工業(yè)項(xiàng)目中長距離低壓配電線路的設(shè)計(jì)探討

李穎旭

（中色科技股份有限公司蘇州分公司，江蘇 蘇州 215026）

引言

在工程項(xiàng)目低壓配電設(shè)計(jì)中，一個(gè)核心原則就是需要將變配電站設(shè)置在用電負(fù)荷的中心，使得變配電站至最遠(yuǎn)的用電點(diǎn)距離不至于過長，以保證電壓損失滿足國標(biāo)要求，且保護(hù)電器的短路保護(hù)能夠可靠動作。在工業(yè)項(xiàng)目中，根據(jù)其工藝設(shè)備的布置以及各流程車間的總圖布置，很難保證每一個(gè)用電點(diǎn)都在變配電站的可靠供電半徑內(nèi)，出于經(jīng)濟(jì)性的考慮，也不宜隨意增設(shè)變配電站，這時(shí)就需要根據(jù)實(shí)際情況考慮合適的設(shè)計(jì)方案。

1 電壓偏差和電壓損失

電能在輸送的過程中，由于線路阻抗的存在，線路上會產(chǎn)生電壓降（即電壓損失），導(dǎo)致線路末端的電壓會比電源處的電壓要低。電氣設(shè)備本身均有其工作的額定電壓，我國低壓配電的電壓等級一般為380V，大部分低壓電器的額定工作電壓也為380V。在不采取其他有效措施的情況下，當(dāng)線路長度過長時(shí)，就會造成電氣設(shè)備的供電電壓與其額定工作電壓的差值（此差值與額定工作電壓的比值即為電壓偏差）過大，使得電氣設(shè)備無法正常運(yùn)行。

1.1 電壓偏差的限值

參照現(xiàn)行國家規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，末端負(fù)荷允許的電壓偏差一般為-5%，道路照明或偏遠(yuǎn)場所的照明可適當(dāng)放寬至-10%[2]。

同時(shí)，若某一末端負(fù)荷經(jīng)過了多級配電，其端電壓應(yīng)考慮每一級配電線路上的電壓損失的疊加。

1.2 限制電壓損失的措施

基于電壓損失的產(chǎn)生原因，限制電壓損失的措施有減小供電線路的阻抗和減少供電線路上的電流。

（1）供電線路一般為架空線或電纜，但由于同等輸電能力下，架空線路的阻抗要大于電纜的阻抗，故一般在低壓配電線路中均采用電纜線路。電纜線路的阻抗值與其導(dǎo)體截面積有關(guān)，導(dǎo)體截面積逾小則單位長度的阻抗值逾大，故通過放大電纜導(dǎo)體截面積規(guī)格，可以適當(dāng)?shù)臏p少線路上的電壓損失。

但是放大電纜導(dǎo)體截面并不能完全解決電壓損失的問題，在大多數(shù)工程項(xiàng)目中，低壓配電系統(tǒng)的接地形式為TNC-S或TN-S系統(tǒng)，其供電線路為四芯或五芯電纜，考慮到電纜敷設(shè)和施工便利，一般來說電纜的相導(dǎo)體截面不宜大于240mm2，特別是針對小規(guī)格的配電回路，一味的放大截面也會使電纜與接線端子嚴(yán)重不匹配。

（2）在末端負(fù)荷確定（有功功率恒定）的情況下，要降低供電線路上的電流，僅能通過在線路末端采用無功補(bǔ)償?shù)姆绞剑岣哓?fù)荷功率因數(shù)，從而減小線路電流。但是此種方式有很大的局限性，對于單個(gè)末端負(fù)荷采取就地補(bǔ)償?shù)拇胧黾釉靸r(jià)和占地，且一些負(fù)荷并不具備條件設(shè)置就地補(bǔ)償裝置。

1.3 提升電源電壓

通過調(diào)節(jié)變壓器高壓側(cè)分接頭可以調(diào)節(jié)變壓器的低壓側(cè)輸出電壓，我國10/0.4或20/0.4標(biāo)準(zhǔn)變壓器高壓側(cè)一般為0，±2.5%，±5%五個(gè)接頭，在變壓器高壓側(cè)為額定電壓時(shí)，其對應(yīng)的低壓側(cè)理想輸出電壓如下表：

