基于斷路器保護(hù)的配電線路最大敷設(shè)長(zhǎng)度研究

陳旭文

(福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院　福建福州　350108)

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基于斷路器保護(hù)的配電線路最大敷設(shè)長(zhǎng)度研究

陳旭文

(福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院福建福州350108)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB10963、GB50054、GB/T15544對(duì)斷路器短路時(shí)電磁脫扣的要求，以及結(jié)合最小短路電流計(jì)算的方法，推導(dǎo)出滿足斷路器短路保護(hù)要求的不同截面配電線路的最大敷設(shè)長(zhǎng)度計(jì)算公式，計(jì)算出短路時(shí)斷路器對(duì)配電線路的最大保護(hù)長(zhǎng)度數(shù)值。計(jì)算結(jié)果表明，低壓配電線路并不是在安裝了短路保護(hù)斷路器后就可以無(wú)限長(zhǎng)敷設(shè)，當(dāng)超過斷路器最大保護(hù)長(zhǎng)度時(shí)，斷路器將不能可靠跳閘，線路將失去保護(hù)。

斷路器;配電線路;短路保護(hù);最大長(zhǎng)度; 瞬時(shí)脫扣

E-mail:xuwen.chen@qq.com

0　引言

短路分?jǐn)喙收鲜堑蛪簲嗦菲髯钪饕墓δ苤??！兜蛪号潆娫O(shè)計(jì)規(guī)范》GB50054-2011要求，配電線路的最小短路電流應(yīng)不小于該線路保護(hù)斷路器磁脫扣整定電流的1.3倍。然而低壓配電線路的短路電流主要取決于該配電線路的阻抗Z，它與線路的截面積S和線路敷設(shè)長(zhǎng)度L相關(guān)。因此在選用斷路器和整定相應(yīng)線路的參數(shù)(主要為截面S和敷設(shè)長(zhǎng)度L)時(shí)，應(yīng)彼此進(jìn)行參數(shù)上的配合。

1　計(jì)算模型

為保證保護(hù)斷路器在最小短路電流時(shí)能可靠分?jǐn)啵瑪嗦菲魉矔r(shí)磁脫扣動(dòng)作電流Idz應(yīng)滿足[1]：

Isc(min)≥1.3Idz

(1)

Idz-斷路器瞬時(shí)磁脫扣動(dòng)作整定電流，A。

Isc(min)-保護(hù)斷路器所在回路線路末端短路時(shí)最小短路電流，A。

短路電流的最小值Isc(min)，若系統(tǒng)有引出中性線，則一般發(fā)生在電纜末端相線對(duì)中性線(或相對(duì)地)短路；若沒有中性線引出，則發(fā)生在相間兩相短路。低壓系統(tǒng)的短路電流計(jì)算還基于低壓系統(tǒng)的以下特點(diǎn)[2]：

(1) 一般用電單位的電源來自地區(qū)大中型電力系統(tǒng)，配電變壓器的容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電力系統(tǒng)的容量，因此電路電流可按遠(yuǎn)離發(fā)電機(jī)端，即無(wú)限大電源容量的網(wǎng)絡(luò)短路進(jìn)行計(jì)算，短路電流周期分量不衰減。

(2) 計(jì)入短路各元件的有效電阻，但短路點(diǎn)的電弧電阻、導(dǎo)線連接點(diǎn)、開關(guān)設(shè)備和電器的接觸電阻忽略不計(jì)。

當(dāng)電路電阻較大，短路直流分量衰減較快，一般可以不考慮直流分量。

(3) 單位線路長(zhǎng)度有效電阻的計(jì)算溫度不同，在計(jì)算三相最大短路電流時(shí)，導(dǎo)體計(jì)算溫度取為20℃；在計(jì)算單相短路電流時(shí)，假設(shè)的計(jì)算溫度升高，電阻值增大，其值一般為20℃時(shí)電阻的1.5倍[2]；計(jì)算兩相短路時(shí)，電纜溫度升高，電阻增大值一般為20℃的1.25倍[2]。

(5)據(jù)IEC60909，計(jì)算220/380V低壓系統(tǒng)的最小短路電流時(shí)電壓系數(shù)cmin=0.95。

(6)遠(yuǎn)離發(fā)電機(jī)端短路時(shí)，兩相短路穩(wěn)態(tài)電流是三相短路穩(wěn)態(tài)電流的0.866倍[2]。

根據(jù)上述的分析和假設(shè)，可推導(dǎo)出下列近似公式來計(jì)算最小短路電流Isc(min)：

①當(dāng)電路為未引出中性線的三相三線電路時(shí)，線路末端發(fā)生兩相短路時(shí)出現(xiàn)最小短路電流：

Isc(min)=Isc2=0.866·Isc3，即：

(2)

式中：

Un-系統(tǒng)標(biāo)稱電壓，V，220/380V系統(tǒng)為380V；

Zd-短路電路總阻抗，Ω；

Isc(min)-最小短路電流，A。

②當(dāng)電路為引出中性線的三相四線電路時(shí)，線路末端發(fā)生相對(duì)中性線短路時(shí)出現(xiàn)最小短路電流：

(3)

