照明線路末端單相短路保護(hù)探討

沈 南 洋

(廣東寰球廣業(yè)工程有限公司, 廣東 廣州　510655)

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照明線路末端單相短路保護(hù)探討

沈 南 洋

(廣東寰球廣業(yè)工程有限公司, 廣東 廣州510655)

通過(guò)石油化工裝置區(qū)照明線路L-N間及L-PE間的短路電流計(jì)算,比較不同截面、長(zhǎng)度的線路與保護(hù)電器不同脫扣器之間的配合問(wèn)題,計(jì)算了照明線路剩余電流保護(hù)的合理整定電流值,通過(guò)不同的脫扣器和不同的保護(hù)方式說(shuō)明上下級(jí)之間的保護(hù)配合問(wèn)題。

單相短路; 保護(hù)靈敏性; 剩余電流保護(hù); 脫扣器

0　引　言

石油化工裝置區(qū)一般為易燃易爆環(huán)境,其用電可靠性要求較高。GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]規(guī)定:給固定式電氣設(shè)備供電的末端線路,切斷故障回路的時(shí)間不宜大于5 s。在實(shí)際工程中,裝置區(qū)220 V照明線路末端發(fā)生的單相短路,其短路電流一般不大(特別是發(fā)生接地故障時(shí),其故障電流較小),短路保護(hù)器不一定能夠在5 s內(nèi)可靠脫扣,故需校驗(yàn)其保護(hù)動(dòng)作的靈敏度,或綜合考慮采取多種措施以滿足GB 50054—2011的要求。

1　石油化工裝置區(qū)照明電源系統(tǒng)接地方式

石油化工裝置區(qū)主要為鋼框架多層結(jié)構(gòu),安裝在鋼框架上的照明燈具可以采用TN-S系統(tǒng)。遠(yuǎn)離裝置區(qū)外的路燈難以實(shí)現(xiàn)等電位聯(lián)結(jié),當(dāng)別處或其中某個(gè)燈具發(fā)生接地故障時(shí),引自電源的PE線可能將故障電壓傳導(dǎo)至其他路燈外殼而造成危險(xiǎn)[2],需采用TT系統(tǒng)。

2　照明線路的單相短路電流計(jì)算

照明線路末端短路(單相)電流按照文獻(xiàn)[3]提供的計(jì)算方法計(jì)算。

低壓?jiǎn)蜗?L-N間)短路電流為

(1)

Rd=Rs+RL

Xd=Xs+XL

式中:Rs、Xs——現(xiàn)場(chǎng)照明配電箱進(jìn)線側(cè)系統(tǒng)阻抗;

RL、XL——現(xiàn)場(chǎng)照明配電箱饋出回路的線路阻抗。

TN-S系統(tǒng)低壓網(wǎng)絡(luò)的單相接地故障電流按照式(1)計(jì)算,但必須將電阻、電抗、阻抗改為相保電阻、相保電抗、相保阻抗。

3　照明線路末端的單相短路保護(hù)

某大型石化裝置區(qū)現(xiàn)場(chǎng)照明配電箱供電系統(tǒng)示意圖如圖1所示,進(jìn)線處電氣參數(shù)如下:

(1) 現(xiàn)場(chǎng)照明配電箱AL01進(jìn)線電源:380/220 V,TN-S接地系統(tǒng)。

(2) 現(xiàn)場(chǎng)照明配電箱AL01進(jìn)線及出線電纜類型:交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套銅芯電纜(ZR-YJV-0.6/1 kV)。

圖1　供電系統(tǒng)示意圖

(3) 現(xiàn)場(chǎng)照明配電箱AL01進(jìn)線處阻抗:當(dāng)進(jìn)線電纜采用ZR-YJV-0.6/1kV 5×16 mm2(線路長(zhǎng)度為100 m)時(shí),進(jìn)線處電源側(cè)的電阻R=309.9 mΩ,電抗X=29.6 mΩ,相保電阻Rph.p=407 mΩ,相保電抗Xph.p=29.9 mΩ,進(jìn)線處單相短路電流約為539 A(L-PE間)、706 A(L-N間)。

TN-S系統(tǒng)220 V線路末端單相短路電流如表1所示。

表1　TN-S系統(tǒng)220 V線路末端單相短路電流　A

注:照明配電箱進(jìn)線電纜為ZR-YJV-0.6/1 kV 5×16 mm2。

3.1斷路器作為保護(hù)器

GB 50054—2011規(guī)定: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(guò)電流脫扣器整定電流的1.3倍。其中1.3倍主要考慮斷路器的制造誤差(±20%)、計(jì)算誤差及電壓波動(dòng)等因數(shù)。C型曲線瞬時(shí)磁脫扣的動(dòng)作范圍為(5～10)In,本文計(jì)算取8In。B型曲線瞬時(shí)磁脫扣的動(dòng)作范圍為(3～5)In,本文計(jì)算取4In。

