劉毅斌， 戴芳文

（湖南省建筑設計院有限公司，長沙410012）

0 引言

隨著國家城市化進程的推進及環(huán)保要求的提高，近年國內新建、擴建了大量的城市給水、污水廠。 這些工程有一些相同特點：廠區(qū)大、單體多、負荷分布分散且不均勻、整體負荷相對不大。 因此在變配電設計和實際項目中，由于變配電房（變壓器）設置數量限制，時常出現變配電間（變壓器）部分配電回來供電半徑較大、配電電纜較長的情況，從而導致一系列的問題，如末端電壓降不滿足規(guī)范要求，部分一級配電柜內斷路器無法有效保護過長電纜等。 前者引起了大部分設計者的注意，而后者是一個很重要但又容易被忽視的問題。

1 TN 系統及防止間接接觸保護的要求

TN 系統為現有工程設計配電中廣泛采用的接地型式，分為3 類：（1）TN?S 系統，系統的中性線與保護線是分開的；（2）TN?C 系統，系統的中性線與保護線是合并的；（3）TN?C?S 系統，系統中性線在進入單體或建筑物前采用TN?C 接線方式，當進入單體（建筑物）后，PE 線和N 線分開變成局部TN?S 系統。 具體可參考圖1。

污水處理廠和水廠設計中，有很多功率較大的電機，其配電是直接由變壓器下的一級配電柜饋電的，而電機負荷多采用TN?S 系統，根據TN 系統中對于PE 線和N 線分開后不能再合并，因此在水廠和污水處理廠設計中，多直接采用TN?S 系統，系統的中性（N）線與保護（PE）線是分開的。 因此本文以TN?S 系統為前提討論相關問題。

圖1 TN 接地系統示意圖

根據GB 50054－2011《低壓配電設計規(guī)范》（以下簡稱“《低規(guī)》”）第5.2.8 條規(guī)定：TN 系統中配電線路間接接觸防護的動作特性應符合式（1）要求。

Zs× Ia≤U0（1）

式中，Ia為保證間接接觸電器在規(guī)定時間內切斷故障回路的動作電流，A；Zs為接地故障回路阻抗，Ω；U0為導體對地標稱電壓，U0＝220V。

現有工程的低壓保護器件已全面實現斷路器化，因此本文以斷路器作為保護器件討論。 《低規(guī)》第6.2.4 條規(guī)定：當短路保護電器為斷路器時，被保護線路末端的短路電流不應小于斷路器瞬時或者短延時過電流脫扣器整定電流的1.3 倍，即

1.3Izd≤Id（2）

式中，Izd為斷路器短延時電流或瞬時脫扣器整定值，A；Id為接地故障電流值，A。

2 案例分析

2.1 案例一

當配電線路較長，僅采用斷路器的過電流脫扣器作為接地保護，可能存在難以同時滿足式（1）和式（2）的要求。

下面以某項目工程實際為例：某自來水廠，廠區(qū)一配電間內設有1 臺800kVA 變壓器，該變壓器接線方式為D，yn11，uk% ＝6，相保阻抗為Rphp.T＝1.65mΩ，相保感抗為Xphp.T＝11.89mΩ，其中該變壓器下有一回路給該水廠的V 型濾池，該單體最大電機為反沖洗水泵，功率P ＝55kW，該電機正常運行電流Ie＝110A，啟動電流按Iqd＝7Ie＝770A 計，該車間主要運行設備及負荷計算見表1。

濾池主要負荷清單及負荷計算表 表1

由表1 計算，可得最大計算電流值為340A（224.69kVA／（0.38kV× 3），選用YJV－1kV－（3×185＋2×95）電纜供電，電纜長度約350m。 查表可知電纜相關參數：單位相保阻抗Rphp.L＝0.420 mΩ／m，單位相保Xphp.L＝0.179 mΩ／m。 根據《工業(yè)與民用配電設計手冊》（以下簡稱《手冊》）4.6.4 節(jié)（低壓網絡短路電流計算），TN 接地系統的低壓網絡單相接地故障電流計算式為式（3）。