式中：

Zphn-短路電路相線和中性線環(huán)路總阻抗，Ω。

對(duì)于無(wú)限大電源容量的網(wǎng)絡(luò)，高壓側(cè)電力系統(tǒng)的阻抗值Zs= 0；當(dāng)三相四線回路內(nèi)所有的導(dǎo)線都相互貼近 (通常如此)時(shí)，與電纜的電阻相比，電纜內(nèi)芯線的感抗是可以忽略不計(jì)的，對(duì) 120 mm2以下的電纜這種近似算法是適用的。對(duì)于大于等于 120 mm2的電纜，電纜電抗的校正系數(shù)[4]Ks如表1：

農(nóng)作物對(duì)于人類的意義是非常巨大的，因?yàn)檫@是人類賴以生存的根本。在這種情況下，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量就成為了各國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展中最重要的事情之一。而能夠有效的提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的主要方式，就是對(duì)種植技術(shù)的改進(jìn)。這些改進(jìn)，能夠更好的幫助農(nóng)作物適應(yīng)不同的情況，從而保證作物更好的發(fā)展。同時(shí)，種子的改良也算是種植技術(shù)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，種子的有效改良，也能夠大幅度的提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。同時(shí)這也能讓我國(guó)玉米的產(chǎn)量獲得大大的提高。

表1　電纜電抗的截面校正系數(shù)Ks

若線路為多根導(dǎo)體的并聯(lián)，則每相導(dǎo)體的并聯(lián)數(shù)量與電纜電抗的校正系數(shù)[4]Kp如表2：

表2　每相導(dǎo)體的并聯(lián)數(shù)量與電纜電抗的截面校正系數(shù)Kp

根據(jù)上述假設(shè)和分析，可得：

(5)

(6)

式中：

ρ20-20℃時(shí)銅的電阻率，取為0.018Ω·mm2/m；

Sph-相線的截面積，mm2；

Sn-中性線的截面積，mm2；

L-相線的長(zhǎng)度，m。

由式(2)、式(3)、式(5)可得未引出中性線的三相三線電路電纜最大計(jì)算長(zhǎng)度為：

(7)

由式(2)、式(4)、式(6)可得引出中性線的三相四線電路電纜最大計(jì)算長(zhǎng)度為：

(8)

3　典型計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)式(7)可利用Excel軟件編程計(jì)算得表3的計(jì)算結(jié)果，即未引出中性線的三相三線銅芯電纜滿足短路保護(hù)要求最大敷設(shè)長(zhǎng)度Lmax1(Kp=1)；同理根據(jù)(式8)可得表4的計(jì)算結(jié)果，即引出中性線的三相四線電路銅芯電纜滿足短路保護(hù)要求最大敷設(shè)長(zhǎng)度Lmax2(Sph/Sn=1，Kp=1)。表3和表4計(jì)算數(shù)值可作為實(shí)際設(shè)計(jì)參考速查。

表3　三相三線銅芯電纜最大敷設(shè)長(zhǎng)度Lmax1(Kp=1)　m

表4　三相四線銅芯電纜最大敷設(shè)長(zhǎng)度Lmax2

結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)要求，表3和表4中僅給出在低壓供電半徑(250m)附近及以下范圍內(nèi)的最大計(jì)算長(zhǎng)度數(shù)值。計(jì)算數(shù)值對(duì)應(yīng)的電纜截面載流量不低于斷路器的額定工作電流值。

由表3及表4計(jì)算結(jié)果可知，銅芯電纜滿足短路保護(hù)要求的最大敷設(shè)長(zhǎng)度與線纜截面成正比與斷路器瞬時(shí)脫扣電流成反比。

由表3和表4計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知，引出中性線的三相四線配電線路滿足短路保護(hù)要求的最大敷設(shè)長(zhǎng)度比未引出中性線的三相三線配電線路要短，這是因?yàn)橐鲋行跃€時(shí)線路的短路電流比未引出中性線時(shí)的短路電流大，導(dǎo)致短路器的保護(hù)距離縮短。

在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB10963中，根據(jù)小型斷路器的脫扣特性不同分為B、C、D型斷路器。

B型：B型斷路器為阻性負(fù)載或無(wú)沖擊負(fù)載提供保護(hù)。其脫扣特性為：當(dāng)實(shí)際電流等于3倍額定電流時(shí)在小于等于0.1秒內(nèi)不能脫扣，當(dāng)實(shí)際電流等于5倍額定電流時(shí)在小于0.1秒內(nèi)必須脫扣，即Idz=5In。

C型：C型斷路器為阻性負(fù)載和較低沖擊電流的感性負(fù)載提供保護(hù)。其脫扣特性為：當(dāng)實(shí)際電流等于5倍額定電流時(shí)在小于等于0.1秒內(nèi)不能脫扣，當(dāng)實(shí)際電流等于10倍額定電流時(shí)在小于0.1秒內(nèi)必須脫扣，即Idz=10In。

