電動(dòng)機(jī)負(fù)荷長距離配電線路斷路器保護(hù)靈敏度分析

柳 新

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

0 引言

長大型隧道工程呈線性長條形走向，出于通風(fēng)、消防排煙考慮，隧洞沿線需設(shè)置若干射流風(fēng)機(jī)，而變電所往往結(jié)合洞口雨水泵房、消防泵房等設(shè)備房或者工作井設(shè)置，隧洞內(nèi)部分射流風(fēng)機(jī)距離變電所較遠(yuǎn)，過往工程案例中甚至出現(xiàn)過風(fēng)機(jī)配電回路長達(dá)1km 的情況。 對(duì)于長距離電動(dòng)機(jī)配電回路，設(shè)計(jì)人員在配電電纜選型時(shí)，會(huì)關(guān)注電纜載流量、電壓降甚至熱穩(wěn)定等參數(shù)信息，卻忽視對(duì)配電回路斷路器的靈敏度進(jìn)行校驗(yàn)。

隧道低壓配電系統(tǒng)故障主要有三相短路、兩相短路、單相接地故障，其中，單相接地故障發(fā)生概率最高。 對(duì)于長距離配電回路，線路相保阻抗較大，單相接地故障時(shí)故障電流較小，導(dǎo)致斷路器瞬時(shí)或短延時(shí)過電流保護(hù)不能可靠動(dòng)作，引起線路過熱、損壞，甚至引發(fā)電氣火災(zāi)，危及人身和財(cái)產(chǎn)安全。因此，在進(jìn)行長距離配電回路電纜、開關(guān)器件選型時(shí)，不僅需要進(jìn)行電纜壓降計(jì)算，還應(yīng)對(duì)保護(hù)開關(guān)動(dòng)作靈敏度進(jìn)行校驗(yàn)。

本文結(jié)合某隧道工程實(shí)例，對(duì)射流風(fēng)機(jī)長距離配電回路進(jìn)行電纜選型、開關(guān)器件電流整定和靈敏度分析。

1 工程概況

某湖底隧道長1.7km，單洞單向通行，兩端洞口均設(shè)置有雨水泵房，隧道中間段最低點(diǎn)設(shè)置有廢水泵房，射流風(fēng)機(jī)沿隧道縱向均勻分布。 考慮工程經(jīng)濟(jì)性和方案可行性，結(jié)合兩端雨水泵房各設(shè)置一座10/0.4kV 變電所， 每座變電所內(nèi)設(shè)置兩臺(tái)2×800kVA 變壓器，低壓系統(tǒng)接地型式為TN-S。

選取其中距離洞口變電所最遠(yuǎn)的一組射流風(fēng)機(jī)(圖1)進(jìn)行分析。 其額定功率37kW、額定電流70A、啟動(dòng)電流508A。 由南洞口變電所兩段母線各饋出一路低壓電源，末端雙切后給風(fēng)機(jī)配電。 考慮電纜敷設(shè)環(huán)境及負(fù)荷重要性，電纜選擇無鹵低煙耐火銅芯電纜，配電干線線路長700m，線路首端斷路器1QL長延時(shí)整定值Iset1設(shè)置為100A。 電動(dòng)機(jī)配電圖路電壓降分析見表1。

表1 37kW 電動(dòng)機(jī)配電回路電壓降(L＝700m )

圖1 射流風(fēng)機(jī)配電示意圖

2 線路電纜選型

查文獻(xiàn)[1]表9.3-24，忽略電纜敷設(shè)場(chǎng)所、環(huán)境溫度等因素對(duì)電纜載流量的影響，16mm2及以上截面的電纜均滿足本配電回路載流量需求，考慮線路首端斷路器過負(fù)荷保護(hù)，可選擇25mm2及以上截面的電纜。

依據(jù)文獻(xiàn)[2] ，對(duì)于電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，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%。 射流風(fēng)機(jī)為三相平衡負(fù)荷，根據(jù)文獻(xiàn)[1]，有電壓降計(jì)算公式(忽略末端風(fēng)機(jī)控制箱至電動(dòng)機(jī)段線路電壓降):

式中，Δua%為三相線路每1A·km 的電壓損失百分?jǐn)?shù)，%/A·km；I為負(fù)荷電流，A；L為線路長度，m。

3 斷路器保護(hù)靈敏度校驗(yàn)

