故障防護(hù)的五組連續(xù)不等式解析

楊新軍, 焦建雷

(1.秦皇島市建筑設(shè)計(jì)院有限公司, 河北 秦皇島 066000;2.北京興電國(guó)際工程管理有限公司, 北京 100048)

0 引 言

電擊防護(hù)是涉及人身安全的防護(hù),可分為基本防護(hù)、故障防護(hù)[1-2]及附加防護(hù)。自動(dòng)切斷電源是最常用的故障防護(hù)措施。故障防護(hù)也稱間接接觸防護(hù)[3]、接地故障保護(hù)[4]。本文采用IEC 60364中提及的術(shù)語——故障防護(hù)。自動(dòng)切斷電源的故障防護(hù)措施,采用過電流保護(hù)兼做故障防護(hù)、剩余電流動(dòng)作保護(hù)、三相不平衡電流保護(hù)(零序電流保護(hù))[5]。過電流保護(hù)采用瞬時(shí)脫扣器和短延時(shí)脫扣器,而不采用過載脫扣器。本文主要解析TN系統(tǒng)的故障防護(hù)的五組連續(xù)不等式應(yīng)用條件。

1 設(shè)置故障防護(hù)的要求

文獻(xiàn)[3]第5.2.1條指出,對(duì)于未采用下列間接接觸防護(hù)措施者(采用Ⅱ類設(shè)備;采取電氣分隔措施;采用特低電壓供電;將電氣設(shè)備安裝在非導(dǎo)電場(chǎng)所內(nèi);設(shè)置不接地的等電位聯(lián)結(jié)),應(yīng)采用自動(dòng)切斷電源防護(hù)措施。文獻(xiàn)[4]第4.3.8條表明交流電動(dòng)機(jī)應(yīng)裝設(shè)短路保護(hù)和接地故障保護(hù)。第4.5.1條表明照明配電終端回路應(yīng)設(shè)短路保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)和接地故障保護(hù)。文獻(xiàn)[6]第2.3.1條表明交流電動(dòng)機(jī)應(yīng)裝設(shè)短路保護(hù)和接地故障的保護(hù)。

2 采用瞬時(shí)過電流脫扣器兼做故障防護(hù)

采用瞬時(shí)過電流脫扣器兼作故障防護(hù)應(yīng)滿足下列連續(xù)不等式:

(1)

式中:I′STM1——線路中最大一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的全起動(dòng)電流,對(duì)于籠型電動(dòng)機(jī),可取其起動(dòng)電流ISTM1的2～2.5倍,本文取2倍;

IC(n-1)——除起動(dòng)電流最大一臺(tái)電動(dòng)機(jī)以外的線路計(jì)算電流;

Iset3——瞬時(shí)過電流脫扣器的整定電流;

IK1——單相接地故障電流。

小容量遠(yuǎn)距離電動(dòng)機(jī)單相接地故障電流IK1小,不易滿足靈敏度要求。大容量電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流大,造成瞬時(shí)過電流脫扣器的整定電流Iset3大,也不易滿足靈敏度要求。上述兩種情況采用瞬時(shí)脫扣器兼作故障防護(hù),不易滿足式(1)要求。

可靠系數(shù)取1.3是源自文獻(xiàn)[3]中第6.2.4條規(guī)定?？紤]以下因素:斷路器動(dòng)作誤差±20%[1],電網(wǎng)電壓偏差-10%,計(jì)算誤差等因素可能造成短路防護(hù)拒動(dòng)作[7-8]。

文獻(xiàn)[3]第6.2.4條條文說明中斷路器的制造誤差為±20%,這是基于文獻(xiàn)[9]中第8.3.3.2.2條規(guī)定。而依據(jù)文獻(xiàn)[10]第8.6.1條規(guī)定,微型斷路器B型脫扣器5In時(shí)、C型脫扣器10In時(shí)、D型脫扣器20In時(shí),在0.1 s內(nèi)必定脫扣,無須再考慮1.3倍系數(shù)。

取可靠系數(shù)1.3已經(jīng)考慮到斷路器的制造誤差,靈敏度校驗(yàn)無須再考慮制造誤差產(chǎn)生的瞬動(dòng)電流+20%的誤差,即按照Iset3=(10～20、14)×(1+20%)In取值是錯(cuò)誤的[11]。

