漫談工業(yè)項(xiàng)目低壓電氣裝置設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（金隆銅業(yè)有限公司，安徽 銅陵 244000）

電氣設(shè)計(jì)師在開展工業(yè)項(xiàng)目的電氣設(shè)計(jì)之前，首先需要掌握國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。低壓電氣裝置設(shè)計(jì)的核心思想是電氣安全、穩(wěn)定可靠和經(jīng)濟(jì)實(shí)用。再者，開展深度調(diào)研，對(duì)項(xiàng)目所在地的環(huán)境條件、安裝方式以及使用習(xí)慣有所掌握，對(duì)在不同環(huán)境條件下體現(xiàn)出來的不同性質(zhì)與不同程度的潛在的電氣危險(xiǎn)，應(yīng)分類采取相應(yīng)的防范措施。

1 深入調(diào)研

工業(yè)項(xiàng)目在收資過程中，應(yīng)該注重對(duì)當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境條件和供電環(huán)境的等方面的資料收集工作。在《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四版中，詳細(xì)闡述了電氣設(shè)備及導(dǎo)體的正常使用條件以及在不滿足正常條件時(shí)，設(shè)計(jì)中應(yīng)采取的相應(yīng)措施。

一般情況下，影響電氣設(shè)計(jì)的環(huán)境條件因素存在以下幾種情況：當(dāng)海拔高于1000m時(shí)會(huì)降低電氣裝置的絕緣同時(shí)提高溫升，應(yīng)進(jìn)行修正；在風(fēng)速較大的地區(qū)，應(yīng)對(duì)架空線路、桿塔、屋頂設(shè)置的電氣裝置等提出抗風(fēng)措施；在干熱、濕熱地區(qū)的電氣裝置宜選用干熱、濕熱型專用電氣產(chǎn)品，并應(yīng)視情況積極采取防潮、防水、防霉、防銹等干預(yù)手段；應(yīng)注意提高電氣設(shè)備的防護(hù)等級(jí)；在存在酸堿腐蝕、鹽霧等情況的地區(qū)，電氣設(shè)備應(yīng)該采用防腐型，電纜保護(hù)管、裸露外殼的設(shè)備、橋架等應(yīng)采用氣璃鋼或不銹鋼等材質(zhì)，至于保護(hù)層可采取熱鍍鋅、涂防腐材料等方式；在土壤的電阻率比較高的地區(qū)，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)牟扇∠鄳?yīng)的措施來降低接地電阻，比如利用建筑物的基礎(chǔ)做聯(lián)合接地、加打人工接地極、降阻劑等；在頻繁受雷災(zāi)害的地區(qū)，應(yīng)注意防雷措施，例如按規(guī)范等級(jí)設(shè)置接閃器、必要時(shí)假設(shè)避雷針、電源進(jìn)線處設(shè)置浪涌保護(hù)器等；在有白蟻或鼠類等蟲害的地區(qū)，電纜溝及入戶管溝處應(yīng)做好密封防堵的工作，應(yīng)該選用壁厚質(zhì)硬的PVC管材，以及帶鎧裝外護(hù)套的電纜，并在必要時(shí)選用防白蟻電纜；電氣裝置必須滿足抗震要求；為了選擇最佳的供電網(wǎng)絡(luò)接線方式，還須了解當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)結(jié)構(gòu)等信息。

2 了解電力負(fù)荷的特性

工業(yè)項(xiàng)目中電力負(fù)荷應(yīng)用最為廣泛的就是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。

2.1 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的安裝功率

大多數(shù)電機(jī)都標(biāo)明額定功率Pn（單位：kW）表示其機(jī)械軸額定輸出的功率。

需要注意的是，安裝功率指的是電氣裝置在工作中所有耗能設(shè)備額定功率之和，而不是指電機(jī)的實(shí)際供電功率。

2.2 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的視在功率

安裝視在功率Sa（單位：kVA）通常被認(rèn)為是各個(gè)負(fù)載視在功率的算術(shù)和。但是，視在功率的最大估算值并不簡(jiǎn)單的等于全部負(fù)載的安裝視在功率之和。這一數(shù)值需求可以根據(jù)其額定輸出功率、電機(jī)效率和功率因數(shù)的函數(shù)來求得。

需要注意的是，全廠負(fù)荷的視在功率并不是將單個(gè)負(fù)載計(jì)算出來的視在功率額定值簡(jiǎn)單的累加（所有的負(fù)載都具有相同的功率因數(shù)除外）。

2.3 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流和超瞬態(tài)電流

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流是啟動(dòng)瞬間電機(jī)的轉(zhuǎn)速為零時(shí)的堵轉(zhuǎn)電流，典型值大約為額定電流的5～7倍。通過使用Y-Δ起動(dòng)裝置、靜態(tài)軟起動(dòng)裝置或者變頻器的相關(guān)設(shè)備，可以大大的降低起動(dòng)電流。