通過提升變壓器低壓側(cè)輸出電壓雖然無法降低供電線路上的電壓損失，但能提升線路末端電壓即電氣設(shè)備的供電電壓，從而減小電壓偏差。在采取抑制電壓損失的措施后仍無法將電壓偏差限制在可承受范圍內(nèi)時(shí)，可以通過此種措施來嘗試滿足電氣設(shè)備運(yùn)行的需要。

1.4 變壓器的電壓損失

變壓器是實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換的設(shè)備，低壓配電系統(tǒng)中10/0.4或20/0.4變壓器一般為Dyn11接線組別。由于變壓器本身也是一種感性負(fù)荷，在電壓轉(zhuǎn)換的過程中，在變壓器上也會產(chǎn)生電壓損失。

變壓器電壓損失的計(jì)算公式為

其中β：變壓器運(yùn)行的負(fù)荷率，工程上變壓器負(fù)荷率一般不超過85%，取β=0.85；

φ：變壓器所帶負(fù)荷的功率因數(shù)角，取cosφ=0.95；

ua：ua=Pk/SrT（%），SrT為變壓器容量，Pk為變壓器負(fù)載損耗，可從廠家樣本上查取；

ur：ur2=uk2-ua2，uk為變壓器額定阻抗電壓，可從廠家樣本上查取。

干式變壓器相較于油浸變壓器具有安全性高、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在工程中得到更多的采用，同時(shí)出于節(jié)能的考慮，本文計(jì)算以SCB13干式變壓器為基準(zhǔn)進(jìn)行，不同容量變壓器電壓損失的計(jì)算結(jié)果列于下表：

1.5 電壓損失的計(jì)算

對于低壓配電系統(tǒng)，可將變壓器作為供電電源，自變壓器至末端負(fù)荷的電壓損失的計(jì)算如下：

其中△uG：變壓器高壓側(cè)的電壓損失；

e：調(diào)節(jié)變壓器高壓側(cè)分接頭導(dǎo)致的相對于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的電壓提升（%）；

E：消耗在其他電氣元器件上的低壓損失，如母線上、電纜接頭上的電壓損失。根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果，SCB13干式變壓器電壓損失在2%～2.5%，考慮一定工程裕量以及母線、電纜接頭上的電壓損失，可近似考慮△uT+E=3%。

表2 SCB13干式變壓器數(shù)據(jù)及電壓損失

線路電壓損失△ul的計(jì)算公式如下（默認(rèn)三相平衡）：

其中I：線路負(fù)荷的實(shí)際最大電流；

L：線路長度；

Un：標(biāo)稱電壓，即Un =380V；

φl：線路所帶負(fù)荷的功率因數(shù)角；

R’，X’：線路單位長度的電阻和電抗。

線路電纜一般采用YJV-0.6/1.0kV銅芯電纜，同時(shí)工業(yè)項(xiàng)目中不可避免會用到多拼電纜，計(jì)算多拼電纜構(gòu)成的線路壓降時(shí)，可認(rèn)為線路電抗X’保持不變，電阻減小為R’/n（n為多拼電纜的根數(shù)），故根據(jù)公式（3）可計(jì)算出各截面電纜單位線路長度下的單位電流電壓損失百分比，如下表：

2 斷路器短路保護(hù)的靈敏性

在低壓配電系統(tǒng)（TN系統(tǒng)）中，常用的短路保護(hù)元器件有斷路器和熔斷器。由于斷路器維護(hù)便利的特性，國內(nèi)工程中低壓配電系統(tǒng)的短路保護(hù)元器件多采用斷路器。斷路器短路保護(hù)的靈敏性即為當(dāng)斷路器保護(hù)的線路上任一點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，斷路器能夠可靠動作，以切斷線路電源。

表3 YJV-0.6/1.0kV電纜線路的電壓損失[%/（A*km）]