利用長(zhǎng)延時(shí)脫扣器作為故障防護(hù)只是個(gè)別型號(hào)能夠滿足切斷時(shí)間的要求,不具有普遍性。

電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)全起動(dòng)電流(有效值)I′STM1=(8.49～9.89)IrM。電動(dòng)機(jī)Y-△起動(dòng)繞組Y連接全起動(dòng)電流(有效值)I′STM1=2.83IrM,繞組切換過程二次沖擊電流I′STM1=13.44IrM[12]。瞬時(shí)過電流脫扣器的整定電流宜為Iset3=(10～20、14)In。

3 采用短延時(shí)過電流脫扣器兼做故障防護(hù)

采用短延時(shí)過電流脫扣器兼作故障防護(hù)應(yīng)滿足下列連續(xù)不等式:

(2)

式中:Iset2——短延時(shí)過電流脫扣器的整定電流。

I′STM1為線路中最大一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)瞬時(shí)10 ms內(nèi)全起動(dòng)電流,包括周期分量和非周期分量。ISTM1為線路中最大一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)階段2～30 s內(nèi)起動(dòng)電流,其中輕載起動(dòng)時(shí)間小于4 s,一般負(fù)載起動(dòng)時(shí)間為4～10 s,重載起動(dòng)時(shí)間為10～30 s,僅含周期分量不考慮非周期分量。

ISTM1=(6～7)IrM,Iset2=(1.5～10)Iset1,同一斷路器短延時(shí)過電流脫扣器小于瞬時(shí)過電流脫扣器整定電流,故障防護(hù)靈敏度更容易滿足。

短延時(shí)過電流脫扣器兼作終端設(shè)備故障防護(hù)時(shí),短延時(shí)時(shí)間tsd不大于0.2 s,滿足文獻(xiàn)[1]中最長(zhǎng)的切斷時(shí)間要求。但是終端斷路器采用選擇性斷路器,配電系統(tǒng)級(jí)間選擇性就不易滿足。

4 采用三相不平衡電流保護(hù)作故障防護(hù)

采用三相不平衡電流保護(hù)作故障防護(hù)應(yīng)滿足下列連續(xù)不等式:

(3)

式中:IN——三相不平衡電流;

Iset0——三相不平衡電流保護(hù)整定值。

IN通常不超過計(jì)算電流IC的20%～25%,三相不平衡電流保護(hù)整定值Iset0以斷路器長(zhǎng)延時(shí)脫扣器Iset1的50%～60%計(jì)算,即Iset0=0.5Iset1,IN=(0.2-0.25)IC,IC≤Iset1[5]。

式(3)中可靠系數(shù)取值1.3,基于文獻(xiàn)[13]第T5.5條,電流不平衡度大于120%時(shí)開關(guān)電器斷開,并考慮到三相不平衡電流脫扣器制造會(huì)產(chǎn)生+20%誤差。

5 采用剩余電流保護(hù)作故障防護(hù)

采用剩余電流保護(hù)作故障防護(hù)應(yīng)滿足下列連續(xù)不等式:

(4)

式中:IL——線路和設(shè)備對(duì)地泄漏電流;

IΔn——剩余電流動(dòng)作保護(hù)器(RCD)額定剩余動(dòng)作電流;

IΔn0——額定剩余不動(dòng)作電流,IΔn0=0.5IΔn。

表1 斷路器保護(hù)級(jí)間配合

6 斷路器級(jí)間配合

斷路器保護(hù)級(jí)間配合如表1所示。上級(jí)、下級(jí)斷路器的使用類別4種組合里,除下級(jí)選擇性斷路器與上級(jí)非選擇性斷路器不合理外,剩余3種都要滿足表1中的瞬時(shí)脫扣整定電流或短延時(shí)脫扣整定電流,即上、下級(jí)斷路器瞬時(shí)脫扣器或短延時(shí)脫扣器之間1.3倍級(jí)差;上級(jí)斷路器瞬時(shí)脫扣器或短延時(shí)脫扣器小于保護(hù)線路末端單相短路電流的1.3倍。

7 工程實(shí)例

以某住宅小區(qū)為例進(jìn)行計(jì)算,該工程由14棟高層住宅、28棟洋房、商業(yè)用房、物業(yè)用房、幼兒園組成,總建筑面積約為44.5萬m2。其中,三號(hào)樓屋頂?shù)恼龎核惋L(fēng)機(jī)距離變電所最遠(yuǎn),末端單相接地短路時(shí),其短路電流最小,靈敏度最不容易滿足。三號(hào)樓屋頂?shù)恼龎核惋L(fēng)機(jī)配電系統(tǒng)圖如圖1所示。三號(hào)樓單相接地故障電流計(jì)算電路圖如圖2所示。三號(hào)樓單相接地故障電流計(jì)算表如表2所示。

