城市道路照明單相短路電流的計算和保護選擇

楊喜云

(廈門市市政工程管理處，福建 廈門　361004)

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城市道路照明單相短路電流的計算和保護選擇

楊喜云

(廈門市市政工程管理處，福建 廈門361004)

摘要：闡述了道路照明單相(接地)短路故障電流計算和保護選擇的重要性，并通過單相(接地)短路故障電流計算和低壓斷路器的選擇實例，簡單介紹了在實際運用中，針對低壓斷路器動作靈敏性不足的問題采取的比較有效的保護措施。

關(guān)鍵詞：道路照明；單相短路電流；計算；斷路器；保護；保護措施

引言

道路照明低壓配電系統(tǒng)的主要特點有：配電半徑長(一般要幾百米，甚至上千米)；用電負荷分散；行人觸及的可能性大。這種系統(tǒng)發(fā)生三相或二相短路，一般用熔斷器或斷路器即可自動切斷電源。但對單相(接地)短路故障，由于線路較長，故障電流較小，常規(guī)的保護裝置就無法切斷或無法很快的切斷故障線路，行人一旦接觸，發(fā)生電擊的危險就很大。因此，道路照明系統(tǒng)單相(接地)短路故障的故障電流計算和保護選擇顯得尤為重要。本文通過一個案例來介紹如何進行短路電流計算，并對如何選擇保護方面做些探討。

1單相短路電流值的計算

如圖1所示，已知變壓器高壓側(cè)短路容量為100MVA，變壓器采用SCB200/10/0.4kV一臺，D，yn11結(jié)線形式。單向供電940m的配電線路中，照明燈具按40m間距布置，三相供電照明燈具采用400W的高壓鈉燈，其中在340m路口處采用一組半高桿燈7×NG400W，功率因數(shù)均補償至0.85以上，在200m和700m處各有一座公交候車亭，每座用電負荷預(yù)計1500W，功率因素要求補償至0.85，照明干線采用YJV-1kV-4×35+1×16的電力電纜穿保護管敷設(shè)，計算線路末端發(fā)生單相短路時的短路電流①注：一般實際案例中，主干道道路照明控制箱的出線回路至少4個，若設(shè)置半夜燈則要8個，考慮到本文主要為了說明問題，圖1僅為實際案例中的一個出線回路，可達到簡單明了的目的。。

首先，筆者選擇YJV-1kV-4×35+1×16，截面是否考慮過大，這里簡單解釋如下：

回路電流計算值為

式中，系數(shù)1.1為高壓鈉燈鎮(zhèn)流器的損耗。

電纜截面的選擇主要依據(jù)溫升、經(jīng)濟電流、電壓損失、機械強度等條件來選擇。對于三相供電的道路照明線路，主要依據(jù)經(jīng)濟電流選擇的電纜截面，溫升、機械強度一般都能滿足要求，電壓損失也能達到要求(而道路照明單相供電時選擇電纜截面主要考慮的條件是電壓損失)。查《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》[1](第三版)表9-58，上述電纜的截面應(yīng)選擇25mm2。但考慮到在實際應(yīng)用中，為了減少變壓器的設(shè)置數(shù)量，降低投資，一般都是在主干道的道路照明設(shè)計時綜合考慮周邊次干道、支路等照明用電，因此在主干道照明變壓器的容量設(shè)置和電纜選擇時會適當(dāng)考慮加大截面，故上述案例中電纜截面選擇35mm2。

圖1　道路照明設(shè)計案例(其中一個回路)Fig.1　Curve: Road lighting design case(One of the circuits)

1.1高壓側(cè)系統(tǒng)阻抗的計算

采用D，yn11連接的配電變壓器，當(dāng)?shù)蛪簜?cè)發(fā)生單相短路時，零序電流不能在高壓側(cè)繞組流通，高壓側(cè)對于零序電流相當(dāng)于開路狀態(tài)，故在計算單相接地短路電流時視若無此阻抗。查《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》[1](第三版)表4-21可知，當(dāng)變壓器高壓側(cè)短路容量為100MVA時，高壓側(cè)系統(tǒng)相保電阻、電抗為：Rphp·s=0.11mΩ，Xphp·s=1.06mΩ。

1.2變壓器阻抗的計算

查《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》[1](第三版)表4-23可知，當(dāng)采用SCB200/10/0.4kV，D，yn11結(jié)線形式的變壓器時，變壓器相保電阻、電抗為：Rphp·T=8.96mΩ，Xphp·T=29.93mΩ。

1.3其他元件阻抗及母線阻抗的計算

自動開關(guān)、接觸器、電流互感器的接觸電阻、線圈電阻及線圈電抗在長距離配電系統(tǒng)中遠小于其他元件的電阻電抗值，可以忽略不計。母線長度較短，計算中忽略不計，其他元件及母線相保電阻、電抗為：Rphp·M=0mΩ，Xphp·M=0mΩ。

1.4線路相保阻抗的計算

自動開關(guān)、接觸器、電流互感器的接觸電阻、線圈電阻及線圈電抗在長距離配電系統(tǒng)中遠小于其他元件的電阻電抗值，可以忽略不計。母線長度較短，計算中忽略不計。查《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》[1](第三版)表4-25可知，交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜YJV-1kV-4×35+1×16的相保電阻為2.397mΩ/m，相保電抗為0.191mΩ/m。

