淺談低壓配電設(shè)計(jì)中斷路器靈敏度校驗(yàn)

任飛宇

(浙江杰地建筑設(shè)計(jì)有限公司,浙江 杭州 310007)

淺談低壓配電設(shè)計(jì)中斷路器靈敏度校驗(yàn)

任飛宇

(浙江杰地建筑設(shè)計(jì)有限公司,浙江 杭州 310007)

在民用建筑低壓配電設(shè)計(jì)中,大量工程均使用斷路器作為配電回路的短路保護(hù)、過載保護(hù)、接地故障保護(hù)。設(shè)計(jì)中,一般會(huì)重視斷路器的選擇性配合,也會(huì)進(jìn)行配電線路的動(dòng)熱穩(wěn)定與電壓降校驗(yàn),但缺少對(duì)斷路器動(dòng)作的靈敏度校驗(yàn)。在此通過案例對(duì)末端長距離配電斷路器進(jìn)行動(dòng)作靈敏度校驗(yàn),進(jìn)而指出提高斷路器動(dòng)作靈敏度的解決辦法及補(bǔ)充措施。

靈敏度； 斷路器 ；單相接地故障電流 ；校驗(yàn)

1 斷路器靈敏度校驗(yàn)的必要性

通常在低壓配電設(shè)計(jì)中,很少有設(shè)計(jì)師重視斷路器靈敏度的校驗(yàn)。經(jīng)驗(yàn)告訴我們,對(duì)干線配電,一般不需要校驗(yàn)斷路器的靈敏度,一是因?yàn)榫€路總阻抗較小,發(fā)生單相短路時(shí),短路電流較大；二是因?yàn)閿嗦菲饕话悴捎盟軞嗦菲?具有短延時(shí)及瞬時(shí)兩段保護(hù)。但對(duì)于遠(yuǎn)離變電所的末端回路,如汽車庫照明、排水泵、市政工程的路燈照明等等,如果線路過長,往往短路電流較小,就有必要進(jìn)行斷路器的靈敏度校驗(yàn)。

根據(jù)《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50054—2011)》第6.2.1條： 配電線路的短路保護(hù)電器,應(yīng)在短路電流對(duì)導(dǎo)體和連接處產(chǎn)生的熱作用和機(jī)械作用造成危害之前切斷電源,同樣條文在《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范(JGJ 16—2008)》第7.6.2為強(qiáng)制性條文。由此可知,規(guī)范要求在造成危害之前能及時(shí)切斷電源,而要保證及時(shí)切斷電源,就需要校驗(yàn)短路保護(hù)電器(斷路器或熔斷器,本文主要討論斷路器)動(dòng)作的靈敏度。

為了保證低壓斷路器的瞬時(shí)或短延時(shí)過流脫扣器在系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下,在其保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生最輕微的短路故障時(shí)能可靠動(dòng)作,規(guī)范規(guī)定低壓斷路器其靈敏度應(yīng)不小于1.3[1],即

KLZ=Idmin/Izd≥1.3

(1)

式(1)中：Izd為低壓瞬時(shí)或短延時(shí)過流脫扣器的整定電流,A；Idmin為斷路器保護(hù)的線路末端在系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下的單相短路電流或兩相短路電流(A),在TN、TT系統(tǒng)中為單相短路電流；KLZ為低壓斷路器的動(dòng)作靈敏系數(shù)。

