隧道內(nèi)遠距離配電線路斷路器保護靈敏度的探討

金若翃， 王康偉

(1. 中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司， 天津 300306；2. 中鐵隧道局集團有限公司勘察設(shè)計研究院， 廣東 廣州 511458)

0 引言

隧道低壓配電系統(tǒng)故障主要有單相接地故障、兩相接地短路、兩相短路和三相短路，其中單相接地故障發(fā)生的概率最高，也最容易引起電氣火災(zāi)或電擊傷亡事故。隧道作為狹長型的交通建筑物，其供電半徑往往較大，并且由于隧道內(nèi)環(huán)境等因素的影響，變電所的選址[1]受到很大的限制，導(dǎo)致隧道內(nèi)存在大量的長距離配電線路。當(dāng)配電線路過長時，其相保阻抗會較大，發(fā)生單相接地故障時的故障電流較小，不能保證斷路器瞬時或短延時過電流保護動作的可靠性。如果單相接地故障不能被及時處理，就會導(dǎo)致用電設(shè)備的燒毀甚至釀成事故，造成人們生命和財產(chǎn)的巨大損失。

對于遠距離配電線路，設(shè)計人員較為注重的是線路末端的電能質(zhì)量，通常會校驗線路末端的電壓損失[2]，也會根據(jù)選型結(jié)果對電纜進行熱穩(wěn)定[3]校驗，卻很少對配電線路斷路器的靈敏度進行校驗，這種做法往往只保證了配電線路的使用性，而忽略了配電線路的安全性。由于斷路器有制造誤差[4]，并且由于計算誤差、電網(wǎng)電壓偏差等因素，為保證斷路器保護動作的可靠性，其動作靈敏度系數(shù)不得小于1.3[5-6]。雖然國家規(guī)范對斷路器的靈敏度有明確的要求，但對校驗方法描述卻不夠具體。因此，本文主要結(jié)合相關(guān)設(shè)計手冊[7-9]，通過短路電流的計算、斷路器動作電流的整定和靈敏度的計算，探討靈敏度校驗的一般方法，并提出提高斷路器靈敏度的措施。

1 斷路器靈敏度校驗的相關(guān)規(guī)定

GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計規(guī)范》[5]第6.2.4條規(guī)定： 當(dāng)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(yīng)小于斷路器瞬時或短延時過電流脫扣器整定電流的1.3倍，即

(1)

式中：Idmin為被保護線路預(yù)期短路電流最小值，在TN、TT系統(tǒng)中為單相短路電流，A；Izd為低壓斷路器瞬時或短延時過電流脫扣器整定電流，A；KLE為低壓斷路器的動作靈敏系數(shù)最小值，取1.3。

2 遠距離配電線路的斷路器靈敏度校驗工程實例

2.1 工程背景

某水下隧道長5.3 km，水下盾構(gòu)段長3.1 km，在北岸盾構(gòu)井和南岸管控中心各設(shè)1座主變電所，在北岸4#雨水泵房、江中廢水泵房以及南岸風(fēng)機房設(shè)1座跟隨所，低壓系統(tǒng)接地型式為TN-S。

本文僅對動力負荷中線路最長的配電回路斷路器進行靈敏度校驗。該回路由北岸4#雨水泵房跟隨所饋出，為B匝道2#雨水泵房配電，雨水泵房內(nèi)有3臺功率為30 kW的水泵(2用1備，必要時同時使用)，低壓柜內(nèi)饋線斷路器整定值為250 A，電纜長度為613 m，進行電壓損失校驗后，電纜規(guī)格采用WDZBN-YJY22-1 kV 2×(3×150+2×70)。圖1為B匝道2#雨水泵房配電回路末端發(fā)生單相接地故障時的示意圖。

圖1 配電回路末端單相接地故障示意圖

Fig. 1 Sketch of single-phase grounding fault at end of distribution circuit

2.2 單相接地故障電流計算

2.2.1系統(tǒng)阻抗

根據(jù)Q/CSG 10012—2005《中國南方電網(wǎng)城市配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則》[10]，10 kV城市配電網(wǎng)的短路電流通常不超過20 kA，即最大系統(tǒng)短路容量約為363 MV·A，可假設(shè)系統(tǒng)短路容量Ss=200 MV·A，由于系統(tǒng)阻抗較小，計算誤差符合工程設(shè)計要求。

