淺析TN系統(tǒng)配電線路末端短路靈敏度校驗(yàn)

黃 旭, 李達(dá)志

(國藥集團(tuán)重慶醫(yī)藥設(shè)計(jì)院有限公司, 重慶 400039)

0 引 言

電氣設(shè)計(jì)中通常采用斷路器作為供電回路的保護(hù),其分?jǐn)嗄芰Α⒇?fù)載能力、躲避正常啟動(dòng)電流的能力以及規(guī)范要求的附件配置已被廣泛關(guān)注,而配電線路末端短路靈敏度校驗(yàn)則不太受重視。在設(shè)計(jì)進(jìn)度越來越緊的大環(huán)境下,《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊》(4版)[1]第966頁的表格常被直接套用參照,而該表格數(shù)據(jù)計(jì)算選用的參數(shù)并不是不能改變的,直接套用數(shù)據(jù)有可能造成極大浪費(fèi)。故本文從原理出發(fā),探討了TN系統(tǒng)配電線路末端短路靈敏度校驗(yàn)。

1 短路靈敏度校驗(yàn)的相關(guān)概念

1.1 定義

在發(fā)生短路時(shí)保護(hù)電器必須能夠可靠動(dòng)作,在有可能的最不利點(diǎn)進(jìn)行可靠性驗(yàn)證計(jì)算即是短路靈敏度校驗(yàn)。

通常情況下,對于低壓配電系統(tǒng),單相短路的短路電流最小,最不利點(diǎn)在線路末端,因而需要在配電線路末端進(jìn)行單相接地靈敏度校驗(yàn)。同時(shí),單相接地短路保護(hù)也被稱為接地故障保護(hù)。

1.2 校驗(yàn)相關(guān)要求

GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]和JGJ 16—2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]均有以下要求。

(1) TN系統(tǒng)中配電線路的間接接觸防護(hù)電氣的動(dòng)作特性,應(yīng)符合要求:

ZsIa≤U0

(1)

式中:Zs——接地故障回路的阻抗;

Ia——保證間接接觸保護(hù)電器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)切斷故障回路的動(dòng)作電流;

U0——相導(dǎo)體對地標(biāo)稱電壓。

(2) TN系統(tǒng)中配電線路的間接接觸防護(hù)電器切斷故障回路的時(shí)間,應(yīng)符合下列規(guī)定:配電線路或僅供給固定式電氣設(shè)備用電的末端回路,不宜大于5 s;供給手持式電氣設(shè)備和移動(dòng)式電氣設(shè)備用電的末端線路或插座回路,TN系統(tǒng)的最長切斷時(shí)間不應(yīng)大于TN系統(tǒng)最長切斷時(shí)間。TN系統(tǒng)最長切斷時(shí)間如表1所示。

表1 TN系統(tǒng)最長切斷時(shí)間

根據(jù)式(1)推導(dǎo)可得:

Ia≤U0/Zs

(2)

保護(hù)動(dòng)作電流不大于故障電流時(shí),可滿足接地故障保護(hù)要求。但在計(jì)算時(shí)應(yīng)歸算到電源側(cè),電壓采用變壓器低壓側(cè)電壓,且阻抗采用包含變壓器零序阻抗和系統(tǒng)阻抗在內(nèi)的故障回路所有阻抗。

1.3 故障回路電流的分析

根據(jù)規(guī)范定義,Ia為保證間接接觸保護(hù)電器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)切斷故障回路的動(dòng)作電流,保護(hù)電器既可以是斷路器也可以是熔斷器。當(dāng)保護(hù)電器為斷路器時(shí),瞬時(shí)保護(hù)、短延時(shí)保護(hù)和滿足保護(hù)時(shí)限的長延時(shí)保護(hù),均可以用作間接接觸防護(hù)。

以上分析與GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.2.4條“當(dāng)短路保護(hù)電器為斷路器時(shí),被保護(hù)線路末端的短路電流不應(yīng)小于斷路器瞬時(shí)或短延時(shí)過電流脫扣器整定電流的1.3倍”有一定沖突。根據(jù)短路定義,接地故障保護(hù)也屬于短路保護(hù),應(yīng)滿足上款要求,然而此條款未述及斷路器的長延時(shí)保護(hù),根據(jù)保護(hù)的特性,在能夠忍受的時(shí)間內(nèi)可靠分?jǐn)鄳?yīng)視為有效的保護(hù),在長延時(shí)保護(hù)區(qū)間內(nèi)只要保護(hù)時(shí)限滿足要求,應(yīng)可作為間接接觸防護(hù)。

