TN系統(tǒng)配電線路單相短路保護(hù)的可靠性校驗(yàn)

方雅君

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院 福建福州 35001)

TN系統(tǒng)配電線路單相短路保護(hù)的可靠性校驗(yàn)

方雅君

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院 福建福州 35001)

文章論述配電線路的保護(hù)，當(dāng)短路保護(hù)電器為斷路器時(shí)，TN系統(tǒng)用斷路器自動(dòng)切斷電源作電擊防護(hù)的間接接觸保護(hù)。結(jié)合具體工程項(xiàng)目，針對(duì)不同規(guī)格的斷路器及銅芯線纜，計(jì)算出滿足低壓斷路器單相短路時(shí)保護(hù)靈敏度要求的導(dǎo)線長(zhǎng)度，列出TN系統(tǒng)回路0.4kV線路最大供電距離表，以方便設(shè)計(jì)時(shí)估算使用。

TN系統(tǒng); 單相短路(單相接地故障)整定電流; 供電距離

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1 TN系統(tǒng)用自動(dòng)切斷電源作間接接觸保護(hù)的校驗(yàn)的重要性

根據(jù)GB50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》5.2.2條：在使用I類設(shè)備、預(yù)期接觸電壓限值為50V的場(chǎng)所，當(dāng)回路或設(shè)備中發(fā)生帶電導(dǎo)體與外露可導(dǎo)電部分或保護(hù)導(dǎo)體之間的故障時(shí)，間接接觸防護(hù)電器應(yīng)能在預(yù)期接觸電壓超過50V且持續(xù)時(shí)間足以引起對(duì)人體有害的病理生理效應(yīng)前自動(dòng)切斷該回路或設(shè)備的電源。

對(duì)于TN系統(tǒng)線路間接接觸保護(hù)，規(guī)范做了以下規(guī)定：

GB50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》5.2.9條：TN系統(tǒng)中配電線路的間接接觸防護(hù)電器切斷故障回路的時(shí)間，應(yīng)符合下列規(guī)定：

(1)配電線路或僅供給固定式電氣設(shè)備用電的末端線路，不宜大于5S；

(2)供給手持式電氣設(shè)備和移動(dòng)式電氣設(shè)備用電的末端線路或插座回路，TN系統(tǒng)的最長(zhǎng)切斷時(shí)間不應(yīng)大于表1的規(guī)定。

表1 TN系統(tǒng)的最長(zhǎng)切斷時(shí)間

GB50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》6.2.4條：當(dāng)短路保護(hù)電器為斷路器時(shí)，被保護(hù)線路末端的短路電流不應(yīng)小于斷路器瞬時(shí)或短延時(shí)過電流脫扣器整定電流的1.3倍。

TN系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生接地故障(單相接地短路)時(shí)，其故障電流通過回路的PE線金屬通路返回電源，故障電流幅值較大。要求防護(hù)電器自動(dòng)且迅速的切斷電源。規(guī)范的這三點(diǎn)對(duì)防護(hù)電器(斷路器)的靈敏度和切斷時(shí)間提出了明確的要求，因如果切斷不及時(shí)，而PE線上大電流產(chǎn)生的大電壓降形成的接觸電壓Uf如(圖1)超過接觸安全電壓限值(50V)，這時(shí)人體如觸及帶電的設(shè)備外露導(dǎo)電部分，就有可能導(dǎo)致間接接觸電擊事故。如果保護(hù)電器(斷路器)不動(dòng)作，故障持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)，回路導(dǎo)體產(chǎn)生的異常高溫還將烤燃附近可燃物而引起電氣火災(zāi)。故TN系統(tǒng)內(nèi)，用自動(dòng)切斷電源作間接接觸保護(hù)非常重要。

注：現(xiàn)有的工程應(yīng)用中，大部分采用斷路器作為短路保護(hù)的保護(hù)電器，故此文僅以使用斷路器作為保護(hù)電器的情況進(jìn)行討論。