由《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊(第4版)》[8](簡稱《配四》)查表(P304，表4.6-11)得系統(tǒng)相保阻抗為： 相保電阻Rphp-s=0.05 mΩ； 相保電抗Xphp-s=0.53 mΩ。

2.2.2 變壓器阻抗

相關(guān)參數(shù)為： 變壓器阻抗電壓百分比Uk=6%，額定容量SN=0.8 MV·A。

由《配四》查表(P305，表4.6-13)得變壓器的相保阻抗為： 相保電阻Rphp-t=1.74 mΩ； 相保電抗Xphp-t=11.6 mΩ。

2.2.3 低壓開關(guān)柜內(nèi)銅母排阻抗

相關(guān)參數(shù)為： 銅母排規(guī)格為4×(125×10)+1×(60×10)，母排長度lm=5 m。

由《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊(第3版)》[7](簡稱《配三》)查表(P157，表4-24)得低壓銅母排的相保阻抗為： 相保電阻Rphp-m=R′·lm=0.056×5 mΩ=0.28 mΩ(R′為銅母排單位長度相保電阻值，mΩ/m)；相保電抗Xphp-m=X′·lm=0.344×5 mΩ=1.72 mΩ(X′為銅母排單位長度相保電抗值，mΩ/m)。

2.2.4 配電線路阻抗

相關(guān)參數(shù)為： 電纜規(guī)格為WDZBN-YJY22-1 kV 2×(3×150+2×70)，長度為613 m。

由《配四》查表(P214，表4.2-48)得電纜的相保阻抗為：

相保電阻

式中：R(1)為電纜單位長度正序電阻值， mΩ/m；R(0)為電纜單位長度零序電阻值， mΩ/m；lx為配電線路電纜的長度。

相保電抗

式中：X(1)為電纜單位長度正序電抗值， mΩ/m；X(0)為電纜單位長度零序電抗值， mΩ/m。

2.2.5 配電線路總相保阻抗

綜上，線路末端發(fā)生單相接地故障時總相保阻抗為：

Rphp-z=Rphp-s+Rphp-t+Rphp-m+Rphp-x=0.05 mΩ+

1.74 mΩ+0.28 mΩ+139.30 mΩ=

141.37 mΩ;

Xphp-z=Xphp-s+Xphp-t+Xphp-m+Xphp-x=0.53 mΩ+

11.6 mΩ+1.72 mΩ+64.79 mΩ=78.64 mΩ;

161.77 mΩ。

2.2.6 單相接地故障電流

配電線路末端發(fā)生單相接地故障時接地故障電流

2.3 斷路器靈敏度校驗

斷路器瞬時過電流脫扣器的整定電流應(yīng)躲過配電線路的尖峰電流，即

(2)

雨水泵房中單臺水泵功率為30 kW，正常運行時計算電流為57 A，直接啟動電流為370.5 A，全啟動電流為926.3 A，將以上數(shù)據(jù)代入式(2)，得

1.2×(926.3+57×2) A=1 248.4 A，

則雨水泵房雙電源切換箱的進線斷路器的瞬時過電流保護整定值Iset3-B可取1 250 A。低壓柜饋線斷路器為選擇性斷路器，為實現(xiàn)與雨水泵房雙電源切換箱進線斷路器的選擇性配合，其瞬時過電流保護的整定值按最大值整定，定時限過電流保護的整定值

Iset2-A≥1.3Iset3-B=1.3×1 250 A=1 625 A。

將數(shù)據(jù)代入式(1)，斷路器的靈敏度系數(shù)

數(shù)據(jù)結(jié)果表明，靈敏度系數(shù)遠小于1.3，不滿足規(guī)范要求。

3 提高斷路器靈敏度的方法

增大中性線的截面可以降低電纜的相保阻抗，從而提高線路末端的接地故障電流?，F(xiàn)將電纜從3+2芯電纜改為4+1芯電纜，即電纜規(guī)格為WDZBN-YJY22-1 kV 2×(4×150+1×70)，重復(fù)以上接地故障電流計算，得Idmin=1 813.52 A。