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)照明配電箱AL01的配電回路采用C10A小型斷路器作為保護(hù)器時(shí),末端短路電流需大于1.3×8×10=104 A才能保證瞬時(shí)可靠脫扣。

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)照明配電箱AL01的配電回路采用B10A小型斷路器作為保護(hù)器時(shí),末端短路電流需大于1.3×4×10=52 A時(shí)才能保證瞬時(shí)可靠脫扣。

由表1及以上分析可知:

(1) L-PE之間的短路電流小于L-N之間的短路電流,所以采用斷路器作為保護(hù)器時(shí),主要校驗(yàn)L-PE之間的短路電流(接地故障電流)。

(2) 采用B型曲線的斷路器比采用C型曲線的斷路器更容易滿足保護(hù)的要求。

(3) 適當(dāng)加大照明配電箱出線線路截面,可以增加線路末端的單相短路電流,從而提高斷路器動(dòng)作的靈敏度,斷路器也可以保護(hù)更長(zhǎng)的線路。照明配電線路保護(hù)開(kāi)關(guān)采用B10A斷路器,當(dāng)電纜采用3×6mm2時(shí),滿足保護(hù)靈敏度要求的最長(zhǎng)分支線路長(zhǎng)度可達(dá)300 m;電纜采用3×4 mm2時(shí),滿足保護(hù)靈敏度要求的最長(zhǎng)分支線路長(zhǎng)度為250 m左右;電纜采用3×2.5 mm2時(shí),滿足保護(hù)靈敏度要求的最長(zhǎng)分支線路長(zhǎng)度只有100 m左右。

在石油化工裝置區(qū)的照明系統(tǒng)中,現(xiàn)場(chǎng)照明配電箱的配電回路可采用B10A小型斷路器作為保護(hù)電器。目前的防爆燈具中,大多數(shù)標(biāo)配的接線端子適用于≤2.5 mm2導(dǎo)線(防爆熒光燈標(biāo)配的接線端子適用于≤4 mm2導(dǎo)線),所以照明主線路常用3×4 mm2電纜,從接線盒分支到燈具接線端子之間的電纜采用3×2.5 mm2電纜。從現(xiàn)場(chǎng)照明配電箱到分支線路最末一個(gè)燈具的最長(zhǎng)分支線路的長(zhǎng)度控制在250 m以內(nèi)。另外考慮線路壓降等因素,建議最長(zhǎng)分支線路的長(zhǎng)度控制在150 m以內(nèi)。照明用的防爆接線盒接線口一般為DN20或DN25,當(dāng)主線路采用3×6 mm2電纜時(shí),接線較困難(特別是鎧裝電纜或耐火電纜),所以在石油化工裝置的照明設(shè)計(jì)中一般應(yīng)避免該規(guī)格的電纜作為照明配電線路。

另外,當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)照明配電箱AL01的進(jìn)線電纜由ZR-YJV-0.6/1 kV 5×16 mm2改為ZR-YJV-0.6/1 kV 4×25+1×16 mm2(線路長(zhǎng)度為100 m)時(shí),進(jìn)線處電源側(cè)的電阻、電抗、相保電阻、相保電抗分別為208.3 mΩ、29.5 mΩ、274 mΩ、29.4 mΩ,進(jìn)線處單相接地短路電流約為797 A(L-PE間)、1 046 A(L-N間)。進(jìn)線電纜截面加大一級(jí)后TN-S系統(tǒng)220 V線路末端單相短路電流如表2所示。

表2　進(jìn)線電纜截面加大一級(jí)后TN-S系統(tǒng)220 V線路末端單相短路電流　A

注:照明配電箱進(jìn)線電纜為ZR-YJV-0.6/1 kV 4×25+1×16 mm2

對(duì)比表1、表2,現(xiàn)場(chǎng)照明配電箱進(jìn)線電纜的截面加大一級(jí)后,配電箱饋出線路末端的單相短路電流變化不大,所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)避免為了增大饋出線路末端單相短路電流而盲目加大進(jìn)線電纜的截面?，F(xiàn)場(chǎng)照明配電箱進(jìn)線電纜的截面應(yīng)根據(jù)線路壓降、熱穩(wěn)定校驗(yàn)、斷路器保護(hù)動(dòng)作靈敏性、經(jīng)濟(jì)性等因素綜合選擇。

