超高層住宅配電的間接接觸保護的有效性探討

曾碧陽

(福建眾合開發(fā)建筑設(shè)計院 福建福州 350001)

超高層住宅配電的間接接觸保護的有效性探討

曾碧陽

(福建眾合開發(fā)建筑設(shè)計院 福建福州 350001)

本文結(jié)合某超高層住宅的配電設(shè)計實例，依據(jù)現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范的要求，探討保證間接接觸保護有效性的充分及必要條件。通過推導(dǎo)計算和資料整理，為工程設(shè)計提供簡明實用的速查表格及簡化公式。

間接接觸；保護導(dǎo)體；阻抗；接地故障

E-mail:349482094@qq.com

間接接觸是人或動物與故障情況下帶電的外露可導(dǎo)電部分的電接觸。在住宅戶內(nèi)，無法對所有用電裝置采取下列間接接觸防護措施，如：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)電場所內(nèi)；設(shè)置不接地的等電位連接等，因此必須采用自動切斷電源的防護措施。超高層住宅配電線路較長，接地故障回路的阻抗較大，如何定量檢驗自動切斷電源的保護有效性是本文關(guān)注的焦點。

1 設(shè)計規(guī)范的有關(guān)規(guī)定及分析

配電線路的間接接觸防護，我們往往只關(guān)注保護電器的動作特性能否滿足《低壓配電設(shè)計規(guī)范》GB50054-2011第5.2.8條要求,詳公式(1)。這是接地故障保護的基本要求，本文的探討就是建立在配電設(shè)計已滿足公式(1)的基礎(chǔ)上。

ZSIa≤U0

(1)

式中Zs——接地故障回路的阻抗(Ω)； Ia——保證間接接觸保護電器在固定時間內(nèi)切斷故障回路的動作電流(A)； U0——相導(dǎo)體對地標稱電壓(V)；

另一條同樣重要的規(guī)定卻往往被忽視。《低壓配電設(shè)計規(guī)范》GB50054-2011第5.2.10條規(guī)定，在TN系統(tǒng)中，當(dāng)配電箱或配電線路同時直接或間接給固定式、手持式和移動式電氣設(shè)備供電時，應(yīng)采取下列措施之一：

a.應(yīng)使配電箱至總等電位聯(lián)結(jié)點之間的一段保護導(dǎo)體的阻抗符合下式的要求：

(2)

式中ZL——配電箱至總等電位聯(lián)結(jié)點之間的一段保護導(dǎo)體的阻抗(Ω)；

b.應(yīng)將配電箱內(nèi)保護導(dǎo)體母排與該局部范圍內(nèi)的裝置外可導(dǎo)電部分做局部等電位聯(lián)結(jié)或按本規(guī)范第5.2.5條的有關(guān)要求做輔助等電位聯(lián)結(jié)。

分析1：住宅戶內(nèi)配電箱，無疑存在同時給固定式、手持式和移動式電氣設(shè)備供電的可能。手持式和移動式電氣設(shè)備我們習(xí)慣上采用帶剩余電流動作保護的插座回路供電，根據(jù)GB50054-2011第5.2.13條，其回路自身的間接接觸電擊防護是最為有效的。關(guān)鍵的問題在于，通常設(shè)計中不帶剩余電流動作保護的照明回路發(fā)生接地故障時(參照本條規(guī)范的條文說明及圖示)，故障電流經(jīng)保護導(dǎo)體返回電源，在配電箱內(nèi)保護導(dǎo)體母排至建筑的總等電位聯(lián)結(jié)點之間的保護導(dǎo)體上產(chǎn)生的故障電壓，通過保護導(dǎo)體的傳導(dǎo)而禍及其他回路。由于固定式電氣設(shè)備切斷故障回路的時間要求為不大于5s，手持式和移動式電氣設(shè)備切斷故障回路的時間要求為不大于0.4s，從而導(dǎo)致后者可能出現(xiàn)長達5s的危險電壓。所以必須確保這個故障電壓值在安全范圍之內(nèi)。

分析2：采用b款規(guī)定的等電位聯(lián)結(jié)是否可行？如果實行等電位聯(lián)結(jié)，那就必須涵蓋所有住宅戶內(nèi)配電箱，所有固定式、手持式和移動式電氣設(shè)備，理論上可行。但實際工程中，住宅戶內(nèi)目前一般只在帶淋浴的衛(wèi)生間等潮濕場所實施局部等電位聯(lián)結(jié)，一般干燥場所考慮經(jīng)濟及管理因素并未實施。這種情況下，根據(jù)公式(2)進行有效性校驗是必要的。

遺憾的是，這樣一條重要的規(guī)定在設(shè)計工作中并沒有得到普遍的執(zhí)行，原因無非在于校驗計算的繁瑣復(fù)雜。下文試簡化之。

2 保護導(dǎo)體阻抗的計算及分析

接地故障回路的阻抗：

(3)

式中Id——接地故障回路的電流(A)。

將(3)式代入(2)式，可得：

(4)

對于需校驗的配電回路，從其保護電器的脫扣特性曲線，可查得動作電流Ia。當(dāng)Id達到Ia值時，回路保護電器必然動作，切斷故障回路，所以Ia必然是Id的最大極限值。對于公式(4)而言，Id取值越大，對ZL的要求只會越嚴格，間接接觸保護的有效性越高。所以對公式(2)的校驗可簡化為公式(5)：

(5)

只要計算出保護導(dǎo)體的阻抗值ZL即可校驗。

2.1 單相接地故障的阻抗分析

低壓網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生單相接地故障時產(chǎn)生的不對稱電流，可以采用對稱分量法[2]分解成對稱電流分量，如(圖1)所示。