圖1 單相接地故障時(shí)，斷路器不能自動(dòng)切斷電源的電擊危險(xiǎn)

2 民用建筑電氣設(shè)計(jì)0.4kV低壓供電半徑的一般判定

在民用建筑電氣設(shè)計(jì)中，對(duì)于10/0.4kV變電所的0.4kV低壓供電范圍的確定，我們一般考慮的是業(yè)主業(yè)態(tài)功能的區(qū)域，還有就是用電電壓的質(zhì)量(即電壓損失能滿足規(guī)范要求)?！?0kV及以下變電所設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50053-2013第2.0.1條規(guī)定“變電所的所址宜靠近負(fù)荷中心”；福建省地方標(biāo)準(zhǔn)《10kV及以下電力用戶業(yè)擴(kuò)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》DB35/T1036-2013第6.3.2條明確“0.4kV低壓供電半徑不宜超過250m。經(jīng)核算能確保滿足居民用電電壓質(zhì)量時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)延長(zhǎng)低壓供電半徑。只有經(jīng)計(jì)算負(fù)荷滿載時(shí)最末端用戶的電壓降、以及負(fù)荷輕載時(shí)最近端用戶的電壓偏差均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，低壓供電半徑才可適當(dāng)延長(zhǎng)”。

因此，在現(xiàn)有民用建筑電氣設(shè)計(jì)工程案例中，0.4kV低壓供電半徑控制在250m內(nèi)，用電設(shè)備的電壓損失一般都能滿足規(guī)范要求，但是在用電設(shè)備的電壓損失滿足要求的情況下，低壓供電半徑在250m內(nèi)，線路發(fā)生接地故障時(shí)，低壓斷路器是否能自動(dòng)且迅速切斷電源而滿足規(guī)范要求？筆者以工程案例做探討，首先回顧下接地故障電流的計(jì)算。

3 線路末端接地故障電流的計(jì)算

TN系統(tǒng)，若設(shè)備A發(fā)生某相接地故障，A為I類設(shè)備，U0為相電壓(圖2)。接地故障回路的阻抗為Zphp(忽略斷路器內(nèi)阻、接觸電阻)，相線和PE線的相保電阻為Rphp，相線和PE線的相保電抗為Xphp，則接地故障電流：

其中，系統(tǒng)及變壓器(含母線)阻抗查閱《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三版P164～171頁(yè)表4-28～4-31，線路的相保阻抗《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三版P158頁(yè)表4-25。

圖2 單相接地故障電氣示意圖

4 低壓斷路器靈敏度的校驗(yàn)

根據(jù)《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ16-2008第7.6.3條第3款規(guī)定，低壓斷路器靈敏度應(yīng)按下式校驗(yàn):

(1)

式中，Klz—低壓斷路器動(dòng)作靈敏系數(shù)；

Idmin—被保護(hù)線路預(yù)期短路電流中的最小電流(A)，在TN、TT系統(tǒng)中為單相短路電流；

Izd—低壓斷路器瞬時(shí)或短延時(shí)過電流脫扣器整定電流(A)。

5 工程案例

某工程為集高級(jí)購(gòu)物中心、甲級(jí)寫字樓、酒店式公寓、寫字樓、時(shí)尚休閑娛樂中心等為一體的城市綜合體項(xiàng)目，總建筑面積為64.47萬平方米，其中地上49.01萬平方米，地下15.65萬平方米。地面最高28層，地下室三層(其中地下一層設(shè)有一個(gè)面積1.5萬平方米的超市，其余地下室部分平時(shí)均為停車和設(shè)備用房)，最高建筑物高度為99.9m。本項(xiàng)目共分三個(gè)區(qū)，A區(qū)為高級(jí)購(gòu)物中心、甲級(jí)寫字樓、時(shí)尚休閑娛樂中心等，面積約為27.17萬平方米；B區(qū)為酒店式公寓(住宅)區(qū)，面積約為22.8萬；C區(qū)為寫字樓區(qū)，面積約為14.7萬；根據(jù)業(yè)態(tài)功能分區(qū)，將變配電房盡量設(shè)置在負(fù)荷中心，共設(shè)置22個(gè)變電所。 每個(gè)變電所0.4kV低壓供電半徑控制在250m內(nèi)，經(jīng)檢驗(yàn)，每個(gè)用電設(shè)備電壓損失均滿足規(guī)范要求。本工程采用TN-S接地系統(tǒng)，設(shè)PE專用保護(hù)接地線。如上所提，校驗(yàn)線路發(fā)生接地故障時(shí)，低壓斷路器是否能自動(dòng)且迅速切斷電源而滿足規(guī)范要求呢？

