低壓配電系統(tǒng)照明末端供電問(wèn)題探討

廖 昕

(深圳市建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司, 廣東 深圳 518031)

0 引 言

在低壓配電系統(tǒng)中,當(dāng)供電距離過(guò)長(zhǎng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致線路電壓降過(guò)大,使末端用照明設(shè)備在正常運(yùn)行情況下端子處的電壓偏差超過(guò)允許值;同時(shí),因供電距離長(zhǎng)而導(dǎo)致回路阻抗增加,發(fā)生短路時(shí)故障電流不足以使保護(hù)開(kāi)關(guān)可靠動(dòng)作,使電線電纜或設(shè)備絕緣損壞,嚴(yán)重時(shí)引發(fā)火災(zāi)等危害[1]。因此,在校驗(yàn)供電距離時(shí),不僅需要進(jìn)行電壓降校驗(yàn),還應(yīng)進(jìn)行保護(hù)開(kāi)關(guān)動(dòng)作靈敏度的校驗(yàn)。

本文結(jié)合某工程實(shí)例,對(duì)低壓配電系統(tǒng)中長(zhǎng)距離照明供電的電壓降和開(kāi)關(guān)靈敏度進(jìn)行校驗(yàn)。

1 項(xiàng)目概況

某民用工程某臺(tái)容量為1 250 kVA的變壓器主母線上,饋出一個(gè)回路給普通照明配電總箱PAL,PAL箱分別饋出回路給地下室2個(gè)防火分區(qū)的照明配電箱AL1、AL2,AL1、AL2箱某出線各接有20盞28 W熒光燈,功率因數(shù)為0.9,具體數(shù)據(jù)如下:

(1) 照明支路從AL1箱引出3 m后接入燈具,熒光燈等距離安裝,間距為3 m。

(2) 照明支路從AL2箱引出40 m后接入燈具,熒光燈等距離安裝,間距約為3 m。

(3) 單燈額定電流為0.141 A,整條照明支路總電流為2.82 A。

低壓配電系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 低壓配電系統(tǒng)示意圖

根據(jù)上述條件,分別對(duì)2個(gè)照明支路末端照明燈具端子處的電壓降進(jìn)行計(jì)算,并校驗(yàn)最末一級(jí)小型斷路器的動(dòng)作靈敏度。

2 電壓降校驗(yàn)

2.1 三相平衡負(fù)荷線路電壓降

三相平衡負(fù)荷線路的電壓損失計(jì)算:

Δu%=IlΔua%

(1)

式中: Δu%——線電壓降百分?jǐn)?shù),%;

Δua%——三相線路單位電流長(zhǎng)度的電壓降百分?jǐn)?shù),%/(A·km);

I——負(fù)荷電流,A;

l——線路長(zhǎng)度,km。

2.2 單相負(fù)荷線路電壓降

接在相電壓上的單相負(fù)荷線路的電壓降計(jì)算:

Δu%≈2IlΔua%

(2)

2.3 多個(gè)功率相等單相負(fù)荷在同一線路上等距離安裝時(shí)電壓降

等距離同功率負(fù)荷接線示意圖如圖2所示,在一條導(dǎo)線上接入n個(gè)用電設(shè)備,用電設(shè)備功率相同,相鄰設(shè)備之間距離相同,則第m段線路的電壓損失Δum%=[n-(m-1)]·2IlΔua%(其中

圖2 等距離同功率負(fù)荷接線示意圖

1≤m≤n)。

由此,可得出多個(gè)功率相等的單相負(fù)荷最末端設(shè)備處電壓降如下:

(3)

表1 各段線路電壓損失計(jì)算

注:各類線路的Δua%數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)[3]表9.4-19、表9.4-23、表9.4-24和表9.4-25。

由表1可知,AL1、AL2箱母線處的電壓損失值分別如下:

根據(jù)式(3),AL1、AL2箱饋出的照明線路最末端電壓損失值分別如下:

綜合以上計(jì)算步驟,AL1、AL2箱照明出線最末端照明燈具端子處的電壓損失值分別如下:

ΔuAL1-01%=ΔuAL1%+Δu4-1%=4.578%

ΔuAL2-01%=ΔuAL2%+Δu4-2%=3.716%

GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]規(guī)定,對(duì)于照明用電,正常運(yùn)行情況下一般工作場(chǎng)所用電設(shè)備端子處的電壓偏差允許值為額定電壓的±5%。根據(jù)以上計(jì)算,可得出如下結(jié)論:

(1) AL1箱最遠(yuǎn)供電距離為205 m,最末端用電設(shè)備端子處電壓偏差為4.578%,滿足允許值±5%的要求,電壓降通過(guò)檢驗(yàn)。