根據(jù)條文說明,條款中1.3倍為考慮了斷路器制作誤差進(jìn)行的設(shè)定,若斷路器為小型斷路器,計(jì)算時(shí)采用保護(hù)上限,已不存在額外誤差,又或采用電子式脫扣器,制作誤差通常小于20%,若再采用1.3倍,顯然并不合適。故第6.2.4條是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?/p>

2 計(jì)算公式整理

低壓配電系統(tǒng)中,通常采取多級放射式配電,至配電末端往往有多級斷路器保護(hù),進(jìn)行配電線路末端單相接地靈敏度校驗(yàn)時(shí),應(yīng)逐級計(jì)算,每段保護(hù)均應(yīng)能通過校驗(yàn)。

2.1 每段電纜阻抗計(jì)算

(3)

其中1.5為短路發(fā)熱引起的電纜電阻的增大系數(shù);ρ為導(dǎo)體電阻率,常用電纜導(dǎo)體主要為銅和鋁合金,銅為0.017 2 Ω·mm2/m,鋁合金為0.027 9 Ω·mm2/m;k1為電纜電抗補(bǔ)償系數(shù),和導(dǎo)體截面有關(guān),S<120時(shí),k1=1;S=120或150時(shí),k1=0.95;S大于等于185時(shí),k1=0.92;k2為多根電纜并聯(lián)系數(shù),n(電纜并聯(lián)數(shù))=1時(shí),k2=1,n≥2時(shí),k2=4(n-1)/n;S為單根相導(dǎo)體截面;L為電纜長度,考慮電纜在敷設(shè)中的彎曲和旋轉(zhuǎn),應(yīng)為測量長度乘以1.05;m為相導(dǎo)體與PE導(dǎo)體截面之比,采用TN-C系統(tǒng)時(shí),應(yīng)為PEN,具有漏電保護(hù)回路,應(yīng)為N導(dǎo)體。

2.2 預(yù)期單相短路電流

預(yù)期單相短路電流為

(4)

考慮短路點(diǎn)遠(yuǎn)離電源側(cè),電源側(cè)和變壓器阻抗所占比例較小,故電源側(cè)阻抗系數(shù)取0.95;相對地標(biāo)稱電壓U0取變壓器出口電壓230 V;對應(yīng)每一級配電末端單相短路電流的靈敏度校驗(yàn),∑R為前端自變壓器起所有的線纜電阻之和。

2.3 校驗(yàn)合格的判定

Ik>krelkopIset3

(5)

式中:krel——斷路器瞬動(dòng)誤差系數(shù),電磁脫扣器取1.2,電子脫扣器取1.1,小型斷路器取1;

kop——斷路器動(dòng)作系數(shù),三、四極斷路器取1.2,兩極斷路器取1.1,單極斷路器取1;

Iset3——斷路器脫扣電流,為短路脫扣倍數(shù)和斷路器額定電流的乘積。

2.4 短路脫扣倍數(shù)的分析

斷路器用于保護(hù)時(shí),根據(jù)設(shè)計(jì)選型,通常設(shè)置長延時(shí)、短延時(shí)及瞬動(dòng)保護(hù)等保護(hù)。

消防負(fù)荷等重要回路,過載長延時(shí)用于報(bào)警而不直接脫扣,故對于過載不脫扣的配電回路,不能采用長延時(shí)進(jìn)行靈敏度校驗(yàn)。

供給固定電氣設(shè)備的回路,可以采用5 s時(shí)確保動(dòng)作的長延時(shí)脫扣倍數(shù)或倍數(shù)更低的短延時(shí)脫扣倍數(shù)進(jìn)行靈敏度校驗(yàn)。

供給手持式電氣設(shè)備和移動(dòng)式電氣設(shè)備用電的配電回路,為保證切斷時(shí)間要求,也不能采用長延時(shí)進(jìn)行靈敏度校驗(yàn),對于插座回路,斷路器具有漏電保護(hù)功能,單相接地時(shí)會(huì)漏電瞬時(shí)脫扣,故靈敏度校驗(yàn)應(yīng)取相線對N線短路計(jì)算。

對于塑殼斷路器或萬能式斷路器,短路脫扣倍數(shù)選取中間值,通過系數(shù)計(jì)入制作誤差;而對于小型斷路器,短路脫扣倍數(shù)采用上限計(jì)算。