3.2剩余電流保護(hù)器

剩余電流保護(hù)是防止人身觸電、電氣火災(zāi)及電氣設(shè)備損壞的一種有效的防護(hù)措施。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)照明配電箱的配電線路采用斷路器不能滿足過(guò)電流速斷保護(hù)時(shí),可采用帶剩余電流保護(hù)的小型斷路器作為保護(hù)電器。為避免誤動(dòng)作,斷路器剩余電流保護(hù)整定值IA.set4應(yīng)大于正常運(yùn)行時(shí)線路和設(shè)備的泄漏電流總和的2.5～4.0倍[3]。

220 V照明線路總泄漏電流(線路和燈具的泄漏電流總和)如表3所示。

GB 7000.1—2007《燈具 第一部分:一般要求與試驗(yàn)》第10.3款要求,額定輸入容量不超過(guò)1 kVA的I類固定式燈具泄漏電流不應(yīng)超過(guò)1 mA。本文中每套燈具額定輸入均不超過(guò)1 kVA,每套燈具的泄漏電流暫按照1 mA計(jì)算。實(shí)際工程中建議按照燈具廠家給出的泄漏電流數(shù)據(jù)計(jì)算。

表3　220 V照明線路總泄漏電流　mA

注:3×4 mm2及3×6 mm2交聯(lián)聚乙烯電纜的泄漏電流取自DBJ/T 15-77—2010《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收規(guī)范》附錄A.0.1中的數(shù)據(jù);3×2.5 mm2交聯(lián)聚乙烯電纜的泄漏電流按照15 mA/km估算。

SH 3038—2000《石油化工企業(yè)生產(chǎn)裝置電力設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》第9.2.3款規(guī)定:照明線路每單相分支回路的電流一般不宜超過(guò)15 A,所接燈頭數(shù)不宜超過(guò)25個(gè)。石油化工裝置區(qū)常用的照明燈具有熒光燈、小功率金鹵燈(70 W)、無(wú)極燈、節(jié)能燈等小功率燈具,每個(gè)線路所接燈具數(shù)量按照24套考慮。

由表3可知,斷路器剩余電流保護(hù)整定值可設(shè)為100 mA。

對(duì)于石油化工裝置區(qū)等戶外照明回路,選用整定值為30 mA的剩余電流保護(hù)器往往不滿足要求,應(yīng)根據(jù)線路材料、長(zhǎng)度、所帶燈具的類型及數(shù)量的不同,選用整定值為100 mA、300 mA、500 mA等的剩余電流保護(hù)器或采用可調(diào)型的剩余電流保護(hù)器。

在長(zhǎng)距離配電的照明系統(tǒng)中(例如路燈系統(tǒng)),利用斷路器作為過(guò)電流保護(hù)不滿足要求時(shí),優(yōu)先采用局部TT系統(tǒng)。

4　上下級(jí)保護(hù)電器之間的配合

(1) 上一級(jí)(圖1中C點(diǎn))保護(hù)電器采用TM熱磁脫扣斷路器。

① 當(dāng)C點(diǎn)斷路器采用TMD的熱磁脫扣器時(shí),其磁脫扣電流一般都在10In以上,不可調(diào)。對(duì)于小電流的塑殼斷路器,不同系列的磁脫扣電流不同。如NSX系列NSX100NTM25磁脫扣電流為300 A,而Tmax系列中的T2S160TMD25的磁脫扣電流為500 A。

B點(diǎn)的單相接地短路電流為539 A,當(dāng)C點(diǎn)斷路器采用NSX100NTM25時(shí),539/300=1.80>1.3,滿足磁保護(hù)靈敏性的要求;當(dāng)C點(diǎn)斷路器采用T2S160TMD25時(shí),539/500=1.08<1.3,不滿足磁保護(hù)靈敏性的要求。

由分析可知,現(xiàn)場(chǎng)照明配電箱AL01配電線路末端短路的電流均小于300A,故不會(huì)引起C點(diǎn)斷路器的越級(jí)跳閘。

② 當(dāng)C點(diǎn)斷路器采用TMG的熱磁脫扣器時(shí),其磁脫扣電流一般為(2.5～5.0)In。對(duì)于小電流的塑殼斷路器,不同系列的磁脫扣電流不同,NSX100NTG25磁脫扣電流為80 A,不可調(diào),T2S160TMG25磁脫扣電流為75 A,不可調(diào)。

B點(diǎn)的單相接地短路電流為539 A,當(dāng)C點(diǎn)斷路器采用NSX100NTG25時(shí),539/80=6.74>1.3,滿足磁保護(hù)靈敏性的要求。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)配電箱AL01配電線路末端短路的電流Id≥1.3IC.set3=1.3×80=104 A時(shí),C點(diǎn)斷路器可能會(huì)越級(jí)跳閘,主要取決于上下級(jí)斷路器之間(塑殼斷路器和微型斷路器之間)是否有選擇性;當(dāng)1.3IC.set3=104 A≥Id≥1.3IA.set3=65 A時(shí),A點(diǎn)斷路器動(dòng)作,C點(diǎn)斷路器不動(dòng)作,保護(hù)具有選擇性;當(dāng)Id<1.3IA.set3=65 A時(shí),A、C點(diǎn)斷路器均不動(dòng)作。