1.5單相接地(零)短路電流的計算

單機接地(零)短路電流的計算如下：

式中，R=Rphp·s+Rphp·T+Rphp·m+Rphp·L

=0.11+8.96+0+2397×0.94

=2262.25mΩ

Xphp=Xphp·s+Xphp·T+Xphp·m+Xphp·L

=1.06+29.93+0+191×0.94=210.53mΩ

2低壓斷路器的選擇

2.1低壓斷路器的過電流脫扣器的整定

根據(jù)上述計算，該回路道路照明計算電流為Ic=31.5A，則斷路器反時限和瞬時過電流脫扣器整定電流分別為

Iset1≥Krel1Ic=1.0×31.5=31.5A

Iset3≥Krel3Ic=4.0×31.5=126.0A

式中，Ic為照明線路的計算電流；Krel1、Krel3分別為反時限和瞬時過電流脫扣器可靠系數(shù)，查《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》[1](第三版)表11-42，高壓鈉燈取值Krel1=1.0，Krel3=4。

2.2按短路電流校驗低壓斷路器動作的靈敏性

為使低壓斷路器可靠切斷接地故障電路，必須按下式來校驗斷路器瞬時過電流脫扣器動作的靈敏性，即

Idmin≥KrelIset3=1.3×126=163.8A

該道路照明工程線路末端接地故障電流為96.8A，顯然低壓斷路器動作電流不能滿足靈敏性要求。

3針對低壓斷路器動作靈敏性不足采取的措施

在目前道路照明工程中，針對單相接地(零)短路電流值小，低壓斷路器動作靈敏性不足這種情況，較有效的措施主要有：

1)選用D，yn11接線組別變壓器取代Y，yn0接線組別變壓器，單相接地故障電流Id值將有明顯增大，但從上述道路照明工程案例中可以看出，即使按D，yn11接線組別變壓器設(shè)計，動作靈敏性仍然達不到要求。

2)加大相導(dǎo)體及保護接地導(dǎo)體截面。該措施對于截面較小的電纜和穿管絕緣線，單線接地故障電流Id值有較大增加。

如上述案例中電纜改用YJV-1kV-5×35, 查《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》[1](第三版)表4-25可知，其相保電阻為1.503mΩ/m，相保電抗為0.191mΩ/m ，則單相接地(零)短路電流為

式中，R=Rphp·s+Rphp·T+Rphp·m+Rphp·L

=0.11+8.96+0+1.503×940

=1421.89mΩ

Xphp=Xphp·s+Xphp·T+Xphp·m+Xphp·L

=1.06+29.93+0+0.191×940

=210.53mΩ

由此可知，加大保護接地導(dǎo)體截面，單線接地故障電流Id值有了顯著的增加，接近于靈敏度要求。

3)采用帶短延時過電流脫扣器的斷路器。采用熔斷器或斷路器的瞬時過電流脫扣器不能滿足接地故障要求時，則可采用帶短延時過電流脫扣器的斷路器作接地故障保護，斷路器短延時過電流脫扣器整定電流Iset2應(yīng)符合下式要求，即

Id≥1.3Iset2

對于同一斷路器，由于短延時過電流脫扣器整定電流值Iset2通常只有瞬時過電流脫扣器整定電流值Iset3的1/5～1/3左右，即Id≥1.3Iset2=1.3×(25.2～42)=32.8～54.6A，根據(jù)上述案例計算可知Id=96.8A，顯然能夠滿足Id≥1.3Iset2的要求。

IPE(G)≥1.3Iset4

由于路燈配電處于室外，配電環(huán)境較復(fù)雜，路燈漏電如誤動作會給安全照明帶來隱患，因此結(jié)合路燈實際，一般情況下，道路照明工程的剩余流動作值選擇不小于300mA。

綜上所述，對于道路照明接地故障的保護選擇，最有效的措施和方式是：1)提高保護接地線的截面(當(dāng)相線截面在35mm2及以下時，保護接地線的最小截面不應(yīng)小于相線的截面；當(dāng)相線截面在35mm2以上時，保護接地線的最小截面不得小于相線截面的50%，詳見《城市道路照明工程施工及驗收規(guī)程》[2](CJJ89—2012)。2)采用帶短延時過電流脫扣器的斷路器。3)采用帶接地故障保護中剩余電流保護方式的斷路器，剩余電流動作值選擇不小于300mA。

4結(jié)束語

近年來關(guān)于路燈因下雨漏電或保護措施不當(dāng)，導(dǎo)致觸電事故時有發(fā)生，這不能不引起道路照明行業(yè)的重視。在道路照明設(shè)計時一定要采取行之有效的保護措施和保護方式，在實際運行管理時，也要根據(jù)實際負荷的變化及時調(diào)整保護的整定值，必要時應(yīng)更換低壓斷路器。只有這樣才能確保道路照明的正常運行，確保人們的生命和財產(chǎn)安全。

參考文獻

[1] 任元會,卞鎧生,姚家偉.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊[M].第三版.北京：中國電力出版社， 2005.

[2] 城市道路照明工程施工及驗收規(guī)程:CJJ89—2012[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

Calculation and Protection Selection of Single-phase Short-circuit Current for the City Road Lighting

Yang Xiyun

(XiamenMunicipalEngineeringManagementOffice,Xiamen361004,China)

Abstract：This paper expounds the importance of the single-phase (grounding) short-circuit current calculation and protection selection for the road lighting. And through the instance of the single-phase (grounding) short-circuit current calculation and the instance of choosing low-voltage circuit-breakers, this paper introduces the effective protective measures towards the problem of the low-voltage circuit-breaker’s lack of action sensitivity in practical use.

Key words:road lighting; single-phase short-circuit current; calculation; circuit-breaker; protection; protective measures

中圖分類號：TM923

文獻標識碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.03.020