2.1 基于單相接地故障保護(hù)靈敏性的供電半徑

短路的類型有（1）三相短路（2）兩相短路（3）兩相接地短路（4）單相接地短路。一般來說在低壓網(wǎng)絡(luò)中，三相短路電流最大，而單相接地短路最小[1]。故應(yīng)采用單相接地短路電流作為校驗(yàn)斷路器保護(hù)靈敏性的依據(jù)。

以單相接地短路電流校驗(yàn)保護(hù)靈敏性時(shí)，采用斷路器保護(hù)（TN系統(tǒng)）的供電電纜的最大允許長度的詳細(xì)計(jì)算與結(jié)果表格，電氣相關(guān)手冊及國家圖集中多有列出，本文不再贅述。

2.2 提高短路保護(hù)靈敏性的措施

如本文前文所述，工業(yè)項(xiàng)目中難免遇到線路長度過長的情況，此時(shí)如發(fā)生短路，保護(hù)該線路的斷路器可能不會及時(shí)動作。此時(shí)就需要采取一些措施來保證短路時(shí)線路的可靠切斷。

2.2.1 放大電纜截面

放大電纜截面能夠有效降低線路阻抗，從而提高線路上的短路電流值，確保保護(hù)動作的靈敏性。這也是保障保護(hù)靈敏性的最常用手段。

2.2.2 采用帶短延時(shí)脫扣功能的斷路器

低壓斷路器分為微型斷路器（MCB）、塑殼斷路器（MCCB）以及框架斷路器（ACB）。受斷路器分?jǐn)嗄芰Φ南拗疲儔浩鞫蝹?cè)低壓配電柜中一般以塑殼斷路器（MCCB）和框架斷路器（ACB）為主。

ACB標(biāo)配三段式保護(hù)電子脫扣器（LSI，長延時(shí)動作、短延時(shí)動作、瞬時(shí)動作），短延時(shí)動作整定電流值通常僅為瞬時(shí)動作整定電流值的1/2左右，當(dāng)瞬動脫扣器難以可靠動作時(shí)，可利用短延時(shí)動作脫扣器來保障保護(hù)動作的靈敏性。

出于經(jīng)濟(jì)性考慮，MCCB通常采用熱磁脫扣器，其為二段式保護(hù)（LI），不具備短延時(shí)動作的功能。當(dāng)瞬時(shí)動作不可靠時(shí)，需要單獨(dú)配置三段式保護(hù)電子脫扣器的MCCB。

2.2.3 采用熔斷器作為線路保護(hù)電器

熔斷器的保護(hù)特性曲線實(shí)際上更為契合短路保護(hù)的需求，但是由于熔斷器動作后需要重新更換熔芯（絲），在國內(nèi)一直未得到大范圍推廣。當(dāng)斷路器保護(hù)靈敏性難以保證時(shí)，可考慮采用熔斷器作為線路的保護(hù)電器。

需要注意的是，僅考慮短路保護(hù)靈敏性的情況下，采用熔斷器保護(hù)也僅僅是比采用斷路器保護(hù)時(shí)的供電半徑要大，并不能無限制增加供電距離。熔斷器的保護(hù)是反時(shí)限特性，當(dāng)短路電流過小而熔斷器的動作時(shí)間超過規(guī)定動作時(shí)限（對于固定式電氣設(shè)備，應(yīng)≤5s；對于移動式設(shè)備，應(yīng)≤0.4s）時(shí)，采用熔斷器保護(hù)同樣不能保證線路故障時(shí)的可靠動作，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)負(fù)荷性質(zhì)和熔斷器的保護(hù)特性曲線確定是否可以選擇采用熔斷器。

2.2.4 加設(shè)接地故障保護(hù)

大多數(shù)情況下，采用2.2.1～2.2.3節(jié)的措施可以滿足保護(hù)靈敏性的要求。但是如果在采用了該三種措施后，仍無法保障短路時(shí)的可靠動作，這時(shí)就需要考慮加設(shè)接地故障保護(hù)。

現(xiàn)國內(nèi)工程中常用的接地故障保護(hù)的方式有兩種：（1）加裝RCD （2）選用具有接地故障保護(hù)功能的四段式（LSIG）電子脫扣器的斷路器。