(2) 上一級(jí)保護(hù)電器采用帶短延時(shí)的斷路器。當(dāng)斷路器磁保護(hù)(瞬時(shí)過(guò)電流脫扣)不能滿足要求時(shí),可以采用帶有短延時(shí)的斷路器來(lái)保護(hù)。C點(diǎn)若采用帶短延時(shí)的斷路器時(shí),短延時(shí)整定值IC.set2需滿足:IC.set2≥1.2IA.set3(可靠系數(shù)1.2主要考慮脫扣器動(dòng)作誤差),其中IA.set3=50 A,則IC.set2≥60 A,IC.set1=25 A,故IC.set2=3IC.set1=75 A。

當(dāng)線路末端短路電流Id≥1.3IC.set2=97.5 A時(shí),斷路器A動(dòng)作,斷路器C因有延時(shí),不動(dòng)作;若斷路器A故障不能動(dòng)作時(shí),斷路器C延時(shí)動(dòng)作,作為斷路器A的遠(yuǎn)后備保護(hù)。當(dāng)97.5 A>Id≥1.3IA.set3=65 A時(shí),斷路器A動(dòng)作,斷路器C不動(dòng)作,保護(hù)具有選擇性;當(dāng)Id<65 A時(shí),A、C點(diǎn)斷路器均不動(dòng)作。

(2) 上一級(jí)保護(hù)電器采用剩余電流保護(hù)。只有當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)照明配電箱饋出線路采用剩余電流保護(hù),C點(diǎn)塑殼斷路器采用剩余電流保護(hù)才可能有選擇性,C點(diǎn)剩余電流保護(hù)整定電流應(yīng)至少為下級(jí)的剩余電流保護(hù)整定電流的3倍,或延時(shí)。

(3) 上一級(jí)保護(hù)電器采用零序電流保護(hù)。零序保護(hù)的整定電流一般為長(zhǎng)延時(shí)整定電流的20%～100%,需避開(kāi)正常運(yùn)行時(shí)的不平衡電流、諧波電流、正常泄漏電流之和。一般情況下,在滿足保護(hù)動(dòng)作靈敏性要求的前提下,其整定值應(yīng)盡量大,延時(shí)時(shí)間盡量長(zhǎng)。

5　結(jié)　語(yǔ)

為了保證石油化工裝置區(qū)中220 V照明線路末端短路時(shí)保護(hù)的靈敏性,需選擇合適的配電線路截面和過(guò)電流保護(hù)器:

(1) 照明配電箱配電線路截面需綜合考慮斷路器的脫扣曲線、最遠(yuǎn)距離的分支線路長(zhǎng)度、短路電流、線路壓降、安裝條件、經(jīng)濟(jì)性等因素。一般可采用B型曲線斷路器,配電線路電纜采用3×4 mm2,最遠(yuǎn)距離的分支線路控制在150 m以內(nèi)。

(2) 當(dāng)照明配電箱饋出線路斷路器過(guò)電流保護(hù)不能滿足要求而采用剩余電流保護(hù)時(shí),額定動(dòng)作電流一般整定為100 mA或以上。

(3) 上一級(jí)塑殼斷路器可采用特殊脫扣曲線的脫扣器(脫扣倍數(shù)比較低的脫扣器)、短延時(shí)脫扣器或者采用線路綜合保護(hù)器等實(shí)現(xiàn)線路過(guò)電流保護(hù)和上下級(jí)開(kāi)關(guān)的配合。

[1]低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范:GB 50054—2011[S].

[2]王厚余.低壓電氣裝置的設(shè)計(jì)安裝和檢驗(yàn)[M].2版.北京:中國(guó)電力出版社,2007.

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

Discussion About Single-phase Short-circuit Protection of Lighting Line End

SHEN Nanyang

[HQC(Guangzhou) Company, Guangzhou 510655, China]

Through the short-circuit current calculation of L-N and L-PE lighting circuits in a petrochemical plant area,the matching problems of different line section/length and different releases of electrical protective device were compared.The reasonable setting current value of residual current protector of the lighting circuit was calculated.The matching of the upper-stage and lower-stage electrical protective devices was illustrated through different releases and different protection modes.

single-phase short-circuit; protection sensitivity; residual current protection; release

沈南洋(1983—),男,工程師,從事化工電氣設(shè)計(jì)工作。

TU 852

B

1674-8417(2016)07-0021-05

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.07.006

2016-03-10