任飛宇

(浙江杰地建筑設計有限公司,浙江 杭州 310007)

淺談低壓配電設計中斷路器靈敏度校驗

任飛宇

(浙江杰地建筑設計有限公司,浙江 杭州 310007)

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

靈敏度； 斷路器 ；單相接地故障電流 ；校驗

1 斷路器靈敏度校驗的必要性

通常在低壓配電設計中,很少有設計師重視斷路器靈敏度的校驗。經(jīng)驗告訴我們,對干線配電,一般不需要校驗斷路器的靈敏度,一是因為線路總阻抗較小,發(fā)生單相短路時,短路電流較大；二是因為斷路器一般采用塑殼斷路器,具有短延時及瞬時兩段保護。但對于遠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,就有必要進行斷路器的靈敏度校驗。

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

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

KLZ=Idmin/Izd≥1.3

(1)

式(1)中：Izd為低壓瞬時或短延時過流脫扣器的整定電流,A；Idmin為斷路器保護的線路末端在系統(tǒng)最小運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為低壓斷路器的動作靈敏系數(shù)。

2 低壓斷路器靈敏度校驗工程實例

2.1 工程實例

為驗證低壓斷路器是否需要靈敏度校驗,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12個防火分區(qū),住宅公共設施及地下室負荷由專變供電,車庫共設置兩個專變,一南一北。專變內(nèi)設置2臺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)設置車庫普通照明總箱,為南區(qū)地下室6個防火分區(qū)車庫照明供電,假設南區(qū)某防火分區(qū)內(nèi)K1點短路,計算K1點單相短路電流,檢驗斷路器靈敏度。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 線路最遠端短路電流計算

1)系統(tǒng)阻抗

由于實際工程中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)與民用配電設計手冊第三版(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,對斷路器動作靈敏性最為不利,故僅計算單相接地故障(L-PE)時K1點短路電流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

通常低壓末端照明回路設計中,微型斷路器選擇額定電流為16 A,瞬時脫扣均為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

可知其瞬時脫扣動作范圍為5～10 In,根據(jù)以上計算結(jié)果進行靈敏度校驗如下：

單相接地故障(L-PE)時

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

2.4 末端線路合理配電距離

要計算末端線路合理的配電距離,根據(jù)上文相關計算公式可得知：

已知越到配電末端,線徑越細,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。而不同的設計師,其不同配電方式,帶來的變化也不同。為了簡化計算,假定2.2節(jié)計算中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),而此段線路阻抗對計算末端配電距離(L4)影響較大,故需計入其阻抗。在滿足靈敏度要求情況下,末端允許最長配電距離計算見表1。

表1 L1+L2=60 m時L4計算值

注：L3—YJV-5×6;L4—BV-2×2.5+PE2.5。

如果假定L1+L2的距離為20 m,計算見表2。

表2 L1+L2=20 m時L4計算值

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的長度對計算結(jié)果影響不大,幾乎可以忽略不計。當末端配電箱距總配電箱越遠,其末端配電距離越短,而且配電箱過電流保護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,假設按防火分區(qū)配電,減少一級配電,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,計算見表3。

表3 按防火分區(qū)配電情況下L4計算值

注：L3—YJV-4×10;L4—BV-2×2.5+PE2.5。

由計算數(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,以上計算所采用數(shù)據(jù)來自配三相關表格,可能存在誤差,加上斷路器采用8In,實際情況下,斷路器整定倍數(shù)一般在5～10倍,對最終數(shù)據(jù)有一定影響,但不影響最終結(jié)論。

3 提高TN系統(tǒng)接地故障保護靈敏度的辦法

對于距離變電所較遠的長距離末端回路,斷路器靈敏度校驗結(jié)果很難滿足規(guī)范要求,傳統(tǒng)解決辦法有以下三個[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)加大相導體及保護接地導體截面。對于末端配電回路,此不失為一個很好的辦法,同時還能減少配電回路的電壓降,但是會造成有色金屬浪費。

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 采用帶短延時過電流脫扣器的斷路器

由于短延時過電流脫扣器整定電流值Iset2通常只有瞬時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荷動力),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 對單相接地故障采用帶接地故障保護的斷路器

接地故障保護分兩種方式,即零序電流保護和剩余電流保護。對零序電流保護,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；對于采用剩余電流保護,同樣適用范圍有限制,對于小區(qū)景觀照明回路,不啻為一個很好的辦法,但對于如車庫內(nèi)的照明回路,此舉會大大增加成本,也不適用。

筆者多年來參與過無數(shù)民用建筑工程設計,對此深有體會,對如何提高斷路器動作靈敏度總結(jié)出以下幾點：

1)合理的配電設計

通過合理的配電設計,完全可以避免末端線路過長的問題,比如對于大型車庫,當末端照明線路過長而不合理時,可以采用按防火分區(qū)設置照明配電箱(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大大提高。

2)對末端照明配電箱配出回路的保護電器,由16 A額定電流調(diào)整為10 A,或者選擇瞬時脫扣動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。而且因為末端照明回路其負荷均不大,也不會導致斷路器過載。

3)對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備等配電線路較長的回路采用帶剩余電流保護的微型斷路器。

4 靈敏度不滿足時的補充措施

TN系統(tǒng)利用過負荷保護和短路保護的過電流保護電器及時動作兼做接地故障保護,要求保護電器的靈敏度必須滿足規(guī)范要求,然而實際工程中,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,依然達不到規(guī)范要求,導致保護電器常常不能滿足自動切斷電源的時間要求[3]。在這種情況下必須采用剩余電流動作保護器。可見,靈敏度校驗是針對過電流保護電器的,過電流保護器(熔斷器、斷路器)兼作間接接觸防護電器最為經(jīng)濟簡單,應優(yōu)先采用。當過電流保護不滿足靈敏度要求時,可采用提高靈敏度的相關措施,提高保護電器靈敏度。若仍然不滿足,才考慮采用剩余電流動作保護器,這是間接接觸防護(接地故障保護)自動切斷電源最為有效的措施。設計師應該厘清保護電器靈敏度校驗與間接接觸防護自動切斷電源兩者之間的關系,正確使用剩余電流動作保護器。

5 結(jié) 語

本文通過工程實例進行校驗,發(fā)現(xiàn)配電末端長距離回路的接地故障電流值較小,通過校驗無法滿足短路保護電器的動作可靠性。為了避免因不能迅速切斷短路電流而導致的人身及財產(chǎn)損失,所以對類似此類超長配電回路均有必要做斷路器靈敏度校驗。配電設計中,低壓電器除了選擇性,靈敏度校驗也應該引起設計師的重視。

[1] 中國建筑東北設計研究院. JGJ 16—2008民用建筑電氣設計規(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)劃設計研究院. 工業(yè)與民用配電設計手冊[M].3版. 北京：中國電力出版社,2005．

[3] 中機中電設計研究院有限公司. GB 50054—2011低壓配電設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社,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,從事建筑電氣設計工作。

TM72

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1008- 3707(2017)04- 0058- 04