變電所配電線路的線路保護探討

胡可峰

(世源科技工程有限公司，北京 100142)

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變電所配電線路的線路保護探討

0引言

我國是電氣火災多發的國家，進入20世紀90年代后由于用電量增多，電氣火災發生的次數約占火災總數的30%，居于各類火災之首，其中，短路引起的火災超過了電氣火災總數的50%。電氣線路因過熱等原因會導致絕緣水平下降，在外因觸發下，絕緣層容易被擊穿而造成短路。

變電所內低壓配電設計中，在線路末端發生短路故障時，如果斷路器脫扣器的保護整定值設置不當，短路故障電流可能小于脫扣器的短路短延時保護或短路瞬時保護的整定值，此時短路故障電流只能靠脫扣器的過載長延時來斷開，無法及時切除，隨著時間和次數增多，將引起線路絕緣老化，極端情況下短路故障產生的高溫還將引起火災[1]。

1相關規范要求

GB 50054-2011《低壓配電設計規范》(以下簡稱《低規》)3.2.2規定，導體必須滿足載流量[2]、線路保護、動穩定與熱穩定[3-5]、線路壓降[6]、機械強度等方面的要求。本文根據規范要求，主要探討配電線路是否滿足線路保護的要求。

《低規》6.2.4規定，當短路保護電器為斷路器時，被保護線路末端的短路電流不應小于斷路器瞬時或短延時過電流脫扣器整定電流的1.3倍[7]。條文解釋如下：按照現行國家標準GB 14048.2《低壓開關設置和控制設備 第2部分：斷路器》的規定，斷路器的制造誤差為±20%，再加上計算誤差、電網電壓變差等因素，故規定被保護線路末端的短路電流不應小于低壓斷路器瞬時或短延時過電流脫扣器整定電流的1.3倍。

2計算依據

本文計算依據《工業與民用配電設計手冊》(第三版)(以下簡稱《手冊》)第四章“短路電流計算”，以及國家建筑標準設計圖集04DX101-1《建筑電氣常用數據》相關數據及公式。

2.1計算公式

低壓配電線路的末端發生短路故障時，由于短路點離發電機較遠，因此可視為遠端短路[8]。又由于線路末端的單相接地故障電流小于三相短路電流，因此本文選取單相接地故障電流作為校驗依據。

根據《手冊》表4-32《低壓三相和單相接地故障電流計算表》可知：

式中，Id為單相接地故障電流，kA；Un為系統標稱電壓，kV；Rphp為短路電路的相保電阻，mΩ；Xphp為短路電路的相保電抗，mΩ；Zphp為短路電路的相保阻抗，mΩ。

2.1.1系統S的相保阻抗

系統S的相保阻抗可根據《手冊》表4-21《10(6)/0.4kV變壓器高壓側系統短路容量與高壓側阻抗、相保電抗(歸算到400V)的數值關系》進行推導。

推導公式如下：

1)系統阻抗/mΩ

2)系統電抗/mΩ

Xs=0.995Zs

系統電阻/mΩ

Rs=0.1Xs

3)對于D,yn11或Y,yn0連接的變壓器

相保電阻/mΩ

Rphp·s=2Rs/3

相保電抗/mΩ

Xphp·s=2Xs/3

式中，Uav為系統平均電壓，kV。

當變壓器高壓側系統短路容量不同時，變壓器高壓側相保阻抗(折算到400V)計算值如表1所示。

表1　變壓器高壓側相保阻抗(折算到400V)計算值

2.1.2變壓器T的阻抗

實際工程中，當變壓器品牌及型號確定后，可根據《手冊》表4-23《SC(B)9系列10(6)/0.4kV變壓器的阻抗平均值(歸算到400V)側》查詢變壓器的負載損耗，再依據《手冊》表4-2中變壓器的阻抗與負載損耗的關系，推導出變壓器的阻抗值。推導公式如下：

