從靈敏度校驗探討斷路器及電纜選用

陳 剛, 陳 松, 蔡長雨

(浙江綠城建筑設計有限公司 重慶分公司, 重慶 401121)

0 引 言

隨著規(guī)范對設計要求的提高、項目周期縮短、甲方要求的形式多樣化等,校驗斷路器的單相接地故障靈敏度是一件耗時耗力的工作,同時設計人員又面臨著設計質(zhì)量終身制的責任,不做校驗對設計的風險非常高。采用文獻[1]第四章單相短路電流的計算方法和文獻[2]第十一章最小單相短路電流的計算方法對比選擇更為符合要求的計算方法,調(diào)用相關數(shù)據(jù)快速計算斷路器單相接地故障電流、斷路器長延時整定值、電纜規(guī)格、穿管大小、電流互感器變比及校驗斷路器靈敏度。

1 自動切斷電源防護措施規(guī)范依據(jù)

GB 50054—2011《低壓配電設計規(guī)范》[3]第5.2.8條規(guī)定:TN系統(tǒng)中配電線路的間接接觸防護電器的動作特征,應符合下式的要求:

ZsIa≤U0

(1)

式中:Zs——接地故障回路的阻抗;

Ia——接地故障電流;

U0——相導體對地標稱電壓。

GB 50054—2011《低壓配電設計規(guī)范》第6.2.4條規(guī)定:當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。即當TN-S系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的接地故障電流滿足斷路器瞬時或短延時過電源脫扣器整定電流的1.3倍時,可利用斷路器作為過電流保護電器兼做故障保護。

Ik≥Ia≥1.3Im

(2)

式中:Ik——故障點計算故障電流;

Im——斷路器瞬時或短延時動作電流整定值。

18D802《建筑電氣工程施工安裝》第75頁及GB 50303—2015《建筑電氣工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》規(guī)定:低壓成套配電柜和配電箱(盤)內(nèi)末端用電回路中,所設過電流保護電器兼作故障防護時,應在回路末端測量接地故障回路阻抗。

2 自動切斷電源時間要求

GB 50054—2011《低壓配電設計規(guī)范》中第5.2.9條規(guī)定,TN系統(tǒng)中配電線路的間接接觸防護電器切斷故障回路的時間,應符合下列規(guī)定:

(1) 配電線路或僅供給固定式電氣設備用電的末端線路,不宜大于5 s;

(2) 供給手持式電氣設備和移動式電氣設備用電的末端線路或插座回路,TN系統(tǒng)的最長切斷時間不應大于表5.2.9的規(guī)定。

GB 50054—2011表5.2.9中TN系統(tǒng)最長切斷時間如表1所示。

表1 GB 50054—2011表5.2.9中TN系統(tǒng)最長切斷時間

文獻[2]第1454頁:如在有關回路或設備內(nèi)的相導體和外露可導電部分或保護接地導體之間發(fā)生阻抗可忽略不計的故障,保護電器應在所要求的切斷電源時間內(nèi)自動切斷該回路或設備的相導體。對于額定電流不超過63 A插座或者32 A插座固定連接的用電設備的終端回路,文獻[2]中TN系統(tǒng)最長切斷時間如表2所示。

表2 文獻[2]中TN系統(tǒng)最長切斷時間 s

3 復核TN系統(tǒng)故障電流、斷路器靈敏度校驗

(1) 以某工程地下室風機配電回路為例,該地下室約6萬m2,共計16個防火分區(qū),車庫設置一個專變配電房,專變配電房內(nèi)設置2臺SCB13系列800 kVA變壓器D,yn11連接,uk%=6,ΔPk=6.6 kW,變壓器高壓側(cè)系統(tǒng)短路容量Ss=300 MVA,車庫配電系統(tǒng)接地形式為TN-S系統(tǒng)。已知地下室消防總箱設于專變配電房內(nèi),配電柜低壓饋線回路至消防總箱約為10 m,消防總箱至風機配電箱約為110 m,風機配電箱至風機約5 m,各級配電箱安裝容量、斷路器整定電流及電纜截面如表3所示。低壓配電示意圖如圖1所示,計算K1～K4點單相接地故障電流,檢驗各級配電斷路器靈敏度。

表3 各級配電箱安裝容量、斷路器整定電流及電纜截面

圖1 低壓配電示意圖

根據(jù)文獻[1]第163頁中,單相短路電流為

(3)