更換電纜規(guī)格后，斷路器的靈敏度系數(shù)

結(jié)果表明靈敏度系數(shù)依然不滿足規(guī)范要求。對于本次實例，若只通過增大電纜截面的方法來提高斷路器的靈敏度，則至少還需要將相導(dǎo)體增大2個等級才能滿足規(guī)范要求，這顯然不夠經(jīng)濟合理。筆者發(fā)現(xiàn)，在采取將電纜型號改為WDZBN-YJY22-1 kV 2×(4×150+1×70)的措施后，可通過以下3個方法提高斷路器靈敏度來保證配電線路的安全性，不需要再額外增大導(dǎo)體的截面。

1)雨水泵雙電源切換箱進線斷路器采用選擇性斷路器。定時限過電流脫扣器的整定電流應(yīng)躲過短時間出現(xiàn)的負荷尖峰電流，即

Iset2≥Kset2(IstM1+IC(n-1))。

(3)

式中：Iset2為定時限過電流脫扣器的整定電流，A；Kset2為低壓斷路器定時限過電流脫扣器的可靠系數(shù)，可取1.2；IstM1為線路中最大一臺電動機的啟動電流，A；IC(n-1)為除啟動電流最大的一臺電動機以外的線路計算電流，A。

將數(shù)據(jù)代入式(3)，得

Iset2≥Kset2(IstM1+IC(n-1))=

1.2×(370.5+57×2) A=581.4 A，

則雨水泵房雙電源切換箱的進線斷路器的定時限過電流整定值Iset2-B可取600 A。低壓柜內(nèi)饋線斷路器的定時限過電流整定時間比下級斷路器的整定時間大一個量級，整定值在滿足靈敏度要求的條件下可整定得大一些，取1 250 A，靈敏度系數(shù)

數(shù)據(jù)結(jié)果表明靈敏度系數(shù)滿足規(guī)范要求。

2)雨水泵采用軟啟動，降低低壓柜饋線斷路器定時限過電流整定值。雨水泵采用軟啟動后，啟動電流為171 A，全啟動電流為427.5 A，將以上數(shù)據(jù)代入式(2)，得

1.2×(427.5+57×2) A=649.8 A，

則雨水泵房雙電源切換箱的進線斷路器的瞬時過電流整定值Iset3-B可取1 000 A。低壓柜饋線斷路器的定時限過電流整定值

Iset2-A≥1.3Iset3-B=1.3×1 000 A=1 300 A。

Iset2-A可取1 375 A。斷路器靈敏度系數(shù)

數(shù)據(jù)結(jié)果表明靈敏度系數(shù)滿足規(guī)范要求。

3)低壓柜饋線回路采用具有剩余電流保護功能的斷路器。當(dāng)普通斷路器無法通過瞬時過電流保護或定時限過電流保護實現(xiàn)遠距離配電線路接地故障防護時，也可采用具有剩余電流保護功能(斷路器自帶或加裝剩余電流保護模塊)的斷路器。為避免誤動作，剩余電流保護器的整定值應(yīng)大于線路和設(shè)備正常泄露電流之和的2倍，必要時可通過實際測量取得保護線路和設(shè)備對地泄露電流值。上下級剩余電流保護器應(yīng)有良好的選擇性配合，通常終端剩余電流保護器為不延時型，上級的剩余電流保護器為延時型，各級延時應(yīng)有足夠的時差。剩余電流保護器僅能實現(xiàn)接地故障防護功能，對于線路末端發(fā)生的兩相短路，剩余電流保護器無法可靠動作，仍需要對斷路器的靈敏度進行校驗。