圖1 采用對稱分量法分析單相接地故障的不對稱電流

根據(jù)對稱分量法，單相短路電流Id可設(shè)想被分解成正序電流(下標1)、負序電流(下標2)、零序電流(下標0)三個分量，同時在A、B、C、PE四條導(dǎo)線中出現(xiàn)。正序電流、負序電流均大小相等，相位互差120°; 零序電流的大小相等，相位相同。合成的電流分別為：

(6)

式中Zp(0)——單位長度保護導(dǎo)體的零序阻抗(Ω)；

2.2 保護導(dǎo)體的零序阻抗計算

(7)

式中Rp(0)——單位長度保護導(dǎo)體的零序電阻(Ω)； Xp(0)——單位長度保護導(dǎo)體的零序電抗 (Ω)； l——電纜長度(m)。

結(jié)合上節(jié)的對稱分量法分析及低壓配電線路的特點可知：

a)保護導(dǎo)體(下標p)中無正序、負序阻抗，產(chǎn)生壓降的只有零序阻抗，而且是3倍的零序阻抗；

b)保護導(dǎo)體的零序電阻與同截面的相導(dǎo)體正序電阻的計算方法相同；[2]

c)相導(dǎo)體(下標ph)的正序阻抗等于負序阻抗，且約等于零序阻抗；[2]

d)根據(jù)下文(表1)的數(shù)據(jù)可知，小截面導(dǎo)體可以忽略電抗的影響，僅計及電阻。

因此，對于公式(7)的計算，只需計算出保護導(dǎo)體的零序電抗即可。低壓網(wǎng)絡(luò)的相保電抗Xph·p與正序、負序、零序電抗的關(guān)系為[3]：

(8)

則：

(9)

“工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊”第三版表4-25，提供了單位長度配電線路的相線電阻和相線電抗及相保電抗值。結(jié)合以上分析計算，筆者整理了常用多芯銅電纜(導(dǎo)線)的保護導(dǎo)體單位長度零序阻抗速查表(表1)。希望能為日常電氣設(shè)計提供方便。

表1 保護導(dǎo)體單位長度零序阻抗速查表

3 工程實例

某超高層，建筑高度190m，變電所設(shè)置在本幢樓地下室；高壓側(cè)系統(tǒng)短路容量為100MVA；變壓器選用SCB10-800kVA(D,Yn11連接 Uk=6%)；低壓母線采用TMY-4(100x8)+63x6.3；采用TN-S系統(tǒng)，MEB設(shè)在低壓總配電室；住宅最高層為44層，其樓面標高170m。配電線路示意圖詳(圖2)。

圖2 超高層配電線路示意圖

圖中AM為住宅總配電箱之一，設(shè)置在31層；AW為樓層電表箱，設(shè)置在44層；AL為住宅戶內(nèi)配電箱，設(shè)置在44層。各段線路規(guī)格參數(shù)如下：

1)線路1：YJV22-0.6/1kV-4×185+1×95，140m;

2)線路2：YJV22-0.6/1kV-4×70+1×35，60m;

3)線路3：BV-3×10，30m;

4)線路4：BV-3×2.5。該段線路末端長度為20m，因為均布荷載，長度可減半，按10m計算。

3.1 計算ZL

ZL=3Zp(0)=333.6(mΩ)

計算時需要注意，ZL的定義是“配電箱至總等電位聯(lián)結(jié)點之間的一段保護導(dǎo)體的阻抗”，不應(yīng)包括線路4的阻抗。

3.2 計算ZS

根據(jù)“工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊”第三版“表4-30”及“表4-25”，低壓單相接地故障電流的計算過程詳(表2)。

所以，該照明配電回路的間接接觸保護的有效性不滿足要求，必須采取其他輔助措施，如：實施局部等電位聯(lián)結(jié)、實施輔助等電位聯(lián)結(jié)或裝設(shè)剩余電流動作保護等。

表2 單相接地故障電流的計算過程

3.3 簡便計算

住宅戶內(nèi)照明回路，保護開關(guān)為16A的C型微型斷路器，其可靠切斷故障回路的動作電流Ia為額定電流的10倍，即160A。校驗計算如下：

可見，在保護電器的動作特性滿足接地故障保護要求的基礎(chǔ)上，采用本文推薦的簡便計算，可以回避接地故障回路阻抗的復(fù)雜計算，更簡單直觀地判別間接接觸保護的有效性。

4 結(jié)論

當(dāng)配電箱或配電線路同時直接或間接給固定式、手持式和移動式電氣設(shè)備供電時，根據(jù)公式(2)進行校驗計算是保證間接接觸保護有效性的充分且必要條件。根據(jù)本文的簡化推導(dǎo)，根據(jù)公式(6)及(表1)進行校驗計算是簡便易行的。

[1]GB50054-2011，低壓配電設(shè)計規(guī)范[S].

[2]周鴻昌編.工廠供電及例題習(xí)題[M].同濟大學(xué)出版社.

[3]中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院組編.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊(第三版)[M].中國電力出版社.

Discussion on the Indirect Contact Protection Effectiveness of Super High-rise Residential Distribution

ZENGBiyang

(Fujian Zhonghe Development Architectural Design Institute, Fuzhou 350001)

Combining with the example of a super high-rise residential power distribution design, according to the current design requirements,The paper is exploring how to guarant the sufficient and necessary conditions for indirect contact protection effectiveness.Through calculation and data collection,the simplified formula and a concise practical lookup table are provided for engineering design.

Inderect contact; Protective conductor; Impedance; Earth fault

曾碧陽(1973.10- )，男，教授級高級工程師。

2015-06-18

TU852

A

1004-6135(2015)09-0070-03