關(guān)于長距離供電斷路器保護(hù)靈敏度的研究

屠奕駿（上海輕工業(yè)工程設(shè)計研究院有限公司，上海 200023）

由于工廠園我類項目單體較多，存在個別單體用電負(fù)荷距離變電所較遠(yuǎn)的情況，長距離供電因其故障短路電流較小，容易產(chǎn)生斷路器靈敏度不足的問題，從而使得故障防護(hù)失效，危及人身安全。設(shè)計人員在設(shè)計中往往十分注重電壓損失校驗，而靈敏度因其校驗步驟繁瑣往往被忽視。任元會先生曾在《低壓配電設(shè)計解析》（以下簡稱《解析》）一書中化繁為簡，提供了快速校驗方法。筆者以項目實(shí)踐為例，分析此類問題在設(shè)計中的快速校驗的方法及當(dāng)靈敏度不能滿足要求時的解決方案。

1 工程概況簡述

本項目為某汽車生產(chǎn)廠房，變電所位于主廠房內(nèi)。變電所內(nèi)設(shè)置兩臺 1 600 kVA 干式變壓器（Dyn 11，Uk=6%）。低壓配電系統(tǒng)接地型式采用 TN-S 系統(tǒng)。

距離主廠房變電所外 155 m 外，設(shè)有一處生活水泵房。其用電負(fù)荷為：3 臺 11 kW 生活水泵（兩用一備），一臺 2.2 kW 排風(fēng)機(jī)，泵房照明及插座等負(fù)荷用電共計 0.8 kW，總計 Pj=25 kW，Ij=47 A。

變電所低壓柜配出回路斷路器參數(shù)為 MCCB-160-63A/3P，脫扣方式為熱磁脫扣。供電電纜相截面積為 16 mm2。以埋地穿管方式由主廠房變電所低壓柜引入泵房動力箱內(nèi)，線纜載流量修正系數(shù)取 0.7。

2 電壓損失及靈敏度的校驗

2.1 電壓損失的校驗

根據(jù)《工業(yè)與民用供電電設(shè)計手冊第四版》（以下簡稱《配四》）電壓降計算公式校驗線路電壓損失，計算公式見式（1）。

l—線路長度，km；

P—有功功率，kW。

由于生活泵房內(nèi)就地設(shè)置生活泵房配電箱，末端負(fù)荷與配電箱距離在 5 m 以內(nèi)，在設(shè)計中為了方便計算，近似認(rèn)為 為 160 m。供電電纜相截面積為 16 mm2，查《配四》表9.4-19 得其電阻=1.248 Ω/km，感抗= 0.102 Ω/km，代入式（1）計算得 ?u%=3.669%＜5%，故電壓損失滿足要求。

2.2 斷路器靈敏度的校驗

當(dāng)采用斷路器的瞬時過電流脫扣器做故障防護(hù)時，TN系統(tǒng)故障防護(hù)電氣動作特性應(yīng)滿足式（2）。

式中：Iset3—斷路器瞬時脫扣整定電流。

式中：L—被保護(hù)配電線路最大允許長度；km

Sph—被保護(hù)配電線路相導(dǎo)體截面積，mm2；

SPE—被保護(hù)配電線路 PE 導(dǎo)體截面積；

Unom—相導(dǎo)體對地標(biāo)稱電壓，V；

ρ—導(dǎo)體溫度為 20° 電阻率；

1.5—增大系數(shù)；

Id·min—預(yù)期接地故障電流最小允許值，1.3 Iset3；

K—忽略線路電抗時的校正系數(shù)，Sph≤ 95 mm2取1， 為 Sph為 120 mm2和 150 mm2取 0.96，Sph≥185 mm2取 0.92；

KS—忽略電源阻抗時的校正系數(shù)，取 0.8～1.0。通過計算整理，得出采用斷路器瞬時脫扣作為故障防護(hù)線路最大允許長度表，見表 1。

表1 采用斷路器瞬時脫扣作為故障防護(hù)線路最大允許長度表

當(dāng)線路存在二級及以上，且長度難以忽略不計時，需考慮多級線路應(yīng)考慮折算系數(shù)。根據(jù)現(xiàn)有條件，變電所低壓柜內(nèi)生活水泵房配出回路斷路器參數(shù)為 MCCB-160-63A/3P，熱磁脫扣，整定值 In為 63 A，其短路瞬時保護(hù)值為 Iset3=10 In=630 A，供電電纜相導(dǎo)體截面積 16 mm2。查表1得，最大允許長度為 94 m，94＜160 m，故不滿足靈敏度要求。

3 提高靈敏度方案

（1）通過觀察表 1 可知，當(dāng)保持相導(dǎo)體為 16 mm2不變，隨著 Iset3減小，對應(yīng)最大允許長度逐漸增大。當(dāng) Iset3為 320 A，即 Iset3≈5 In時，線路最大允許長度為 188 m＞160 m，即可滿足靈敏要求。