(2) AL2箱最遠(yuǎn)供電距離為190 m,最末端用電設(shè)備端子處電壓偏差為3.716%,也滿足允許值±5%的要求,電壓降通過(guò)檢驗(yàn)。

3 保護(hù)開(kāi)關(guān)脫扣器動(dòng)作靈敏度校驗(yàn)

為使低壓斷路器可靠切斷接地故障電路,必須按下式校驗(yàn)斷路器瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器動(dòng)作的靈敏性:

在探索性研究(exploratory research)中，研究人員探索問(wèn)題的方式應(yīng)該是開(kāi)放的、包羅性的(inclusive)、排除預(yù)設(shè)的(unpredetermined)，然而，即使是出于驗(yàn)證理論(hypothesis-testing)、數(shù)據(jù)互證(triangulation)的目的，研究人員也都更傾向于選擇一種更能接近被調(diào)查者的、更能獲得全方位信息的方法。研究性訪談(research interview)正是這樣一種方法。

Id≥KrelIset3

(4)

式中:Id——被保護(hù)線路預(yù)期短路電流最小值,在TN系統(tǒng)中為被保護(hù)線路末端接地故障電流;

Krel——低壓斷路器瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器動(dòng)作可靠系數(shù),一般取1.3;

Iset3——低壓斷路器瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器的整定電流。

3.1 單相接地故障電流的計(jì)算

TN接地系統(tǒng)的低壓網(wǎng)絡(luò)單相接地故障電流Id:

(5)

Rphp=Rph+Rp

Xphp=Xph+Xp

式中:Rphp——短路電路的相?；芈冯娮?

Xphp——短路電路的相?；芈冯娍?

Zphp——短路電路的相?；芈纷杩?

Rph——相線電阻;

Rp——保護(hù)線電阻;

Xph——相線電抗;

Xp——保護(hù)線電抗。

3.2 低壓配電系統(tǒng)單相短路電流的計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[3]表4.3-5,可獲得變壓器低壓側(cè)的相保阻抗值。電線電纜的正序阻抗與相保阻抗之間存在以下關(guān)系:相?；芈冯娮鑂php=1.5(Rph+Rp),相保回路電抗Xphp=2Xph。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]表4-25,可獲得電纜的相保阻抗值,根據(jù)文獻(xiàn)[3]表9.4-23,可獲得銅線的正序阻抗。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)和計(jì)算公式,配電系統(tǒng)和線路的相保阻抗如表2所示。

表2 配電系統(tǒng)和線路的相保阻抗

注:供電系統(tǒng)短路容量300 MVA,變壓器型號(hào)SCB11。

將圖1的低壓配電系統(tǒng)圖轉(zhuǎn)換為單相短路等效電路圖,如圖3所示。

圖3 低壓配電系統(tǒng)單相短路等效電路

當(dāng)3-1段線路末端發(fā)生單相短路時(shí),相保總電阻,Rphp=Rsphp+R1php+R2-1php+R3-1php=(1.09+5.96+1 204.14+1 254.00) mΩ=2 465.19 mΩ,相?？傠娍?Xphp=Xsphp+X1php+X2-1php+X3-1php=(7.60+1.61+28.00+12.70) mΩ=49.91 mΩ。因此,單相接地故障電流Id3-1=89 A。

當(dāng)3-2段線路末端發(fā)生單相短路時(shí),相?？傠娮鑂php=Rsphp+R1php+R2-2php+R3-2php=(1.09+5.96+645.08+2 508.00) mΩ=3 160.13 mΩ,相?？傠娍筙php=Xsphp+X1php+X2-2php+X3-2php=(7.60+1.61+15.00+25.40) mΩ=49.61 mΩ。因此,單相接地故障電流Id3-2=70 A。

對(duì)于末端照明回路出線,通常選擇C型小型斷路器,其瞬時(shí)脫扣電流為額定電流的5～10倍。小型斷路器B、C、D型特性曲線如圖4所示。

故根據(jù)靈敏度校驗(yàn)式(4),3-1段、3-2段線路保護(hù)開(kāi)關(guān)的瞬時(shí)脫扣器電流值應(yīng)分別滿足:

圖4 小型斷路器B、C、D型特性曲線

3-1段、3-2段的線路保護(hù)開(kāi)關(guān)脫扣器額定電流值應(yīng)分別滿足:

為使C型小型斷路器發(fā)生單相接地短路時(shí)能可靠斷開(kāi)回路,對(duì)于3-1段回路,C型小型斷路器額定值不應(yīng)大于6 A;對(duì)于3-2段回路,C型小型斷路器額定值不應(yīng)大于5 A。