2 低壓斷路器靈敏度校驗(yàn)工程實(shí)例

2.1 工程實(shí)例

為驗(yàn)證低壓斷路器是否需要靈敏度校驗(yàn),以某工程地下室照明回路為例：某住宅小區(qū)滿鋪地下室,約5萬m2,共計(jì)12個(gè)防火分區(qū),住宅公共設(shè)施及地下室負(fù)荷由專變供電,車庫共設(shè)置兩個(gè)專變,一南一北。專變內(nèi)設(shè)置2臺(tái)SC13系列800 kVA變壓器,D,yn11連接,uk%=6,Δpk=6.6 kW,變壓器高壓側(cè)系統(tǒng)短路容量SS=∞,車庫配電系統(tǒng)接地制式為TN-C-S系統(tǒng)。南區(qū)地下室某配電間內(nèi)設(shè)置車庫普通照明總箱,為南區(qū)地下室6個(gè)防火分區(qū)車庫照明供電,假設(shè)南區(qū)某防火分區(qū)內(nèi)K1點(diǎn)短路,計(jì)算K1點(diǎn)單相短路電流,檢驗(yàn)斷路器靈敏度。配電系統(tǒng)干線見圖1。

圖1 末端回路低壓配電干線示意圖

圖1中，m為TMY-3×(100×8)+63×6.3;L1為YJV-4×50;L2為YJV-4×50;L3為YJV-5×6;L4為BV-2×2.5+PE2.5。 以上所有線路使用電纜均為銅芯。

2.2 線路最遠(yuǎn)端短路電流計(jì)算

1)系統(tǒng)阻抗

由于實(shí)際工程中SS=∞,故高壓側(cè)系統(tǒng)阻抗ZS=0;XS=0;RS=0;Rphp·s=0;Xphp·s=0;

2)變壓器的阻抗參考工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)第三版(下文簡稱配三)表4-22 SCB13(按SCB9選取參數(shù))變壓器數(shù)據(jù)為：

Rphp·T=1.65 mΩ；Xphp·T=11.89 mΩ；

3)母線段m單位長度阻抗查配三表4-24為:

4)低壓柜到車庫配電間總箱線路L1+L2單位長度阻抗查配三表4-25為:

5)車庫配電間總箱到分配電間線路L3單位長度阻抗查配三表4-25為:

6)分配電間內(nèi)配電箱到末端燈具線路L4單位長度阻抗查配三表4-25為:

由于單相接地短路電流值最小,對(duì)斷路器動(dòng)作靈敏性最為不利,故僅計(jì)算單相接地故障(L-PE)時(shí)K1點(diǎn)短路電流I″K1。

根據(jù)配三P163頁公式4-56及4-55

(2)

(3)

(4)

2.3 末端斷路器靈敏度校驗(yàn)

通常低壓末端照明回路設(shè)計(jì)中,微型斷路器選擇額定電流為16 A,瞬時(shí)脫扣均為C曲線,以某合資品牌為例,脫扣曲線見圖2。

圖2 微型斷路器脫扣曲線

可知其瞬時(shí)脫扣動(dòng)作范圍為5～10 In,根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果進(jìn)行靈敏度校驗(yàn)如下：

單相接地故障(L-PE)時(shí)

可見,當(dāng)末端配電距離為80 m,單相接地故障(L-PE)時(shí),靈敏度不滿足規(guī)范要求。

2.4 末端線路合理配電距離

要計(jì)算末端線路合理的配電距離,根據(jù)上文相關(guān)計(jì)算公式可得知：

已知越到配電末端,線徑越細(xì),其阻抗成幾何倍數(shù)增加,要滿足此公式,必須要有合理的配電距離。而不同的設(shè)計(jì)師,其不同配電方式,帶來的變化也不同。為了簡化計(jì)算,假定2.2節(jié)計(jì)算中a～d(即變壓器到車庫配電間這一配電范圍)為固定值 L1+L2=60 m。仍以圖1為例,由于照明配電總箱到各照明配電分箱距離不定(L3),而此段線路阻抗對(duì)計(jì)算末端配電距離(L4)影響較大,故需計(jì)入其阻抗。在滿足靈敏度要求情況下,末端允許最長配電距離計(jì)算見表1。