4 結(jié)論與討論

由本文校驗結(jié)果可知，隧道內(nèi)遠距離配電線路末端發(fā)生單相接地故障時，故障電流較小，難以保證斷路器動作的可靠性，只考慮線路的電壓損失而忽視斷路器靈敏度的做法是不可取的，斷路器靈敏度的校驗應(yīng)引起設(shè)計人員的重視。當(dāng)靈敏度不滿足要求時，可采用加大電纜截面、裝設(shè)具有剩余電流保護功能的斷路器、在滿足配電和保護功能的前提下降低斷路器的瞬時或短延時過電流脫扣器的整定值等一種或多種措施，從而提高斷路器的靈敏度。然而，以上措施都在一定程度上增加了投資成本或維護成本，選用時應(yīng)根據(jù)實際情況通過經(jīng)濟技術(shù)綜合比較后確定。

本文中斷路器動作電流的整定值雖然考慮了三段保護的選擇性，但當(dāng)下級回路的短路電流過大、超過上級斷路器短路保護動作整定值時，仍會使上級斷路器無選擇性跳閘，為保證配電系統(tǒng)保護的選擇性，必要時可采用智能斷路器的級間選擇性連鎖技術(shù)。另外，隧道內(nèi)遠距離配電線路較多，逐條校驗會重復(fù)大量工作并耗費大量時間，在本文分析的基礎(chǔ)上，利用計算機技術(shù)編寫用于自動校驗斷路器靈敏度的程序，不失為提高設(shè)計效率的一個好辦法。

參考文獻(References)：

[1] 20 kV及以下變電所設(shè)計規(guī)范： GB 50053—2013[S]. 北京： 中國計劃出版社， 2014.

Code for design of 20 kV and below substation： GB 50053-2013[S]. Beijing: China Planning Press, 2014.

[2] 供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范： GB 50052—2009[S]. 北京： 中國計劃出版社， 2010.

Code for design electric power supply systems： GB 50052-2009[S]. Beijing: China Planning Press， 2010.

[3] 導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計技術(shù)規(guī)定： DL/T 5222—2005 [S]. 北京： 中國電力出版社， 2005.

Design technical rule for selecting conductor and electrical equipment： DL/T 5222-2005[S]. Beijing: China Electric Power Press， 2005.

[4] 低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備： 第2部分 斷路器： GB 14048.2—2008[S]. 北京： 中國標準出版社， 2009.

Low-voltage switchgear and controlgear： Part 2: Circuit-breakers： GB 14048.2-2008 [S]. Beijing: Standards Press of China, 2009.

[5] 低壓配電設(shè)計規(guī)范： GB 50054—2011 [S]. 北京： 中國計劃出版社， 2012.

Code for design of low voltage electrical installations：GB 50054-2011[S]. Beijing: China Planning Press, 2012.

[6] 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司，中國建筑標準設(shè)計研究院.全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施： 電氣[M]. 北京： 中國計劃出版社， 2009.

Department of Safety Supervision for Construction Quality，MOHURD., China Institute of Building Standard Design & Research. National technical measures for design of civil construction: Electric[M]. Beijing: China Planning Press, 2009.

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

China Aeronautical Project and Design Institute. Industrial and civil power distribution design manual[M]. 3rd ed. Beijing: China Electric Power Press, 2005.

[8] 中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司. 工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊[M]. 4版. 北京： 中國電力出版社， 2016.

China Aviation Planning and Design Institute (Group) Co., Ltd. Industrial and civil power distribution design manual[M]. 4th ed. Beijing: China Electric Power Press, 2016.

[9] 《鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計手冊》編委會.鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計手冊[M]. 北京： 冶金工業(yè)出版社， 1996.

Editorial Board of Steel Enterprise Electric Power Design Manual. Steel enterprise electric power design manual[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 1996.

[10] 中國南方電網(wǎng)城市配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則： Q/CSG 10012—2005[S]. 北京： 中國廣播電視出版社， 2006.

Electrical technology guide for the urban electric power network of China southern power grid: Q/CSG 10012-2005[S]. Beijing: China Radio Film & TV Press, 2006.

[11] 楊捷. 建筑物室內(nèi)低壓配電回路極限長度探討[J]. 建筑電氣， 2015(5)： 45.

YANG Jie. Research on limit length of indoor low-voltage distribution circuit for buildings[J]. Building Electricity，2015(5)： 45.