3.3 提高開(kāi)關(guān)動(dòng)作靈敏度的措施分析

如果配電線路過(guò)長(zhǎng),單相短路電流較小,當(dāng)選擇額定電流稍大的小型斷路器時(shí),脫扣器動(dòng)作電流可能不滿足靈敏性校驗(yàn)要求,通常采取以下措施來(lái)提高保護(hù)開(kāi)關(guān)的靈敏度,并對(duì)其可行性進(jìn)行分析[5-6]。

(1) 減少相保回路阻抗,增大單相接地故障電流。

① 將最末端銅芯導(dǎo)線截面積由2.5 mm2增大到4 mm2,相應(yīng)調(diào)整表2中數(shù)據(jù),如表3所示。

表3 配電系統(tǒng)和線路的相保阻抗數(shù)據(jù)(導(dǎo)線調(diào)整一)

注:供電系統(tǒng)短路容量300 MVA,變壓器型號(hào)SCB11。

當(dāng)3-1段線路末端發(fā)生單相短路時(shí),單相接地故障電流Id3-1=110 A。此時(shí),保護(hù)開(kāi)關(guān)脫扣器額定電流值應(yīng)滿足:

為使C型小型斷路器發(fā)生單相接地短路時(shí)能可靠斷開(kāi)回路,3-1段回路選擇的C型小型斷路器額定值不應(yīng)大于10 A。

② 將2-1段線路電纜截面積由6 mm2增大到10 mm2,相應(yīng)調(diào)整表2中數(shù)據(jù),如表4所示。

當(dāng)3-1段線路末端發(fā)生單相短路時(shí),單相接地故障電流Id3-1=110 A。

表4 配電系統(tǒng)和線路的相保阻抗數(shù)值(導(dǎo)線調(diào)整二)

注:供電系統(tǒng)短路容量300 MVA,變壓器型號(hào)SCB11。

比較以上計(jì)算結(jié)果,將2-1段電纜增大一級(jí)截面積與將3-1段電線增大一級(jí)截面積,可以獲得同樣的效果。因此,減少相?；芈纷杩?增大單相接地故障電流的措施是可行的。

(2) 采用帶接地故障保護(hù)的斷路器。當(dāng)線路末端發(fā)生單相接地故障時(shí),故障電流僅數(shù)十安培,小型斷路器額定電流選擇稍大,就不能滿足脫扣器動(dòng)作靈敏度的要求。在3-1段線路上裝設(shè)動(dòng)作電流為1 A的剩余電流保護(hù)裝置,用剩余電流值替代單相接地故障電流后,可計(jì)算出保護(hù)開(kāi)關(guān)在單相接地故障時(shí)的動(dòng)作靈敏度Krel=Id/IΔn=89,遠(yuǎn)大于1.3。

在采用帶剩余電流保護(hù)裝置的保護(hù)開(kāi)關(guān)后,被保護(hù)線路預(yù)期短路電流的最小值不再是被保護(hù)線路末端接地故障電流,而應(yīng)為末端L-N回路短路電流。

L-N回路阻抗與相?；芈纷杩瓜嗤?保護(hù)開(kāi)關(guān)的選擇要求與發(fā)生單相接地短路時(shí)開(kāi)關(guān)的選擇要求一致。因此,采用帶接地故障保護(hù)的斷路器作為提高開(kāi)關(guān)動(dòng)作靈敏度的措施并不可行。

(3) 選用B型脫扣曲線小型斷路器。3-1段和3-2段線路保護(hù)開(kāi)關(guān)脫扣器額定電流值的計(jì)算調(diào)整:

對(duì)于3-1段和3-2段回路,選擇的B型小型斷路器額定值可提高到10 A。因此,選用B型脫扣曲線的小型斷路器措施是可行的。

(4) 選擇額定電流較小的小型斷路器。3-1段照明支路的保護(hù)開(kāi)關(guān),可選擇額定電流為6 A的C型脫扣曲線小型斷路器。照明線路保護(hù)用低壓斷路器的瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器還需滿足下式:

Iset3≥KrelIC

(6)

式中:Iset3——瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器的整定電流;

Krel——瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器的可靠系數(shù),熒光燈取3～5;

IC——照明線路的計(jì)算電流。

根據(jù)式(6),3-1段照明支路保護(hù)開(kāi)關(guān)的瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器整定電流滿足:

因此,選用C型脫扣曲線的小型斷路器措施是可行的。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上分析可知,當(dāng)?shù)蛪号潆娤到y(tǒng)中供電距離過(guò)長(zhǎng)時(shí),即使線路電壓降滿足要求,也不能保證開(kāi)關(guān)的靈敏性滿足要求。因此,須進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作的靈敏度校驗(yàn)。當(dāng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作靈敏度不滿足要求時(shí),可通過(guò)適當(dāng)?shù)拇胧?保證開(kāi)關(guān)動(dòng)作靈敏度在合理范圍內(nèi)。

收稿日期：2018-05-31