射流風(fēng)機(jī)配電線路保護(hù)有過載保護(hù)、三相短路保護(hù)、兩相短路保護(hù)和單相接地故障保護(hù)，其中單相接地短路故障電流最小，相同的開關(guān)整定值下斷路器最不易觸發(fā)動(dòng)作。 故下文選擇配電線路單相接地短路故障工況進(jìn)行斷路器保護(hù)靈敏度校驗(yàn)。

單相接地故障電流按照相保回路進(jìn)行計(jì)算。線路L末端發(fā)生單相接地故障時(shí)，該相?；芈分兄饕懈邏合到y(tǒng)、變壓器、低壓電纜三種阻抗，單相接地故障電流為:

查詢文獻(xiàn)[1]表4.6-11、表4.6-13 可以得出，系統(tǒng)側(cè)及變壓器折算到低壓側(cè)的相保阻抗(高壓側(cè)短路容量為200 MVA):

查詢文獻(xiàn)[1]表4.2-46 ，通過計(jì)算得出電纜相保阻抗、回路總相保阻抗及故障電流，匯總形成表2～3。

表2 電纜相保阻抗

線路首端斷路器瞬時(shí)脫扣整定值Iset3應(yīng)躲過配電線路的尖峰電流:

式中，Iset3為瞬時(shí)過電流脫扣器的整定電流，A；Kset3為低壓斷路器瞬時(shí)過電流脫扣器的可靠系數(shù)，取1.2；I′stM1為線路中最大一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的全啟動(dòng)電流，A；IC(n-1)為除啟動(dòng)電流最大的一臺(tái)電動(dòng)機(jī)以外的線路計(jì)算電流，A。

風(fēng)機(jī)全啟動(dòng)電流倍數(shù)取2.2，則有:Iset3≥1.2×2.2× 508＝1341.1A。 根據(jù)計(jì)算結(jié)果，斷路器瞬時(shí)脫扣整定值可設(shè)定為1 350A。

根據(jù)文獻(xiàn)[2] 6.2.4 規(guī)定，斷路器動(dòng)作靈敏度系數(shù)應(yīng)滿足以下要求:

式中，krel為斷路器保護(hù)靈敏度系數(shù)；Id為末端短路故障電流，A；Iset為斷路器瞬時(shí)脫扣整定值。

將表3 數(shù)據(jù)，斷路器瞬時(shí)脫扣整定值代入靈敏度計(jì)算公式(4)中，校驗(yàn)斷路器動(dòng)作靈敏度，計(jì)算結(jié)果見表4。 顯然，靈敏度不滿足規(guī)范要求。

表3 故障回路總相保阻抗及故障電流

表4 斷路器瞬動(dòng)脫扣靈敏度

4 提高斷路器保護(hù)靈敏度的幾種方案

分析斷路器脫扣器動(dòng)作靈敏度求解公式，要提高靈敏度，一是增大線路末端接地故障電流值，二是減小斷路器脫扣整定值。

4.1 增大線路末端接地故障電流值

(1)采用D，yn11 接線組別變壓器

相比較Y，yn11 接線組別變壓器，D，yn11 接線組別變壓器零序阻抗小(當(dāng)?shù)蛪簜?cè)發(fā)生單相短路時(shí)，零序電流不能在高壓側(cè)繞組流通，高壓側(cè)對(duì)于零序電流相當(dāng)于開路狀態(tài)，故在計(jì)算單相短路電流時(shí)認(rèn)為無此阻抗)，可在一定程度上增大線路末端接地故障電流。 不過，結(jié)合前面相保阻抗計(jì)算可以看出，對(duì)于長距離配電線路單相接地故障，系統(tǒng)阻抗占整體相保阻抗比例小，系統(tǒng)側(cè)的阻抗優(yōu)化對(duì)線路末端單相接地故障電流影響甚小。 且在實(shí)際工程中，基本上均采用此接線組別的變壓器，已經(jīng)沒有提升空間。

(2)加大配電線路導(dǎo)體截面積

由表4 可知，加大配電線路導(dǎo)體截面積來提高單相接地故障電流，簡單有效。 不過在配電回路較長時(shí)，僅靠加大配電線路導(dǎo)體截面積，使線路首端斷路器保護(hù)靈敏度滿足要求，可能需要將電纜截面提升好幾檔。 而電纜費(fèi)用在隧道電氣工程費(fèi)用中占比大，若所有長距離配電線路均采用此方法提高保護(hù)開關(guān)靈敏度，必然會(huì)大大增加電氣工程投資，且造成金屬浪費(fèi)。

