直流短路接地線的載流討論

劉智鵬

摘要 ：目前國家和相關行業還未制定出相關技術標準，用于規范直流系統及其電氣設備的短路接地線；為了給直流接地線的選擇提供指導性參考，本文基于有限元方法研究了短路接地線的載流特性。由仿真結果可知，35 mm2至70 mm2規格的接地線其載流能力與截面積近線性相關。

關鍵詞 ：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保護措施，用于防止突然來電對現場施工人員的傷害。因此，短路接地線必須要能承受較大短路電流的沖擊，在開關動作前不能因為磁、熱作用而輕易熔斷。但目前國家和相關行業還未制定出相關技術標準，用于規范直流系統及其電氣設備的短路接地線。

接地線的是一項十分重要的參數，涉及到現場施工人員的安全以及接地線本身的便攜性。為了給現場提供指導性參考，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角度及其電磁應力等效果。

2. 接地線的磁-熱耦合原理

3. 有限元仿真結果

3.1 仿真條件

接地線載流計算的關鍵是短路電流波形和熱力學參數的定義。在懸掛接地線點附近進行短路試驗，并直接從短路試驗現場采集的電流波形是最為理想的激勵源，但是由于缺少短路電流數據，本文采用公式（1）模擬直流系統的短路電流，該電流的脈沖功率大于實際短路電流的功率。公式（3）和（6）中導體的電阻率、熱導率、比熱系數以及密度等熱力學參數采用與溫度相關的曲線，見于文獻[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境的自然熱交換。

3.2 溫度場分布仿真

由有限仿真可知，當電流密度在導體外層分布時，導體外層溫度較高；隨著電流密度分布逐漸均勻后，接地線內部溫度高于外層溫度，因為外層導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短路周期內銅接地線的溫度變化，如圖8所示。銅導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載流可達到325000 A，當短路電流小于325000A時，38.5 mm2的銅接地線可保證現場的施工安全。

3.3 導體面積與載流性能仿真

依照上述過程逐點試驗，可求得不同導體面積對應的瞬時載流大小，由仿真結果可知，短路接地線截面積35 mm2、50mm2、 60mm2、70 mm2的最大瞬時載流分別為325kA、425kA、492kA、586 kA。有限元計算方法本身具有較高的精度，但由于無接地點附近的實際短路數據，所以載流計算具有一定的試探性。如將接地點附近的實際短路數據作為激勵源，則可以準確地計算出短路接地線所需最小截面積，同時兼顧短路接地線的安全性和便攜性。

4.結論

本文計算載流密度的主要思想是將短路功率適當放大后作為激勵源，輸入到不同截面積的接地線，估算出相應接地線的瞬時載流性能。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角度及其電磁應力等效果，由仿真結果可知，35 mm2至70 mm2規格的接地線其載流能力與截面積近線性相關。