(4)

式中:Un——標稱電壓,取380 V;

c——電壓系數(shù),取0.95;

Zphp——短路點阻抗。

利用式(3)對各級配電箱發(fā)生單相接地故障時電流進行計算。單相接地故障電流計算結(jié)果如表4所示。

表4 單相接地故障電流計算結(jié)果

根據(jù)文獻[2]第986頁中式11.3-5,末端電動機低壓斷路器的選擇應滿足以下要求。斷路器的瞬時過電流脫扣器整定電流應躲過配電線路的尖峰電流,即

Iset3≥Kset3[I′stM1+Ic(n-1)]

(5)

式中:Iset3——斷路器的瞬時過電流脫扣器整定電流;

Kset3——低壓斷路器瞬時過電流脫扣器的可靠系數(shù),考慮電動機起動電流誤差和斷路器瞬動電流誤差,可取1.2;

I′stM1——線路中最大一臺電動機的全起動電流,包括周期分量和非周期分量,對于籠型電動機,其值可取電動機起動電流IstM1的2.0～2.5倍,本文取2;

Ic(n-1)——除起動電流最大的一臺電動機以外的線路計算電流。

電動機的起動電流約為額定電流的7倍,對于單臺電動機回路,根據(jù)式(5),有

(6)

式中:IrM——電動機的額定電流。

校驗斷路器靈敏度計算如表5所示。

表5 校驗斷路器靈敏度計算

從整個工程地下室風機配電回路計算分析,末端電動機M額定電流IrM1=28.5 A,1級、2級、3級配電斷路器,1.3Iset3≤Ia≤Ik;末端斷路器,Iset3≥16.8IrM1;該配電回路末端電動機能滿足起動要求,各級配電也能滿足斷路器靈敏度校驗,但總箱至分箱L2這段距離遠超文獻[2]第966頁中表11.2-4用斷路器作間接接觸防護4×95+1×50電纜最大允許長度81 m,而本次則是110 m,也能滿足要求。因此,采用文獻[1]第163頁中單相接地故障電流的計算公式計算線路長度的結(jié)果偏大,在實際工程應用時,考慮最不利情況時采用文獻[2]第965頁、第966頁中11.2-7式進行校驗各段斷路器靈敏度。

根據(jù)文獻[2],TN系統(tǒng)發(fā)生接地故障時的回路示意圖如圖2所示。

圖2 TN系統(tǒng)發(fā)生接地故障時的回路示意圖

根據(jù)圖2,計算最小接地故障電流的近似公式為

(7)

(8)

其中,1.5為由于短路引起發(fā)熱,電纜電阻的增大系數(shù)。

式中:k——考慮總等電位聯(lián)結(jié)(局部等電位聯(lián)結(jié))外的供電回路部分阻抗的約定系數(shù),取0.8～1.0;

U0——相對地標稱電壓;

S——相導體截面積;

k1——電纜電抗校正系數(shù),當S≤95 mm2時,取1.0,當S為120 mm2和150 mm2時,取0.96,當S≥185 mm2時,取0.92;

k2——多根相導體并聯(lián)使用的校正系數(shù);

n——每相并聯(lián)的導體根數(shù);

p——20 ℃時的導體電阻率;

L——電纜長度;

m——材料相同的每相導體總截面積(Sn)與PE導體截面積(SPE)之比。

故障點離變壓器較遠,k取0.8;故障點離變壓器較近,甚至于變壓器設在總等電位聯(lián)結(jié)(局部等電位聯(lián)結(jié))內(nèi),k取1.0;如果已知上述比值的實際值,則用實際值。

式(8)可轉(zhuǎn)化為

(9)

以地下室風機配電回路為例,根據(jù)文獻[3]第865頁,用三相平衡負荷線路電壓降計算電壓損失值。

Δu%=Δua%IL

(10)

式中: Δu%——線路電壓損失百分數(shù);

Δua%——三相線路每1 A·km的的電壓損失百分數(shù);

I——負荷計算電流;

L——線路長度。

變電房至總箱K2處L1線路電壓損失百分數(shù)為

ΔuK2%=ΔuaK2%Ijs總箱L1

(11)

總箱至分箱K3處L2線路電壓損失百分數(shù)為

ΔuK3%=ΔuaK3%Ijs分箱L2

(12)

分箱至末端風機K4處L3線路電壓損失百分數(shù)為

ΔuK4%=ΔuaK4%Ijs電機L3

(13)