對(duì)電纜相保電阻和相保電抗公式展開分析，有以下公式:

式中，R(0)ph為相導(dǎo)體單位長度零序電阻值，mΩ/m；R(0)p為PE 導(dǎo)體單位長度零序電阻值，mΩ/m；X(0)ph為相導(dǎo)體單位長度零序電阻值，mΩ/m；X(0)p為PE 導(dǎo)體單位長度零序電阻值，mΩ/m。

對(duì)比文獻(xiàn)[1]式4.2-24、式4.2-25，導(dǎo)體的零序電阻(零序電抗)為正序電阻(正序電抗)的4～5倍。 結(jié)合公式(5)、(6)可知，增大PE 線截面比增大一個(gè)檔位的相線截面，可更有效地減小相保電阻、相保電抗值，對(duì)斷路器脫扣器動(dòng)作靈敏度的提升效果更好。

4.2 減小斷路器脫扣整定值

(1)采用帶短延時(shí)過電流脫扣斷路器

對(duì)于同一斷路器，由于短延時(shí)過電流脫扣器整定值Iset2通常只有瞬時(shí)過電流脫扣器整定Iset3的1/5～1/3， 所以間接接觸防護(hù)靈敏度更容易滿足。Iset2應(yīng)躲過短時(shí)間出現(xiàn)的負(fù)荷尖峰電流，即:

式中，Kset2為低壓斷路器定時(shí)限過電流脫扣器的可靠系數(shù)，取1.2；IstM1為線路中最大一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，A。IC(n-1)為除啟動(dòng)電流最大的一臺(tái)電動(dòng)機(jī)以外的線路計(jì)算電流，A。 則:Iset2≥1.2×508＝ 609.6A。Iset2可設(shè)置為610A，將Iset2及表3數(shù)據(jù)代入靈敏度公式中，校驗(yàn)斷路器靈敏度，結(jié)果見表5。

表5 斷路器短延時(shí)脫扣靈敏度

與表4 數(shù)據(jù)對(duì)比，相同配置下，采用短延時(shí)脫扣保護(hù)的靈敏度比采用瞬時(shí)脫扣保護(hù)靈敏度高出1倍，但是電纜截面積需增大至240mm2時(shí)，靈敏度才滿足要求。

(2)采用帶接地故障保護(hù)功能的斷路器

接地故障保護(hù)又分為兩種方式，即三相不平衡電流保護(hù)和剩余電流保護(hù)[3]。 文獻(xiàn)[3][5]均對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)分析，二者均為行之有效的間接接觸防護(hù)策略，還可顯著提高接地故障保護(hù)靈敏度。 但是，二者對(duì)三相、兩相不接地短路故障的保護(hù)作用不大，且影響線路、設(shè)備泄露電流的因素較多，在配電回路起始端裝設(shè)帶接地故障保護(hù)功能的斷路器并不合適；隧道射流風(fēng)機(jī)兼用消防排煙風(fēng)機(jī)，火災(zāi)工況下需保持其供電連續(xù)性，根據(jù)文獻(xiàn)[2] 6.3.6要求，剩余電流保護(hù)不能作用于跳閘，僅作用于報(bào)警。 故帶接地故障保護(hù)功能斷路器不適用于隧道射流風(fēng)機(jī)配電線路保護(hù)。

(3)采用合適的風(fēng)機(jī)啟動(dòng)方式

電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流較大，斷路器瞬時(shí)脫扣整定值為躲過啟動(dòng)電流，需設(shè)定為較大值，不同啟動(dòng)方式下電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)倍數(shù)如表6 所示[4]。

表6 不同啟動(dòng)方式下電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)倍數(shù)