根據(jù)筆者查閱國內(nèi)外主流熱磁脫扣斷路器產(chǎn)品，國外一線品牌有 Iset3為 5～10 斷路器型號可供選擇。而國內(nèi)主流品牌，當(dāng)殼架電流為 160 A 或 125 A 時，其熱磁脫扣整定值Iset3多為 10 In不可調(diào)。殼架電流為 250 A 以上的斷路器，其熱磁脫扣整定值 Iset3為 5～10 In范圍內(nèi)可調(diào)。可見并不是所有熱磁脫扣斷路器可以通過調(diào)整 Iset3來滿足靈敏度要求。如繼續(xù)想通過調(diào)小 來滿足靈敏度要求，可將熱磁脫扣斷路器更換為電子式脫扣斷路器，其值國內(nèi)外主流品牌多為1～10 In可調(diào)。但是，如果為了滿足靈敏度而一味的減小整定值，使得整定值過小，將會大大增加配電回路誤動作的可能性，在設(shè)計中應(yīng)謹(jǐn)慎選取。

（2）繼續(xù)通過觀察表 1 可知，當(dāng)保持 Iset3不變時，隨著相導(dǎo)體截面積增大，對應(yīng)最大允許長度也相應(yīng)增大，當(dāng)相導(dǎo)體截面積取 70 mm2時，線路最大允許長度為 218 m＞160 m，滿足靈敏要求。可見增加截面長度可以提高斷路器靈敏度。但電纜截面積從原 16 mm2增加到 70 mm2，對經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生了不小影響。并且當(dāng)截面積為 120 mm2及以上時，通過增加相導(dǎo)體截面來提高靈敏度的收益開始逐漸減小，金屬資源浪費(fèi)及施工困難等問題開始凸顯，非首選方案。

（3）使用帶接地故障保護(hù)功能的斷路器可提高故障防護(hù)的靈敏度。接地故障保護(hù)分為三相不平衡電流保護(hù)，及剩余電流保護(hù)。三相不平衡電流通過三相導(dǎo)體上安裝的電流互感器，取二次電流向量和乘以變比，即 In＝Iu＋I(xiàn)v＋I(xiàn)w，當(dāng)某一相發(fā)生接地故障時，In大大增加，則斷路器動作。而剩余電流保護(hù)檢測的是三相電流加中性導(dǎo)體電流的向量和，即IPE＝Iu＋I(xiàn)v＋I(xiàn)w＋I(xiàn)n，當(dāng)某一相發(fā)生接地故障時，向量和不為0，則斷路器動作。顯然，三相不平衡電流當(dāng)處于諧波電流較大的線路中，會因諧波電流造成誤動作，剩余電流保護(hù)的靈敏度則要更高。隨著科技的進(jìn)步，國內(nèi)外主流低壓保護(hù)產(chǎn)品，都擁有含接地故障保護(hù)功能的電子脫扣斷路器，是一良好的提高靈敏度的手段。

（4）通過接地故障保護(hù)的原理可知，普通斷路器增加剩余電流保護(hù) RCD 做為故障防護(hù)時，也可達(dá)到同等效果，多適用于二級配電箱的進(jìn)行斷路器。但不適用于消防負(fù)荷回路，因消防回路為保證火災(zāi)時運(yùn)行的可靠性，不得裝設(shè)剩余電流保護(hù)。對于消防負(fù)荷回路可采取使用帶接地故障保護(hù)功能的斷路器，關(guān)閉過載跳閘功能，并將接地故障保護(hù)功能選擇只報警不跳閘。為了同時滿足人身安全，在其末端設(shè)置輔助等電位聯(lián)結(jié)，使故障接觸電壓減低至 50 V 以下。值得注意的時，設(shè)置輔助等電位聯(lián)結(jié)適用于任何負(fù)荷的情況下，即配電回路已通過其他手段滿足了靈敏度，也可在末端設(shè)置輔助等電位聯(lián)結(jié)作為補(bǔ)充措施保障人身安全。

4 結(jié) 論

通過比對各種提高靈敏度的方案，發(fā)現(xiàn)使用帶接地故障保護(hù)功能的斷路器適用面廣，是可靠性較高的方法。而增加電纜相導(dǎo)體截面的方案則需觀察其經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。如遇到放大 3～4 倍以上的截面，或其本身相導(dǎo)體截面過大時，通常因其經(jīng)濟(jì)性較差，不予考慮。同樣，通過調(diào)小 整定值的方法，受限于不同產(chǎn)品斷路器本身參數(shù)性能的原因，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行復(fù)核。斷路器加裝 RCD 的方法與利用剩余電流保護(hù)為檢測手段的接地故障保護(hù)原理相類似，適用于二級配電的回路，但無法適用于消防回路。無論對于采取何種提高靈敏度手段的方法，都可在末端增設(shè)輔助等電位聯(lián)結(jié)作為補(bǔ)充措施，降低故障接觸電壓減低至 50 V 以下，以此來保障人身安全。

5 結(jié) 語

本文通過工程實(shí)際案例，分析了工業(yè)廠我長距離供電導(dǎo)致斷路器靈敏度不滿足的問題及其解決方法。在設(shè)計中，對于長距離供電的配電回路，設(shè)計及校審人員往往過于關(guān)注電壓損失問題，而忽視了靈敏度的校驗，為日后使用埋下了安全隱患，值得引起重視。