電機(jī)的超瞬態(tài)電流峰值，典型值大約為額定電流的12～15倍，有時(shí)甚至高達(dá)25倍。因此斷路器、接觸器和熱繼電器的選擇應(yīng)能應(yīng)對(duì)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)非常高超瞬態(tài)電流。

2.4 全廠實(shí)際視在功率最大值的估算

并非所有單個(gè)負(fù)載都能以滿額定功率的狀態(tài)工作，也并非所有單個(gè)負(fù)載能在同一時(shí)刻同時(shí)運(yùn)行。電氣裝置選型時(shí)，可以根據(jù)需要系數(shù)和同時(shí)系數(shù)來確定最大功率和視在功率。

需要系數(shù)：在正常條件下，負(fù)載的實(shí)際消耗功率一般會(huì)小于額定功率。因此該系數(shù)必須應(yīng)用于每個(gè)單獨(dú)負(fù)載，特別是電機(jī)。因?yàn)橥ǔＧ闆r下，電機(jī)很少會(huì)工作在滿負(fù)荷狀態(tài)。

同時(shí)系數(shù)：該系數(shù)主要是考慮根據(jù)以往工廠實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，所有的指定設(shè)備并不會(huì)同時(shí)工作，也就是說存在著不同程度的分散使用的情況。其定義為：在指定的時(shí)間內(nèi)的一組電器，其最大功率需求與他們同期單獨(dú)最大功率之和的比例。按照這個(gè)定義，其值總是≤1。

3 基于規(guī)范的導(dǎo)體選擇及保護(hù)

3.1 概述

對(duì)裝置的供電需要敷設(shè)電纜并對(duì)其電氣設(shè)備進(jìn)行研究，從裝置電源——各中間級(jí)——末級(jí)回路。

從裝置的可靠性和安全性考慮，電纜敷設(shè)及其每一級(jí)的保護(hù)都必須滿足例如以下的幾個(gè)方面的條件：

（1）持續(xù)承載的負(fù)荷電流；

（2）正常的短時(shí)過電流；

（3）在運(yùn)行過程中，不會(huì)因產(chǎn)生電壓降而導(dǎo)致某些負(fù)載性能下降；

（4）保護(hù)設(shè)備（斷路器或者熔斷器）應(yīng)對(duì)電纜及母線進(jìn)行過電流保護(hù)和短路電流保護(hù)；

（5）保證對(duì)人員進(jìn)行保護(hù)以免受到間接接觸傷害。

對(duì)于某一回路中電纜規(guī)格與保護(hù)裝置額定值選擇的流程圖如下：

功率需求量（需求的kVA和最大負(fù)荷電流A）→選擇導(dǎo)體（選擇導(dǎo)體的型號(hào)及絕緣、選擇安裝方法、按不同環(huán)境條件考慮校正系數(shù)和利用載流量表確定導(dǎo)體截面）→校驗(yàn)最大電壓降（穩(wěn)態(tài)條件和電機(jī)啟動(dòng)條件）→短路電流計(jì)算（上游短路功率、最大值和導(dǎo)體末端的最小值）→保護(hù)電器的選擇（額定電流、分?jǐn)嗄芰Α⒓?jí)聯(lián)保護(hù)和校驗(yàn)選擇性）。

3.2 過電流保護(hù)

3.2.1 過載保護(hù)

（1）根據(jù)規(guī)范校驗(yàn)過載保護(hù)

根據(jù)GB 50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.3.3條中有明確規(guī)定。需要注意的是，規(guī)范中的斷路器整定電流 是可長(zhǎng)期通過保護(hù)電器而不會(huì)降低電器保護(hù)性能的電流，其并不是脫扣器的動(dòng)作電流。當(dāng)負(fù)載電流超過 時(shí)，不管過載時(shí)間長(zhǎng)短，過載保護(hù)電器都不會(huì)動(dòng)作。

同時(shí)，需校驗(yàn)保護(hù)電器在約定時(shí)間的約定脫扣跳閘電流應(yīng)小于導(dǎo)體載流量的1.45倍。

（2）根據(jù)諧波含量選擇過載保護(hù)及中性線導(dǎo)體截面

假定在負(fù)載的3相導(dǎo)體是滿載的條件下，來討論三相4芯或5芯電纜的載流量。當(dāng)導(dǎo)體中有諧波電流通過時(shí)，流經(jīng)中性線的電流變大甚至超過相電流，這就會(huì)影響電纜的載流能力。因此，過載保護(hù)選擇校驗(yàn)需考慮線路的諧波含量。可根據(jù)負(fù)荷電流的諧波含量來選擇相線、中性線的截面，具體可參考國(guó)標(biāo)GB 50054-2011表3.2.9：具體如下。

表1 電纜載流量的降低系數(shù)[3]

3.2.2 短路保護(hù)