圖1 三號(hào)樓屋頂?shù)恼龎核惋L(fēng)機(jī)配電系統(tǒng)圖

圖2 三號(hào)樓單相接地故障電流計(jì)算電路圖

表2 三號(hào)樓單相接地故障電流計(jì)算表

(1) 斷路器QF4的主要參數(shù)選擇。

① 計(jì)算電動(dòng)機(jī)額定電流:IrM=12.2 A,消防設(shè)備長(zhǎng)延時(shí)脫扣器按1.5倍整定1.5×12.2=18.3 A[15],選擇斷路器額定電流In=20 A,Iset1=In=20 A,長(zhǎng)延時(shí)脫扣器僅報(bào)警不脫扣。

② 查詢電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流/額定電流倍數(shù):ISTM1/IrM=6.5,起動(dòng)電流ISTM1=79.3 A。

③ 電動(dòng)機(jī)全起動(dòng)電流(有效值)I′STM1=112.1 A。

④ 校驗(yàn)斷路器瞬時(shí)脫扣器兼作故障保護(hù)靈敏度:瞬時(shí)脫扣器整定電流Iset3=200 A,按式(1)校驗(yàn),采用瞬時(shí)過電流脫扣器兼做故障防護(hù)不滿足要求。提高單相接地短路電流值,可以加大線路相線、保護(hù)線截面,本文不再討論此做法。

⑤ 校驗(yàn)斷路器短延時(shí)脫扣器兼作故障保護(hù)靈敏度:短延時(shí)時(shí)脫扣器整定電流Iset2=100 A,其中Iset2=1.5～10In可調(diào),按式(2)校驗(yàn),采用短延時(shí)過電流脫扣器兼做故障防護(hù)能滿足要求,但不易滿足選擇性要求,不建議采用短延時(shí)過電流脫扣器兼作故障防護(hù)。

⑥ 校驗(yàn)三相不平衡電流保護(hù)做故障保護(hù)靈敏度:三相不平衡電流保護(hù)整定值Iset0=9 A,IN=2.44 A,按式(3)校驗(yàn),可以采用三相不平衡電流保護(hù)作為故障保護(hù)。

⑦ 由于消防負(fù)荷不應(yīng)采用剩余電流動(dòng)作保護(hù),因此該正壓送風(fēng)機(jī)不應(yīng)采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)作故障保護(hù)。

(2) 選擇性校驗(yàn)。

斷路器QF3與斷路器QF4為放射回路首端和末端保護(hù)電器,參數(shù)可以選擇一致Iset3=200 A。

(3) 解決措施。

配電系統(tǒng)中線路L1和線路L2超出斷路器QF1和QF2瞬時(shí)過電流保護(hù)兼做故障防護(hù)的允許長(zhǎng)度。修改后的單相接地故障電流計(jì)算電路圖如圖3所示。

線路L1之Iset3=1 000 A,查文獻(xiàn)[7]表5.4-7得允許長(zhǎng)度為193 m,設(shè)計(jì)長(zhǎng)度150 m,符合要求。

采用文獻(xiàn)[7]“等效折算系數(shù)法”校驗(yàn)線路L2發(fā)生單相接地故障時(shí)的靈敏度。查文獻(xiàn)[7]中表5.4-12可得L1折算系數(shù)K1=0.15,則等效長(zhǎng)度L=120.5 m,再按L2之Iset3=200 A,查文獻(xiàn)[7]表5.4-7得允許長(zhǎng)度為147 m,符合要求。

校驗(yàn)線路L3發(fā)生單相接地故障時(shí)靈敏度,L1折算系數(shù)K1=0.09,L2折算系數(shù)K1=0.41,則等效長(zhǎng)度L=55.68 m,再按L3之Iset3=200 A,查文獻(xiàn)[7]表5.4-7得允許長(zhǎng)度為59 m,符合要求。

8 結(jié) 語

人身電擊防護(hù)和配電線路保護(hù)同等重要,不能顧此失彼。在規(guī)定時(shí)間內(nèi)快速切除故障電流保護(hù)人身安全,需要滿足故障防護(hù)靈敏度要求,可以采取降低保護(hù)電器故障時(shí)脫扣電流的措施,還可以采取提高接地故障電流值的措施,不同措施取舍還應(yīng)兼顧經(jīng)濟(jì)性操作性。