將計算所得各段線路電路電壓損失百分數(shù)代入文獻[2]第965頁、第966頁中11.2-7式,依次計算各段配電K2～K4處最小接地故障電流。

變電房至總箱K2處最小接地故障電流為

(14)

總箱至分箱K3處最小接地故障電流為

(15)

分箱至末端風機K4處最小接地故障電流為

(16)

式中:m1、m2、m3——各段材料相同的每相導體總截面積(Sn)與PE導體截面積(SPE)之比;

S1、S2、S3——各段相導體截面積;

K11、K12、K13——各段電纜電抗校正系數(shù),當S≤95 mm2時,取1.0,當S為120 mm2和150 mm2時,取0.96,當S≥185 mm2時,取0.92;

K21、K22、K23——多根相導體并聯(lián)使用的校正系數(shù)。

將各段線路最小接地故障電流、線路電壓損失百分數(shù)列表計算,進行校驗各級配電斷路器靈敏度。最小單相接地故障電流計算如表6所示。

表6 最小單相接地故障電流計算

表6中3級配電,末端電動機M額定電流IrM1=28.5 A,1.3Iset3≤Ia≤Ik,Iset3≥16.8IrM1;2級配電,Ik≤1.3Iset3≤Ia;1級配電,1.3Iset3≤Ia≤Ik。

采用該方法配電回路末端電動機能滿足起動要求,三段配電中2級配電時,總箱饋線開關對發(fā)生單相接地故障在線路L2末端K3處時不能滿足斷路器靈敏度校驗。

考慮各級箱體位置不做變動,將2級配電中總箱饋線開關增設短延時過電流脫扣器。為保證上級配電箱出線斷路器短延時(Iset2)保護與下級斷路器瞬時保護(Iset3)不誤動,根據(jù)文獻[2]第1 022頁公式11.9-1,上級用選擇型斷路器(一般用于主干線)應按要求整定:Iset2(上)≥1.3Iset3(下)或Iset2(上)≥1.3Iset2(下);當帶有短延時脫扣器時,Iset3不宜太小,一般Iset3為(12～15)Iset1。

最小單相接地故障電流計算如表7所示。表7中3級配電,末端電動機M額定電流IrM1=28.5 A,1.3Iset3≤Ia≤Ik;Iset3≥16.8IrM1;2級配電,

表7 最小單相接地故障電流計算

整個工程地下室風機配電回路末端電動機能滿足起動要求,各級配電也能滿足斷路器靈敏度校驗,配電箱位置不用調(diào)整,電纜截面積也不用增大,僅在2級配電中饋線開關增加短延時脫扣器,不會造成額外過多的費用,不失為一種好的措施來自動切除故障電源。

對于上級保護是選擇型斷路器,下級保護是非選擇型斷路器時,應符合:上級斷路器的短路短延時脫扣整定電流不應小于下級斷路器短路瞬時脫扣整定電流的1.3倍。根據(jù)文獻[2]中第11章,計算最小接地故障電流方法來反算上級斷路器增加短延時脫扣電流。末端箱上下級斷路器兩種脫扣方式上級電纜最大允許長度對比如表8所示。

表8 末端箱上下級斷路器兩種脫扣方式上級電纜最大允許長度對比

由表8知,類似總箱設置在配電房,分箱、末端風機在風機房時,一旦供電半徑超過100 m后,總箱至分箱這段線路斷路器靈敏度很難滿足要求,建議在總箱饋線開關增加短延時過電流脫扣器。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,更容易切斷故障電源,所以斷路器間接接觸防護靈敏性更易滿足。

(2) 以某工程地下室照明配電回路為例,地下室約6萬m2,共計16個防火分區(qū),在車庫設置一個專變配電房,專變配電房內(nèi)設置2臺SCB13系列800 kVA變壓器,D,yn11連接,uk%=6,ΔPk=6.6 kW,變壓器高壓側(cè)系統(tǒng)短路容量Ss=∞,車庫配電系統(tǒng)接地形式為TN-S系統(tǒng)。已知照明總箱設于專變配電房內(nèi),配電柜低壓饋線回路至照明總箱約為10 m,照明總箱至車庫照明配電箱約為70 m,照明箱至末端燈具的距離約95 m,斷路器整定電流及電纜截面如表9所示。低壓配電示意圖見圖1。計算K6～K8點單相接地故障電流,檢驗各級配電斷路器靈敏度。