剩余電流保護(hù)裝置（RCD）是通過一個(gè)零序電流互感器測得三相電流加中性導(dǎo)體電流的向量和，正常情況下在三相平衡線路中該向量和應(yīng)等于零，當(dāng)該矢量和大于設(shè)定值時(shí)，RCD將會動作，切斷線路的電源供應(yīng)。

而斷路器的接地故障保護(hù)功能則是通過在斷路器后安裝電流互感器，將電流互感器測得的電流值以矢量方式相加，測得不平衡電流或剩余電流（一部分廠家是在三根相導(dǎo)體上共安裝3個(gè)電流互感器，另一部分廠家是在三根相導(dǎo)體以及中性導(dǎo)體上共安裝4個(gè)電流互感器），當(dāng)測得的電流超過脫扣器整定電流時(shí)，脫扣器即會動作。

以上兩種方式原理近乎相同，只是測量方式有所區(qū)別。相比較而言，RCD的設(shè)定值相對較低，一般僅有30～500mA，故RCD不適用于三相不平衡線路。同時(shí)為了避免誤動作，采用RCD作為接地故障保護(hù)的手段時(shí)，應(yīng)盡量調(diào)大動作定值。

根據(jù)該兩種方式的動作原理，不難得出，當(dāng)線路中發(fā)生兩相短路、兩相接地短路或單相接地短路時(shí)，不論是三相線電流的矢量和還是三相線及中性線電流的矢量和均不為零，均能使得線路能夠及時(shí)被切斷。而當(dāng)線路中發(fā)生三相短路時(shí)，則不會引起RCD或電子脫扣器接地故障保護(hù)的動作。故在采用了本節(jié)所列措施時(shí)，仍需確保三相短路電流能夠使得斷路器的瞬動脫扣器或短延時(shí)動作脫扣器能夠可靠動作。

2.3 基于三相短路保護(hù)靈敏性的供電半徑

2.3.1 三相短路電流的計(jì)算（IEC法）

低壓網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生短路，可認(rèn)為是遠(yuǎn)端短路，其三相短路電流的計(jì)算公式為：

其中c：電壓系數(shù)，用于靈敏性校驗(yàn)時(shí)，c=0.95；

RQ，XQ：系統(tǒng)三相短路電阻，電抗。低壓網(wǎng)絡(luò)中由于變壓器容量遠(yuǎn)小于網(wǎng)絡(luò)容量，故近似取系統(tǒng)容量無限大，即RQ=XQ=0；

RT，XT：變壓器的三相短路電阻，電抗；

RL，XL：線路的三相短路電阻，電抗。

2.3.2 變壓器的短路阻抗

對于10/0.4kV或20/0.4kV標(biāo)準(zhǔn)變壓器，其短路阻抗的相關(guān)計(jì)算公式如下：

其中KT為變壓器的阻抗校正系數(shù)，利用表2的SCB13干式變壓器數(shù)據(jù)，各容量變壓器阻抗參數(shù)如下表：

2.3.3 基于三相短路保護(hù)靈敏性的供電半徑計(jì)算

根據(jù)公式（4），計(jì)算得來的三相短路電流需大于斷路器瞬動整定值或短延時(shí)動作整定值的1.3倍，反推線路電纜的最大允許長度，計(jì)算結(jié)果如下：

表4 SCB13干式變壓器阻抗參數(shù)

表5 800kVA、1000kVA干式變壓器電纜的最大允許長度（m）（三相短路保護(hù)）

表6 1250kVA、1600kVA干式變壓器電纜的最大允許長度（m）（三相短路保護(hù)）

表7 2000kVA、2500kVA干式變壓器電纜的最大允許長度（m）（三相短路保護(hù)）

3 結(jié)語

綜上所述，長距離低壓配電線路的設(shè)計(jì)需要同時(shí)滿足電壓損失和斷路器保護(hù)靈敏性的要求，以確保用電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，以及發(fā)生故障時(shí)能夠及時(shí)作出反應(yīng)，避免引起更大的財(cái)物損失甚至是人員傷亡。