2.5 不能通過校驗(yàn)的調(diào)整方式

根據(jù)判定公式,當(dāng)校驗(yàn)不合格時(shí)可以采取以下4種調(diào)整方式。

(1) 合理調(diào)整斷路器額定電流或減小斷路器脫扣倍數(shù)(需復(fù)核回路啟動(dòng)電流)。

(2) 斷路器調(diào)整為電子脫扣或小型斷路器(需復(fù)核電纜熱穩(wěn)定、斷路器分?jǐn)喽搪冯娏髂芰盎芈穯?dòng)電流)。

(3) 通過移動(dòng)配電箱安裝位置,調(diào)整各段線纜長度。

(4) 增加回路電纜截面。

以上調(diào)整方式從實(shí)現(xiàn)的難度和付出的代價(jià)角度上看依次降低。

3 計(jì)算案例

某廠房設(shè)計(jì)從單體變配電室至樓層總箱,再經(jīng)就地配電箱分配后為末端插座供電。某配電回路元件配置如表2所示。

為方便校驗(yàn)計(jì)算,根據(jù)公式編輯了便于計(jì)算的校驗(yàn)表格。原始數(shù)據(jù)輸入如表3所示。

表2 某配電回路元件配置

表3 原始數(shù)據(jù)輸入表格

第一級配電斷路器型號為NDM3-630,線路末端為下級配電箱,屬于固定電氣設(shè)備。

NDM3-630斷路器時(shí)間-電流特性曲線如圖1所示。

由圖1可見,在動(dòng)作時(shí)間5 s處,脫扣倍數(shù)幾乎仍保持在10倍。

第二級配電斷路器型號為NDM3-125,線路末端為下級配電箱,屬于固定電氣設(shè)備。

NDM3-125斷路器時(shí)間-電流特性曲線如圖2所示。

由圖2可見,在動(dòng)作時(shí)間5 s處,已有明顯下降,中心位置在8倍以下,計(jì)算取8倍。

第三級配電斷路器型號為NDB2LE-63C,線路末端為就地插座,屬于移動(dòng)或手持式設(shè)備,脫扣倍數(shù)取C型脫扣器上限,計(jì)算取10倍。

校驗(yàn)中間數(shù)據(jù)及結(jié)果如表4所示。

圖1 NDM3-630斷路器時(shí)間-電流特性曲線

圖2 NDM3-125斷路器時(shí)間-電流特性曲線

表4 校驗(yàn)中間數(shù)據(jù)及結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果看,最后一級配電末端單相短路時(shí),保護(hù)電器特性不能滿足靈敏度要求。為滿足靈敏度要求,調(diào)整可以有以下幾種方式。

(1) 第三級配電采用帶短延時(shí)保護(hù)的塑殼斷路器,減小短路脫扣倍數(shù)。設(shè)計(jì)中末端配電箱在現(xiàn)場嵌墻安裝,若在其內(nèi)設(shè)置塑殼斷路器,會(huì)增大配電箱厚度,將不再適合嵌入墻體安裝,影響美觀,且增加投資,故不采用此方案。

(2) 調(diào)整就地配電箱位置,重新分配第二和第三級配電的線纜長度。經(jīng)分析,在不改變用電點(diǎn)位置的前提下,并不存在使第二級和第三級配電均能通過校驗(yàn)的線纜長度分配方案。

(3) 減小插座回路斷路器額定電流規(guī)格。經(jīng)核算,插座回路用電設(shè)備功率為2.0 kW,計(jì)算電流為11.4 A。將斷路器額定電流減小為16 A,選用16 A斷路器時(shí),可以通過線路末端單相短路靈敏度校驗(yàn)。

(4) 增大插座回路導(dǎo)線截面。采用ZB-BV-(3×6)同樣可以通過線路末端靈敏度校驗(yàn),但給施工接線帶來困難,且會(huì)增加一定投資。

故最終采用方案3進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整后的計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 調(diào)整后的計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 語

通過對配電線路末端短路靈敏度校驗(yàn)的計(jì)算分析,了解到對于固定用電設(shè)備的單相接地保護(hù)并非如《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊》(4版)所列表格般嚴(yán)格,對于重要用電回路、移動(dòng)和手持設(shè)備回路也不能生搬硬套手冊表格,而是應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)計(jì)算,在不能滿足靈敏度校驗(yàn)時(shí)采用合理且經(jīng)濟(jì)的方式進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,滿足供電可靠性和安全性。