表1 L1+L2=60 m時(shí)L4計(jì)算值

注：L3—YJV-5×6;L4—BV-2×2.5+PE2.5。

如果假定L1+L2的距離為20 m,計(jì)算見表2。

表2 L1+L2=20 m時(shí)L4計(jì)算值

注：L3—YJV-5×6;L4—BV-2×2.5+PE2.5。

由表1、表2的數(shù)據(jù)可知L1+L2的長度對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大,幾乎可以忽略不計(jì)。當(dāng)末端配電箱距總配電箱越遠(yuǎn),其末端配電距離越短,而且配電箱過電流保護(hù)電器不能使用脫扣電流為16 A的斷路器,必須采用脫扣電流10 A的斷路器。

考慮到不同的配電方式,假設(shè)按防火分區(qū)配電,減少一級(jí)配電,各防火分區(qū)內(nèi)照明箱直接由變電所引來,電纜采用YJV-4×10,忽略線路m、L1、L2阻抗值,計(jì)算見表3。

表3 按防火分區(qū)配電情況下L4計(jì)算值

注：L3—YJV-4×10;L4—BV-2×2.5+PE2.5。

由計(jì)算數(shù)據(jù)可知,按防火分區(qū)配電可以大大提高末端配電距離,且越靠近變電所,則末端配電距離可以越長。

需要注意的是,以上計(jì)算所采用數(shù)據(jù)來自配三相關(guān)表格,可能存在誤差,加上斷路器采用8In,實(shí)際情況下,斷路器整定倍數(shù)一般在5～10倍,對(duì)最終數(shù)據(jù)有一定影響,但不影響最終結(jié)論。

3 提高TN系統(tǒng)接地故障保護(hù)靈敏度的辦法

對(duì)于距離變電所較遠(yuǎn)的長距離末端回路,斷路器靈敏度校驗(yàn)結(jié)果很難滿足規(guī)范要求,傳統(tǒng)解決辦法有以下三個(gè)[2]：

3.1 提高接地故障電流Id值

1)采用D,yn11組別的變壓器。在實(shí)際工程中,基本上均采用此接線組別的變壓器,已經(jīng)沒有提升空間。

2)加大相導(dǎo)體及保護(hù)接地導(dǎo)體截面。對(duì)于末端配電回路,此不失為一個(gè)很好的辦法,同時(shí)還能減少配電回路的電壓降,但是會(huì)造成有色金屬浪費(fèi)。

3)改變線路結(jié)構(gòu),如裸干線改為緊湊型封閉母線,架空線改為電纜。此措施可以降低電抗,增大單相接地故障電流值,但要增加投資。

3.2 采用帶短延時(shí)過電流脫扣器的斷路器

由于短延時(shí)過電流脫扣器整定電流值Iset2通常只有瞬時(shí)過電流脫扣器整定電流值Iset3的1/5～1/3,更容易滿足。但是在末端配電中(如照明或污水泵等小負(fù)荷動(dòng)力),由于回路容量較小,一般都是采用微型斷路器,如果改成帶短延時(shí)過電流脫扣器的塑殼斷路器,成本增大,此方法也不可取。

3.3 對(duì)單相接地故障采用帶接地故障保護(hù)的斷路器

接地故障保護(hù)分兩種方式,即零序電流保護(hù)和剩余電流保護(hù)。對(duì)零序電流保護(hù),理由同上,末端回路以微型斷路器居多,此法不可取,適用范圍較小,除非末端本來是塑殼斷路器的回路；對(duì)于采用剩余電流保護(hù),同樣適用范圍有限制,對(duì)于小區(qū)景觀照明回路,不啻為一個(gè)很好的辦法,但對(duì)于如車庫內(nèi)的照明回路,此舉會(huì)大大增加成本,也不適用。

筆者多年來參與過無數(shù)民用建筑工程設(shè)計(jì),對(duì)此深有體會(huì),對(duì)如何提高斷路器動(dòng)作靈敏度總結(jié)出以下幾點(diǎn)：