5.1 校驗(yàn)K1、K2、K3

選取最末端的兩種用電設(shè)備作為最不利點(diǎn)(K1、K2、K3)進(jìn)行校驗(yàn)，其配電干線圖如圖3所示：

圖3 低壓配電干線短路電流計(jì)算電路簡(jiǎn)圖

(1)用電設(shè)備為地下三層車庫(kù)照明燈具：其防護(hù)電器選擇微型斷路器(C型)，根據(jù)GB10963.1-2005/IEC60898-1∶2002《電氣附件 家用及類似場(chǎng)所用過電流保護(hù)斷路器 第一部分：用于交流的斷路器》第5.3.5條規(guī)定，瞬時(shí)脫扣的標(biāo)準(zhǔn)范圍如表1：

表1 瞬時(shí)脫扣標(biāo)準(zhǔn)范圍

C型微型斷路器的瞬時(shí)脫扣電流取5In，適用保護(hù)配電線路以及具有較高接通電流的照明線路；

(2)用電設(shè)備為地下三層車庫(kù)排風(fēng)機(jī)：其防護(hù)電器選擇微型斷路器(D型)和電動(dòng)機(jī)保護(hù)開關(guān)(一體式)；D型微型斷路器的瞬時(shí)脫扣電流取10In，適用保護(hù)電動(dòng)機(jī)線路設(shè)備。

5.2 校驗(yàn)K1點(diǎn)

(1)根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三版P168頁(yè)表4-30查得系統(tǒng)(高壓側(cè)系統(tǒng)短路容量200MVA)及變壓器[SC(B) 9系列10(6)/0.4kV變壓器 (D,yn11)]、母線阻抗(因《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三版無SC(B)10系列變壓器的技術(shù)參數(shù)，故參照SC(B)9系列變壓器)，根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三版P158頁(yè)表4-25查得線路的相保阻抗，做如下單相接地故障電流計(jì)算詳表2：

表2 K1短路點(diǎn)單相接地故障電流計(jì)算表

(2)由上表可知K1點(diǎn)的接地故障電流Id-k1=78A

c)K1點(diǎn)斷路器QF3的瞬時(shí)脫扣電流Izd=5In=5×16=80(A)

f)結(jié)論：變電所至末端照明燈具供電距離約210m，雖然電壓損失滿足規(guī)范要求，但是線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，低壓斷路器不能自動(dòng)且迅速切斷故障電源，不滿足規(guī)范要求。

5.3 校驗(yàn)K2及K3點(diǎn)

(1)根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三版P168頁(yè)表4-30查得系統(tǒng)(高壓側(cè)系統(tǒng)短路容量200MVA)及變壓器[SC(B) 9系列10(6)/0.4kV變壓器低壓側(cè)短路電流值(D,yn11)]、母線阻抗，(因《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三版無SC(B)10系列變壓器的技術(shù)參數(shù)，故參照SC(B)9系列變壓器)，根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三版P158頁(yè)表4-25查得線路的相保阻抗，做如下單相接地故障電流計(jì)算詳表3：