根據(jù)GB 50054-2011第6.2.2條及6.2.3條，短路保護(hù)電器的選擇，應(yīng)能保證在安裝地點(diǎn)可能出現(xiàn)的最大短路電流時(shí)，短路保護(hù)電器仍能可靠分段，也就是說其額定分段能力應(yīng)大于或等于故障點(diǎn)的最大短路電流。

需要注意的是，如果短路保護(hù)電器的額定分?jǐn)嗄芰π∮谄浒惭b處的預(yù)期短路電流時(shí)，則應(yīng)在該線路的上一級(jí)裝設(shè)具有不小于該分?jǐn)嗄芰Φ亩搪繁Ｗo(hù)電器。同時(shí)，為了使該段線路及其短路保護(hù)電器能夠承受短路電流通過時(shí)產(chǎn)生的短路能量，除了需注意匹配上下兩級(jí)短路保護(hù)電器的動(dòng)作保護(hù)特性以外，還應(yīng)對(duì)電纜和絕緣導(dǎo)體進(jìn)行熱穩(wěn)定校驗(yàn)以選擇合理的截面，確保被保護(hù)線路的任意點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，短路保護(hù)電器都能在約定時(shí)間內(nèi)可靠切斷電源并保證被保護(hù)電纜和導(dǎo)體的絕緣在允許的極限溫度內(nèi)承載極大的短路能量而不被損壞。熱穩(wěn)定校驗(yàn)時(shí)，還需注意短路電流持續(xù)時(shí)間的影響。

3.2.3 低壓電氣裝置的過電壓保護(hù)

有四種過電壓可能會(huì)對(duì)電器裝置和負(fù)載產(chǎn)生干擾，分別是操作過電壓、工頻過電壓、靜電放電引起的過電壓和大氣過電壓。本文主要介紹暫時(shí)工頻過電壓的防護(hù)和瞬態(tài)沖擊過電壓的防護(hù)。

（1）暫時(shí)工頻過電壓防護(hù)

在工業(yè)項(xiàng)目的終端變配電所設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮暫時(shí)工頻過電壓的防護(hù)。系統(tǒng)接地和保護(hù)接地的電阻值應(yīng)在綜合考慮工頻過電壓限值和接觸電壓限值、低壓系統(tǒng)接地故障自動(dòng)切除電源要求及高、低壓系統(tǒng)接地型式這幾種情況來確定。

當(dāng)高壓中性點(diǎn)有效接地、低壓采用TN系統(tǒng)時(shí)，需要引出低壓線路做總等電位聯(lián)結(jié)。當(dāng)高壓系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)所引起的低壓電器裝置外露可導(dǎo)電部分允許的接觸電壓的幅值和持續(xù)時(shí)間不應(yīng)超過《工業(yè)與民用配電手冊(cè)》的圖13.6.2中曲線所給出的值；其引起的低壓電器裝置中作用于設(shè)備的相對(duì)地絕緣上的工頻應(yīng)力電壓的幅值和持續(xù)時(shí)間不應(yīng)超過《工業(yè)與民用配電手冊(cè)》的表13.6.3中規(guī)定的值。

當(dāng)高壓中性點(diǎn)不接地或非有效接地、低壓TN系統(tǒng)接觸電壓限值≤50V時(shí)，規(guī)范要求 ，則接地電阻值取5Ω即可滿足要求。

因此，首先需確定工業(yè)項(xiàng)目所在地的高壓系統(tǒng)接地形式，同時(shí)需要關(guān)注高壓接地故障保護(hù)電器動(dòng)作時(shí)間等主要技術(shù)參數(shù)以及接地故障電流值。

（2）瞬態(tài)沖擊過電壓防護(hù)

瞬態(tài)沖擊過電壓是指電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，電氣設(shè)備在額定電壓下工作時(shí)，遭遇由操作、雷擊、故障、或參數(shù)配置引起的系統(tǒng)中某部分電壓升高大大超過正常運(yùn)送的數(shù)值電壓。

一般可以采取兩種措施來應(yīng)對(duì)。其一是通過在電氣裝置中采取等電位聯(lián)結(jié)、分流、接地、屏蔽以及正確合理的綜合布線等方式來防止在設(shè)備線路上產(chǎn)生這種危險(xiǎn)過電壓，其二是通過在線路中設(shè)置SPD來消除或減少這種過電壓造成的有害效應(yīng)。

4 結(jié)語

本文從工業(yè)項(xiàng)目建設(shè)前期的關(guān)于收集對(duì)低壓電器裝置影響的各種資料介紹開始，通過對(duì)工業(yè)項(xiàng)目主要電氣負(fù)荷特性的了解，重點(diǎn)介紹了基于規(guī)范的低壓電器導(dǎo)體選擇及保護(hù)的設(shè)計(jì)理念，以便廣大設(shè)計(jì)師能更有效更準(zhǔn)確的解決工程實(shí)際問題。