根據(jù)前述內(nèi)容，代入相關(guān)數(shù)據(jù)，可計(jì)算出不同啟動(dòng)方式下斷路器瞬時(shí)脫扣靈敏度值(表7)。

表7 不同啟動(dòng)方式下斷路器瞬時(shí)脫扣靈敏度值

由表7 可知，風(fēng)機(jī)采用星三角啟動(dòng)、軟啟動(dòng)器啟動(dòng)、變頻啟動(dòng)均可大幅提高斷路器瞬時(shí)脫扣靈敏度，采用變頻啟動(dòng)時(shí)靈敏度增大效果最好。 由于射流風(fēng)機(jī)兼作火災(zāi)工況時(shí)排煙風(fēng)機(jī)，需考慮供電可靠性，故其配電回路不建議增設(shè)變頻啟動(dòng)裝置，實(shí)際工程中射流風(fēng)機(jī)可選擇星三角啟動(dòng)或者軟啟動(dòng)器啟動(dòng)，星三角啟動(dòng)裝置價(jià)格便宜，軟啟動(dòng)器裝置價(jià)格稍高，但是自動(dòng)化水平高，市政行業(yè)應(yīng)用廣泛。

(4)滿足使用需求條件下改變風(fēng)機(jī)配置模式

與隧道通風(fēng)專業(yè)溝通，將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置的單臺(tái)37kW 射流風(fēng)機(jī)更改為2 臺(tái)18.5kW 射流風(fēng)機(jī)，由變電所至現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)控制柜的配電干線電纜規(guī)模不變，現(xiàn)場(chǎng)控制柜饋出2 路線路，分別給2 臺(tái)風(fēng)機(jī)配電，如圖2 所示。

圖2 改為2×18.5kW 風(fēng)機(jī)組后配電示意圖

18.5kW 風(fēng)機(jī)額定電流為37A，啟動(dòng)電流為259A，斷路器D1 的瞬動(dòng)脫扣器整定值應(yīng)躲過電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)過程中的尖峰電流(兩臺(tái)風(fēng)機(jī)逐臺(tái)啟動(dòng))，I′set3≥Kset3× [I′stM1+IC(n-1)] ＝1.2 × (259 × 2.2 +37)＝728.16A。

若斷路器帶短延時(shí)脫扣功能，有I′set2≥Kset2× [IstM1+IC(n-1)] ＝1.2 ×(259 + 37)＝355.2A。

斷路器瞬時(shí)脫扣整定值I′set3可設(shè)置為750A，短延時(shí)脫扣整定值I′set2可設(shè)置為360A。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，可計(jì)算出不同電動(dòng)機(jī)負(fù)荷配置下靈敏度值(表8)。

表8 不同電動(dòng)機(jī)負(fù)荷配置下靈敏度計(jì)算

根據(jù)表8 計(jì)算結(jié)果，改變末端射流風(fēng)機(jī)機(jī)組配置模式，不改變配電干線其他參數(shù)情況下，斷路器脫扣靈敏度顯著提高。 對(duì)于本工程電動(dòng)機(jī)負(fù)荷長距離配電回路，改變風(fēng)機(jī)配置模式且線路首端采用具有短延時(shí)脫扣功能的斷路器后，選取120mm2截面電纜即可滿足靈敏度要求。

5 結(jié)束語

電動(dòng)機(jī)負(fù)荷長距離配電回路發(fā)生單相接地短路故障時(shí)，線路相保阻抗大，故障電流較小；為了躲避電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的尖峰電流，斷路器的脫扣整定值不能太小。 以上兩因素疊加，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)負(fù)荷長距離配電回路的首端保護(hù)斷路器的脫扣器動(dòng)作靈敏度難以滿足規(guī)范要求。

經(jīng)過上述分析，為解決靈敏度不足的問題，有如下幾種解決方案:(1)適當(dāng)增大配電線纜特別是PE 線截面積，簡單有效，但是經(jīng)濟(jì)效益差；(2)采用合適的風(fēng)機(jī)啟動(dòng)方式，如星三角啟動(dòng)、軟啟動(dòng)器啟動(dòng)等；(3)在滿足使用需求前提下，末端大功率電動(dòng)機(jī)設(shè)備可改為多臺(tái)小功率電動(dòng)機(jī)組，并控制電機(jī)逐臺(tái)啟動(dòng)。 (4)線路首端采用具有短延時(shí)脫扣功能的斷路器。

以上解決方案中，第3 種方案更改末端大功率電動(dòng)機(jī)設(shè)備為多臺(tái)小功率電動(dòng)機(jī)組，并配置具有短延時(shí)脫扣功能斷路器，簡單易行，不額外增加投資，配電線路上不增加電氣設(shè)備，安全可靠，實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)建議優(yōu)先考慮。