D型：D型斷路器為接通時(shí)具有較高沖擊電流的負(fù)載提供保護(hù)。其脫扣特性為：當(dāng)實(shí)際電流等于10倍額定電流時(shí)在小于等于0.1秒內(nèi)不能脫扣，當(dāng)實(shí)際電流等于20倍額定電流時(shí)在小于0.1秒內(nèi)必須脫扣，即Idz=20In。

根據(jù)不同脫扣特性斷路器瞬時(shí)磁脫扣電流值Idz與其額定電流In的倍數(shù)關(guān)系，對(duì)于有引出中性線的電路可結(jié)合式(8)可以分別計(jì)算得出由B、C、D型斷路器保護(hù)的銅導(dǎo)線最大長(zhǎng)度：

B型斷路器保護(hù)時(shí)：

(9)

C型斷路器保護(hù)時(shí)：

(10)

D型斷路器保護(hù)時(shí)：

(11)

對(duì)于沒有引出中性線的電路，由B、C、D型斷路器保護(hù)的銅導(dǎo)線最大長(zhǎng)度修正系數(shù)[2]：Kn=1.73。

(12)

在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，使用較多的是C、D型脫扣特性的微型斷路器，故為方便設(shè)計(jì)速查需要，此處根據(jù)式(10)及式(11)分別計(jì)算滿足短路保護(hù)要求的由C、D型脫扣特性的微型斷路器保護(hù)的銅導(dǎo)線(或電纜)的最大敷設(shè)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，分別如表5和表6所示。

表5　C型斷路器保護(hù)的銅導(dǎo)線電路的最大長(zhǎng)度(瞬時(shí)電磁脫扣特性Idz=10In) 　m

表6　D型斷路器保護(hù)的銅導(dǎo)線電路的最大長(zhǎng)度(瞬時(shí)電磁脫扣特性WIdz=20In)W　m

對(duì)于沒有引出中性線的電路，由C、D型斷路器保護(hù)的銅導(dǎo)線最大長(zhǎng)度分別由表5和表6計(jì)算結(jié)果乘以修正系數(shù)1.73即可得最終結(jié)果，此處不再贅述。

4　結(jié)語(yǔ)

低壓配電線路并不是在安裝了短路保護(hù)斷路器后就可以無(wú)限長(zhǎng)敷設(shè)，當(dāng)電纜實(shí)際敷設(shè)長(zhǎng)度超過斷路器對(duì)該截面電纜的最大保護(hù)長(zhǎng)度時(shí)，斷路器將不能可靠跳閘，線路將失去保護(hù)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起電氣火災(zāi)。故在低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在整定斷路器及其相應(yīng)配電線路的參數(shù)時(shí)，應(yīng)對(duì)配電線路的阻抗對(duì)系統(tǒng)短路電流的限制進(jìn)行校核，配電線路的長(zhǎng)度應(yīng)保持在斷路器最大保護(hù)范圍內(nèi)，在某一截面下電纜的實(shí)際敷設(shè)長(zhǎng)度超過斷路器對(duì)該截面電纜的最大保護(hù)長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增大電纜截面，使得斷路器能夠保護(hù)到該電纜的末端，從而保證低壓配電系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。文中的計(jì)算結(jié)果表3～表6可作為實(shí)際設(shè)計(jì)校核的速查表。

[1]國(guó)家建設(shè)部發(fā)布，低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范 GB50054-2011[S].

[2]中國(guó)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)(第三版)[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2005.

[3]國(guó)家質(zhì)檢總局、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).三相交流系統(tǒng)短路電流計(jì)算 GB/T 15544.1-2013/IEC60909-0:2001[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

[4]意大利ABB S.p.A. ABB SACE Division. 低壓配電電氣設(shè)計(jì)安裝手冊(cè)(第四版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[5]Schneider Electric. Electrical Installation Guide[M].北京：中國(guó)電力出版社，2006.

陳旭文(1982-)，男，工學(xué)碩士，工程師，國(guó)家注冊(cè)電氣工程師,主要從事建筑電氣，供配電系統(tǒng)安全方面的工作。

Research of Maximum Wire Length Base on Circuit Breaker Protection

CHENXuwen

(Fuzhou Planning Design &Research Institute, Fuzhou 350108)

In order to protect the end of wire short-circuit fault, according to the electron-releasing requirement of national standards as GB GB10963,GB50054,GB/T15544 to short-circuit breaker, and combined the method of minimum short-circuit current calculation, the formula of Maximum Wire Length for Circuit Breaker Short-Circuit Protection was deduced in the paper. Calculation results of the formula shows that the wire would lose protection when its length exceeded the maximum short-circuit protection length.

Circuit-Breaker; Distribution-Wire; Short-circuit Protection; Maximum Length; Instant-Releasing

陳旭文(1982-)，男，工程師，國(guó)家注冊(cè)電氣工程師。

2015-11-24

TU851

A

1004-6135(2016)01-0095-04