1)合理的配電設(shè)計(jì)

通過合理的配電設(shè)計(jì),完全可以避免末端線路過長的問題,比如對(duì)于大型車庫,當(dāng)末端照明線路過長而不合理時(shí),可以采用按防火分區(qū)設(shè)置照明配電箱(電源直接引自變電所),或防火分區(qū)內(nèi)增加分照明配電箱的方式,減少末端配電距離,控制在30～50 m合理范圍內(nèi),則末端接地故障電流值會(huì)大大提高。

2)對(duì)末端照明配電箱配出回路的保護(hù)電器,由16 A額定電流調(diào)整為10 A,或者選擇瞬時(shí)脫扣動(dòng)作范圍為更小的微斷(如B型脫扣曲線的微斷),這樣一來,能大大提高配電距離。而且因?yàn)槟┒苏彰骰芈菲湄?fù)荷均不大,也不會(huì)導(dǎo)致斷路器過載。

3)對(duì)特殊照明回路如小區(qū)景觀照明、建筑物外立面照明,以及室外工作場所的電氣設(shè)備等配電線路較長的回路采用帶剩余電流保護(hù)的微型斷路器。

4 靈敏度不滿足時(shí)的補(bǔ)充措施

TN系統(tǒng)利用過負(fù)荷保護(hù)和短路保護(hù)的過電流保護(hù)電器及時(shí)動(dòng)作兼做接地故障保護(hù),要求保護(hù)電器的靈敏度必須滿足規(guī)范要求,然而實(shí)際工程中,某些情況下接地故障電流值較小,即使采用提高靈敏度的措施,依然達(dá)不到規(guī)范要求,導(dǎo)致保護(hù)電器常常不能滿足自動(dòng)切斷電源的時(shí)間要求[3]。在這種情況下必須采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)器。可見,靈敏度校驗(yàn)是針對(duì)過電流保護(hù)電器的,過電流保護(hù)器(熔斷器、斷路器)兼作間接接觸防護(hù)電器最為經(jīng)濟(jì)簡單,應(yīng)優(yōu)先采用。當(dāng)過電流保護(hù)不滿足靈敏度要求時(shí),可采用提高靈敏度的相關(guān)措施,提高保護(hù)電器靈敏度。若仍然不滿足,才考慮采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)器,這是間接接觸防護(hù)(接地故障保護(hù))自動(dòng)切斷電源最為有效的措施。設(shè)計(jì)師應(yīng)該厘清保護(hù)電器靈敏度校驗(yàn)與間接接觸防護(hù)自動(dòng)切斷電源兩者之間的關(guān)系,正確使用剩余電流動(dòng)作保護(hù)器。

5 結(jié) 語

本文通過工程實(shí)例進(jìn)行校驗(yàn),發(fā)現(xiàn)配電末端長距離回路的接地故障電流值較小,通過校驗(yàn)無法滿足短路保護(hù)電器的動(dòng)作可靠性。為了避免因不能迅速切斷短路電流而導(dǎo)致的人身及財(cái)產(chǎn)損失,所以對(duì)類似此類超長配電回路均有必要做斷路器靈敏度校驗(yàn)。配電設(shè)計(jì)中,低壓電器除了選擇性,靈敏度校驗(yàn)也應(yīng)該引起設(shè)計(jì)師的重視。

[1] 中國建筑東北設(shè)計(jì)研究院. JGJ 16—2008民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[2] 中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院. 工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].3版. 北京：中國電力出版社,2005．

[3] 中機(jī)中電設(shè)計(jì)研究院有限公司. GB 50054—2011低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社,2012.

Brief Introductio to the Short Circuiter Sensitivity Check in the Low Voltage Distribution Design

RENFeiyu

2017- 01- 12

任飛宇(1979—),男,浙江杭州人,工程師,從事建筑電氣設(shè)計(jì)工作。

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1008- 3707(2017)04- 0058- 04