表9 斷路器整定電流及電纜截面

根據(jù)文獻[2]第866頁,用接相電壓的單相負荷線路電壓降計算電壓損失值。

Δu%=2Δua%IL

(17)

式中: Δu%——線路電壓損失百分數(shù);

Δua%——三相線路每1 A·km的的電壓損失百分數(shù);

I——負荷計算電流;

L——線路長度。

變電房至照明總箱K6處L4線路電壓損失百分數(shù)為

ΔuK6%=ΔuaK6%Ijs總箱L4

(18)

照明總箱至照明配電箱K7處L5線路電壓損失百分數(shù)為

ΔuK7%=ΔuaK7%Ijs分箱L5

(19)

照明配電箱至末端燈具K8處L6線路電壓損失百分數(shù)為

ΔuK8%=ΔuaK8%Ijs照明燈L6

(20)

將計算所得各段線路電路電壓損失百分數(shù)代入文獻[2]中第965頁、第966頁中11.2-7式,依次計算各段配電K6～K8處最小接地故障電流。

變電房至照明總箱K6處最小接地故障電流為

(21)

照明總箱至照明配電箱K7處最小接地故障電流為

(22)

照明配電箱至末端燈具K8處最小接地故障電流為

(23)

式中:m4、m5、m6——各段材料相同的每相導體總截面積(Sn)與PE導體截面積(SPE)之比;

S4、S5、S6——各段相導體截面積;

K31、K32、K33——各段電纜電抗校正系數(shù),當S≤95 mm2時,取1.0,當S為120 mm2和150 mm2時,取0.96,當S≥185 mm2時,取0.92;

K41、K42、K43——多根相導體并聯(lián)使用的校正系數(shù)。

將各段線路最小接地故障電流、線路電壓損失百分數(shù)列表計算,進行校驗各級配電斷路器靈敏度。最小單相接地故障電流計算如表10所示。

表10 最小單相接地故障電流計算

表10中1級、2級配電,1.3Iset3≤Ia≤Ik,斷路器靈敏度滿足要求;末端3級配電,Ik≤1.3Iset3≤Ia,照明配電箱饋線開關對發(fā)生單相接地故障在線路L6末端K8處時不能滿足斷路器靈敏度校驗。

考慮各級箱體位置不做變動,將末端3級配電中饋線開關選用B型曲線脫扣方式,再次校驗末端斷路器靈敏度[4-5]。最小單相接地故障電流計算如表11所示。

表11 最小單相接地故障電流計算

表11中1級、2級、3級配電,1.3Iset3≤Ia≤Ik,斷路器靈敏度均滿足要求。在狹長的坡地車庫里,往往配電間照明配電箱位置遠離末端燈具,距離比較長,照明配電箱末端開關采用C型曲線脫扣方式時不一定能滿足末端斷路器靈敏度校驗,此時選用B型曲線脫扣方式減小斷路器過電流脫扣倍數(shù),從而增大斷路器保護的距離。

4 結(jié) 語

配電設計中,由于建筑的多樣性,變配電房集中、供電半徑長而迂回等因素,在塔樓、車庫配電或照明中使用斷路器作間接接觸防護時難以滿足靈敏度保護要求,故障情況下很難達到自動切斷電源。針對斷路器靈敏度保護不滿足的情況,對民用建筑配電建議如下:

(1) 選用Dyn11接線組別變壓器,不用Yyn0接線組別變壓器。由于前者比后者的零序阻抗小得多,近端單相接地故障電流值將明顯增大。

(2) 合理選擇配電級數(shù)及分配電室,縮短各級保護開關保護線纜的長度。

(3) 合理加大電纜截面,相同斷路器瞬時或短延時動作電流整定值時,電纜截面越大,允許長度越大;但加大電纜截面,經(jīng)濟性降低,業(yè)主投入大,慎重選用。

(4) 采用帶短延時過電流脫扣器的斷路器。

(5) 照明配電回路末端斷路器選用B型曲線脫扣方式,增大斷路器保護范圍。

(6) 采用帶接地故障保護的斷路器。

(7) 電井內(nèi)所有配電箱外殼做好局部等電位聯(lián)結(jié),末端機房做好輔助等電位聯(lián)結(jié),降低接觸電壓(降至50 V以下),保護人身安全。

(8) 采用剩余電流動作保護器(RCD)作為附加保護措施。