表3 K2短路點(diǎn)單相接地故障電流計(jì)算表

(2)由上表可知K2點(diǎn)的接地故障電流Id-k2=184A;K3點(diǎn)的接地故障電流Id-k3=173A。

(3)K2點(diǎn)斷路器QF6的瞬時(shí)脫扣電流Izd2=10In=10×20=200(A);K3點(diǎn)電動(dòng)機(jī)保護(hù)開關(guān)QF7的瞬時(shí)脫扣電流Izd3=12In=12×6=72(A)

(5)結(jié)論：變電所至末端排風(fēng)機(jī)供電距離約180m，電能質(zhì)量滿足規(guī)范要求，但是線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，電動(dòng)機(jī)保護(hù)開關(guān)(一體式)QF7能滿足規(guī)范要求，低壓斷路器QF6不能自動(dòng)且迅速切斷故障電源，不滿足規(guī)范要求。

6 總結(jié)

由以上工程案例可見，在供電半徑、用電電能質(zhì)量滿足規(guī)范的前提下，發(fā)生接地故障時(shí)，低壓斷路器極有可能無法自動(dòng)且迅速切斷電源，故進(jìn)行低壓斷路器的靈敏度校驗(yàn)很有必要。

(2)

根據(jù)式(1)和式(2)得TN系統(tǒng)回路供電距離：

在不考慮導(dǎo)線動(dòng)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定的情況下，推算出不同規(guī)格的斷路器及銅芯線纜，變電所電源點(diǎn)至末端用電設(shè)備的允許最大供電距離，一般前級(jí)的線路電阻比最后一級(jí)的線路電阻小很多，故在方案階段，最后一級(jí)配電間至末端用電設(shè)備的供電距離可參照表4。

在施工圖設(shè)計(jì)中，結(jié)合以上的公式，筆者設(shè)計(jì)一個(gè)EXCEL表格，輸入系統(tǒng)及變壓器(含母線)阻抗(查閱《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三版P164～171頁(yè)表4-28～4-31)、線路的相保阻抗(《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三版P158頁(yè)表4-25)、供電距離、回路開關(guān)的整定電流，選擇瞬時(shí)脫扣與整定電流的倍數(shù)(表中灰色格子部分)，可自動(dòng)檢驗(yàn)每一級(jí)低壓斷路器的靈敏度，詳見表3和表4。

表4 斷路器切除單相接地故障導(dǎo)線最大距離(Sp=S)

表4(續(xù))：斷路器切除單相接地故障導(dǎo)線最大距離(Sp=S/2)

注：Sp為PE線的截面積，S為相導(dǎo)體的截面積

表5 單相接地故障電流計(jì)算表

表6 斷路器靈敏度校驗(yàn)

[1]GB50054-2011,低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB50053-2013, 20kV及以下變電所設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]JGJ16-2008,民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院等.工業(yè)和民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)(第三版).中國(guó)電力出版社，2005(10).

[5]GB10963.1-2005/IEC60898-1：2002,電氣附件 家用及類似場(chǎng)所用過電流保護(hù)斷路器 第1部分：用于交流的斷路器[S].

方雅君(1982.4- ),女，本科，高級(jí)工程師，注冊(cè)電氣工程師(供配電)，主要從事建筑電氣與智能化、夜景照明等方面的工作。

Reliability verification of single phase short circuit protection in TN system

FANGYajun

(Fujian Institute of architectural design，F(xiàn)uzhou 350001)

This paper discusses the protection of power distribution lines. When the short circuit protection equipment is a circuit breaker, the TN system is used for the protection of the electric shock protection. Combined with the specific engineering project, the wire length is calculated according to the different specifications of the circuit breaker and the copper core cable, and the maximum power supply distance of the TN line 0.4kV line is listed.

TN system;Single phase short circuit (Single phase grounding fault) the whole set current;Supply distance

方雅君(1982.4- ),女，高級(jí)工程師。

2015-11-04

TU855

A

1004-6135(2015)12-0097-06