關于長距離供電斷路器保護靈敏度的研究

屠奕駿（上海輕工業工程設計研究院有限公司，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荷距離變電所較遠的情況，長距離供電因其故障短路電流較小，容易產生斷路器靈敏度不足的問題，從而使得故障防護失效，危及人身安全。設計人員在設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。筆者以項目實踐為例，分析此類問題在設計中的快速校驗的方法及當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廠房，變電所位于主廠房內。變電所內設置兩臺 1 600 kVA 干式變壓器（Dyn 11，Uk=6%）。低壓配電系統接地型式采用 TN-S 系統。

距離主廠房變電所外 155 m 外，設有一處生活水泵房。其用電負荷為：3 臺 11 kW 生活水泵（兩用一備），一臺 2.2 kW 排風機，泵房照明及插座等負荷用電共計 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，線纜載流量修正系數取 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《工業與民用供電電設計手冊第四版》（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。

由于生活泵房內就地設置生活泵房配電箱，末端負荷與配電箱距離在 5 m 以內，在設計中為了方便計算，近似認為 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

當采用斷路器的瞬時過電流脫扣器做故障防護時，TN系統故障防護電氣動作特性應滿足式（2）。

式中：Iset3—斷路器瞬時脫扣整定電流。

式中：L—被保護配電線路最大允許長度；km

Sph—被保護配電線路相導體截面積，mm2；

SPE—被保護配電線路 PE 導體截面積；

Unom—相導體對地標稱電壓，V；

ρ—導體溫度為 20° 電阻率；

1.5—增大系數；

Id·min—預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，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，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線路最大允許長度表

當線路存在二級及以上，且長度難以忽略不計時，需考慮多級線路應考慮折算系數。根據現有條件，變電所低壓柜內生活水泵房配出回路斷路器參數為 MCCB-160-63A/3P，熱磁脫扣，整定值 In為 63 A，其短路瞬時保護值為 Iset3=10 In=630 A，供電電纜相導體截面積 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，當保持相導體為 16 mm2不變，隨著 Iset3減小，對應最大允許長度逐漸增大。當 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。

根據筆者查閱國內外主流熱磁脫扣斷路器產品，國外一線品牌有 Iset3為 5～10 斷路器型號可供選擇。而國內主流品牌，當殼架電流為 160 A 或 125 A 時，其熱磁脫扣整定值Iset3多為 10 In不可調。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范圍內可調。可見并不是所有熱磁脫扣斷路器可以通過調整 Iset3來滿足靈敏度要求。如繼續想通過調小 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，其值國內外主流品牌多為1～10 In可調。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，在設計中應謹慎選取。

（2）繼續通過觀察表 1 可知，當保持 Iset3不變時，隨著相導體截面積增大，對應最大允許長度也相應增大，當相導體截面積取 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，對經濟性產生了不小影響。并且當截面積為 120 mm2及以上時，通過增加相導體截面來提高靈敏度的收益開始逐漸減小，金屬資源浪費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功能的斷路器可提高故障防護的靈敏度。接地故障保護分為三相不平衡電流保護，及剩余電流保護。三相不平衡電流通過三相導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＋Iv＋Iw，當某一相發生接地故障時，In大大增加，則斷路器動作。而剩余電流保護檢測的是三相電流加中性導體電流的向量和，即IPE＝Iu＋Iv＋Iw＋In，當某一相發生接地故障時，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，剩余電流保護的靈敏度則要更高。隨著科技的進步，國內外主流低壓保護產品，都擁有含接地故障保護功能的電子脫扣斷路器，是一良好的提高靈敏度的手段。

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

4 結 論

通過比對各種提高靈敏度的方案，發現使用帶接地故障保護功能的斷路器適用面廣，是可靠性較高的方法。而增加電纜相導體截面的方案則需觀察其經濟性指標。如遇到放大 3～4 倍以上的截面，或其本身相導體截面過大時，通常因其經濟性較差，不予考慮。同樣，通過調小 整定值的方法，受限于不同產品斷路器本身參數性能的原因，需要根據實際情況進行復核。斷路器加裝 RCD 的方法與利用剩余電流保護為檢測手段的接地故障保護原理相類似，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，都可在末端增設輔助等電位聯結作為補充措施，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 語

本文通過工程實際案例，分析了工業廠我長距離供電導致斷路器靈敏度不滿足的問題及其解決方法。在設計中，對于長距離供電的配電回路，設計及校審人員往往過于關注電壓損失問題，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。