式中，Rphp、Xphp、Zphp分別為短路電路的相線—保護線回路（相保，保護線包括PE 線和PEN 線）電阻、相保電抗、相保阻抗，mΩ。

低壓斷路器采用短延時脫扣器時的整定值，根據《手冊》式11.3－4 有公式（4）。

將式(17)～式(20)帶入式(16)中,再將式(16)帶入式(15)中即可得到目標的位置估計和速度估計的克拉美-羅下界。

Iset2≥krel2（IstM1＋IC（n－1）） （4）

式中，krel2為可靠系數，取1.2； IstM1為線路中最大一臺電機的啟動電流； IC（n－1）為線路中除最大一臺電機以外的計算負荷電流。

根據式（4）可知：Iset2≥1.2kA，取1.2kA，不滿足Izd＝1.015kA 的條件。

低壓斷路器采用瞬時脫扣器時的整定值，根據《手冊》式11.3－5 有公式（5）。

式中，krel3為可靠系數，取1.2；I′stM1為線路中最大一臺電機的全啟動電流，一般可取電機啟動電流IstM1的2～2.5 倍（A），這里按2 倍取。

根據式（5）可知：Iset3≥2.11kA，可取2.2kA，也不滿足Izd≤1.015kA 的條件。

2.2 案例一 問題分析及解決

（1）盡量減少配電電纜長度，在條件允許的情況下將變、配電間放置于配電中心（負荷中心）。 可以參考《電氣裝置應用（設計）指南》（以下簡稱《指南》）章節(jié)G31，為滿足斷路器瞬時（短延時）脫扣靈敏度的要求，得到電纜最大長度的簡易公式為Lmax＝0.8USph／ 2ρIm（0.8 系數為電壓修正系數，考慮到了發(fā)生相地接地故障時，短路時因熱量造成的電阻增大等情況，保護電器安裝處上游的電壓損失到標準電壓的80%或更低），通常，Im的值有±20%容許偏差，因此在最壞情況下Lmax應按Im＋20%計算，如式（6）所示。

式中，U 為相電壓，這里按230V 考慮；Sph、Spn為相線、中性線導線截面積，mm2；ρ 為導體密度，這里選取銅電線密度為0.023 Ω·mm2／m；Im為瞬時動作電流。

以50mm2銅線計，其截面積實際約為47.6 mm2，保護斷路器設定的Im為630A 帶入公式（6）得Lmax＝251.8m，取整為251m。 其他規(guī)格電纜可查表2。

通用斷路器保護電纜長度 表2

公式（6）中為了方便計算，考慮Sph＝Spn即Sph／Spn＝1，電纜材料采用銅質，接地系統為TN 系統（或含中性線N 線），而實際情況往往有區(qū)別。 因此根據公式（6）原理，結合實際，得出最大電纜長度如式（7）所示。

L′max＝K1·K2·K3·Lmax（7）

式中，K1 為電纜接線方式修正系數，當采用三相三線制和單相二線400V（無中性線）回路，無中性線時取值1.73，當采用三相四線制或單相二線230V（含中性線）回路取值1；K2 材質為銅時取1，為鋁時取0.62；K3 當Sph／Spn＝1 時取1，當Sph／Spn＝2 時取0.67。

2.3 案例二及分析

某車間有500kVA（10.5kV／0.4kV）變壓器一臺，車間采用TN?S 接地系統，低壓配電柜內某回路斷路器設定（得）瞬時脫扣整定值為1.25kA，該回路電纜為YJV－1／0.6kV－3×70＋2×35，材質為銅，長度為105m，請核實該型斷路器設定值是否滿足要求。

根據表2 可以得到Lmax＝187m。 根據公式（7），結合例子條件可得K1 ＝1，K2 ＝1，K3 ＝0.67，于是，L’max＝1×1×0.67×187 ＝125m，L’max＞105m，因此可知該斷路器瞬時整定值滿足要求。

（2）對較大電機采用軟啟動或者變頻啟動，以減小啟動電流，改變Iset2值，如例2 中，如果采用變頻啟動，啟動電流按Iqd＝1.5Ie＝165A，則Iset2≥0.5kA，Iset3≥0.6kA 即可滿足Izd≤1kA 的要求。

（3）增大保護線面積，如采用240 的電纜，在其余同等條件下，Rphp.L＝0.285 mΩ，Xphp.L＝0.152 mΩ，則Izd≤1.4kA。

（4）在TN?S 系統采用零序電流保護，在TN?S系統中采用剩余電流保護（RCD）或采用帶接地故障保護的低壓斷路器。 帶接地故障保護的斷路器整定：為了使接地故障脫扣器正確動作，其動作電流整定值Ig必須躲過線路中的最大不平衡電流Iph。

1）對于單相負荷或者單相負荷比例較重的混合動力回路，由于該回路不平衡電流較大，單相負荷產生的諧波電流設備也日益嚴重，線路最大不平衡電流：Iph＝（0.4 ～0.7）Ijs， Ijs為負荷計算電流，該計算公式比較適合市政工程的綜合樓和機修車間等公共建構筑物。

2）對三相負荷平衡分配或三相負荷占較大比重的動力回路：Iph＝（0.2～0.3）Ijs。

3）單臺電動機動力回路，其電壓不平衡度為2%時，其不平衡電流：Iph＝0.14Ie，Ie為電動機額定電流。 根據不平衡電流，可以推導出整定值如式（8）所示。

Ig＝kset4Iph（8）

式中，Ig為接地故障電流整定值；kset4為可靠系數，1）、2）兩種情況取值1.3～1.5，電機取值3～4。

2.4 小結

結合前面的實例，可以最終選擇帶接地故障的斷路器，采用瞬時保護，保護值Iset3＝2.2kA，Ig＝150A。

相比于其他方案，筆者認為，采用帶接地故障保護的低壓斷路器來解決TN 系統下接地故障對長距離供電的限制這個問題的方案，可能是最有效和經濟的方案。

3 結束語

本文通過實例分析，對現有市政給排水廠電氣設計中關于電纜過長的導致斷路器靈敏度下降的問題進行了闡述和討論。 其實在設計中，對于電纜過長而導致的其他問題（如電壓降、啟動問題等），大多數設計人員和校審人員以及現場施工人員都有相應的認識，而對于文中所提問題沒有足夠的重視，這樣會給配電系統帶來安全隱患。