直流短路接地线的载流讨论

刘智鹏

摘要 ：目前国家和相关行业还未制定出相关技术标准，用于规范直流系统及其电气设备的短路接地线；为了给直流接地线的选择提供指导性参考，本文基于有限元方法研究了短路接地线的载流特性。由仿真结果可知，35 mm2至70 mm2规格的接地线其载流能力与截面积近线性相关。

关键词 ：直流接地线 有限元 载流性能

1. 引言

短路接地线是一种停电期间的临时保护措施，用于防止突然来电对现场施工人员的伤害。因此，短路接地线必须要能承受较大短路电流的冲击，在开关动作前不能因为磁、热作用而轻易熔断。但目前国家和相关行业还未制定出相关技术标准，用于规范直流系统及其电气设备的短路接地线。

接地线的是一项十分重要的参数，涉及到现场施工人员的安全以及接地线本身的便携性。为了给现场提供指导性参考，本文基于有限元方法从理论上研究了短路接地线的载流特性。仿真模型将短路接地线视为单股铜电缆，忽略多股铜电缆的扭转角度及其电磁应力等效果。

2. 接地线的磁-热耦合原理

3. 有限元仿真结果

3.1 仿真条件

接地线载流计算的关键是短路电流波形和热力学参数的定义。在悬挂接地线点附近进行短路试验，并直接从短路试验现场采集的电流波形是最为理想的激励源，但是由于缺少短路电流数据，本文采用公式（1）模拟直流系统的短路电流，该电流的脉冲功率大于实际短路电流的功率。公式（3）和（6）中导体的电阻率、热导率、比热系数以及密度等热力学参数采用与温度相关的曲线，见于文献[1]- [4]。公式（10）中h取25 W/（m2·K），Top取273.5 K，表示接地线与外界室温环境的自然热交换。

3.2 温度场分布仿真

由有限仿真可知，当电流密度在导体外层分布时，导体外层温度较高；随着电流密度分布逐渐均匀后，接地线内部温度高于外层温度，因为外层导体通过表面的空气交换热量，该过程与上述理論分析相吻合。

通过改变短路电流的峰值仿真得出整个短路周期内铜接地线的温度变化，如图8所示。铜导体的熔断温度大约为3600K，由此可知，38.5 mm2的铜接地线最大瞬时载流可达到325000 A，当短路电流小于325000A时，38.5 mm2的铜接地线可保证现场的施工安全。

3.3 导体面积与载流性能仿真

依照上述过程逐点试验，可求得不同导体面积对应的瞬时载流大小，由仿真结果可知，短路接地线截面积35 mm2、50mm2、 60mm2、70 mm2的最大瞬时载流分别为325kA、425kA、492kA、586 kA。有限元计算方法本身具有较高的精度，但由于无接地点附近的实际短路数据，所以载流计算具有一定的试探性。如将接地点附近的实际短路数据作为激励源，则可以准确地计算出短路接地线所需最小截面积，同时兼顾短路接地线的安全性和便携性。

4.结论

本文计算载流密度的主要思想是将短路功率适当放大后作为激励源，输入到不同截面积的接地线，估算出相应接地线的瞬时载流性能。仿真模型将短路接地线视为单股铜电缆，忽略多股铜电缆的扭转角度及其电磁应力等效果，由仿真结果可知，35 mm2至70 mm2规格的接地线其载流能力与截面积近线性相关。