿真條件

接地線載流計(jì)算的關(guān)鍵是短路電流波形和熱力學(xué)參數(shù)的定義。在懸掛接地線點(diǎn)附近進(jìn)行短路試驗(yàn)，并直接從短路試驗(yàn)現(xiàn)場采集的電流波形是最為理想的激勵(lì)源，但是由于缺少短路電流數(shù)據(jù)，本文采用公式（1）模擬直流系統(tǒng)的短路電流，該電流的脈沖功率大于實(shí)際短路電流的功率。公式（3）和（6）中導(dǎo)體的電阻率、熱導(dǎo)率、比熱系數(shù)以及密度等熱力學(xué)參數(shù)采用與溫度相關(guān)的曲線，見于文獻(xiàn)[1]- [4]。公式（10）中h取25 W/（m2·K），Top取273.5 K，表示接地線與外界室溫環(huán)境的自然熱交換。

3.2 溫度場分布仿真

由有限仿真可知，當(dāng)電流密度在導(dǎo)體外層分布時(shí)，導(dǎo)體外層溫度較高；隨著電流密度分布逐漸均勻后，接地線內(nèi)部溫度高于外層溫度，因?yàn)橥鈱訉?dǎo)體通過表面的空氣交換熱量，該過程與上述理論分析相吻合。

通過改變短路電流的峰值仿真得出整個(gè)短路周期內(nèi)銅接地線的溫度變化，如圖8所示。銅導(dǎo)體的熔斷溫度大約為3600K，由此可知，38.5 mm2的銅接地線最大瞬時(shí)載流可達(dá)到325000 A，當(dāng)短路電流小于325000A時(shí)，38.5 mm2的銅接地線可保證現(xiàn)場的施工安全。

3.3 導(dǎo)體面積與載流性能仿真

依照上述過程逐點(diǎn)試驗(yàn)，可求得不同導(dǎo)體面積對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)載流大小，由仿真結(jié)果可知，短路接地線截面積35 mm2、50mm2、 60mm2、70 mm2的最大瞬時(shí)載流分別為325kA、425kA、492kA、586 kA。有限元計(jì)算方法本身具有較高的精度，但由于無接地點(diǎn)附近的實(shí)際短路數(shù)據(jù)，所以載流計(jì)算具有一定的試探性。如將接地點(diǎn)附近的實(shí)際短路數(shù)據(jù)作為激勵(lì)源，則可以準(zhǔn)確地計(jì)算出短路接地線所需最小截面積，同時(shí)兼顧短路接地線的安全性和便攜性。

4.結(jié)論

本文計(jì)算載流密度的主要思想是將短路功率適當(dāng)放大后作為激勵(lì)源，輸入到不同截面積的接地線，估算出相應(yīng)接地線的瞬時(shí)載流性能。仿真模型將短路接地線視為單股銅電纜，忽略多股銅電纜的扭轉(zhuǎn)角度及其電磁應(yīng)力等效果，由仿真結(jié)果可知，35 mm2至70 mm2規(guī)格的接地線其載流能力與截面積近線性相關(guān)。