1)變壓器電阻/mΩ

2)變壓器電抗/mΩ

3)變壓器阻抗/mΩ

式中，ΔP為變壓器短路損耗，kW；Srt為變壓器的額定容量，MVA;Ur為額定電壓，kV；uk%為變壓器阻抗電壓百分值。

表2為某品牌10/0.4kV不同容量的變壓器根據負載損耗計算的相保阻抗值與相保電抗值。

表2　相保阻抗值、相保電抗值

2.1.3母線m的阻抗值

不同容量的變壓器，根據變壓器低壓側額定電流對應不同規格的母線。母線載流量可根據國標圖集04DX101-1《建筑電氣常用數據》頁4-3表4.4《變壓器低壓側出線選擇》確定。由于母線的阻抗不僅與母線的集膚效應系數相關，還與母線的平放或豎放以及排列間距相關。因此實際工程中通過查表來計算母線的阻抗[10-11]。本文母線阻抗值根據《手冊》表4-24《低壓母線單位長度阻抗值》來確定。當變壓器容量≤630kVA時，相線間距D為250mm；當變壓器容量>630kVA時，相線間距D為350mm。

母線阻抗值根據《手冊》表4-24《低壓母線單位長度阻抗值》確定，如表3所示。

表3　低壓母線單位長度阻抗值(《手冊》表4-24)

2.1.4配電線路的阻抗值

配電線路的阻抗值根據《手冊》表4-25《線路單位長度阻抗值》來確定。本文所選校驗的配電線路為銅芯交聯聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套電力電纜。電纜的相保電抗按鋼管布線考慮。

電纜單位長度阻抗值可根據《手冊》表4-25《線路單位長度阻抗值》確定，如表4所示[9]。

表4　線路單位長度阻抗值(《手冊》表4-25)

2.2工程實例

某項目變壓器高壓側系統短路容量324MVA，變壓器容量630kVA，電壓等級10/0.4kV,接線方式為D,yn11，阻抗電壓6%。配電柜斷路器脫扣器額定電流分別為40A、100A、160A、200A、250A、315A。對配電線路短路保護靈敏度進行校驗。

2.2.1確定系統S的相保阻抗

系統電阻

Rs=0.1Xs=0.1×0.491=0.049mΩ

系統電抗

Xs=0.995Zs=0.995×0.494=0.491mΩ

相保電阻

相保電抗

2.2.2確定變壓器T的阻抗

本項目某品牌630kVA的變壓器的短路損耗ΔP為5.08kW。

變壓器電阻

變壓器阻抗

=15.238mΩ

變壓器電抗

=15.100mΩ

故變壓器相保電阻Rph·p=2.048mΩ

相保電抗Xph·p=15.100mΩ

2.2.3確定母線m的規格相保阻抗值

根據國標圖集04DX101-1《建筑電氣常用數據》頁4-3可知，當變壓器容量為630kVA，確定銅母線截面面積為3(80×8)+1(63×6.3)=2.3169×103mm2。

考慮到變電所內部配電柜的數量及配電柜寬度的限制，銅母線的長度按8m計算，得出母線的相保電阻Rphpm=0.624mΩ,相保電抗Xphpm=3.056 mΩ。

2.2.4確定不同截面電纜的相保阻抗值

電纜載流量可查詢國標圖集04DX101-1《建筑電氣常用數據》表6-8《YJV、YJLV三芯電力電纜持續載流量(A)》，按環境溫度35℃、雙層橋架敷設的條件進行考慮。根據《手冊》表9-24《敷設在自由空氣中多芯電纜載流量校正系數》可知，校正系數取0.78。

電纜載流量及對應的脫扣器額定電流如表5所示。

表5　電纜載流量及對應的脫扣器額定電流表

單位長度電纜阻抗值根據《手冊》表4-25《線路單位長度阻抗值》確定，如表6所示。

表6　線路單位長度阻抗值(《手冊》表4-25)

2.2.5計算結果匯總

1)短路點總相保電阻/mΩ

2)短路點總相保電抗/mΩ

3)短路點總相保阻抗/mΩ

4)單相接地故障電流/A

根據《低規》6.2.4規定，當短路保護電器為斷路器時，被保護線路末端的短路電流不應小于斷路器瞬時或短延時過電流脫扣器整定電流的1.3倍。

表7為選定電纜長度為100m時，單相接地故障電流及脫扣器最大允許整定倍數。

通過表7可知，為了滿足配電線路整定保護的靈敏度，當脫扣器短路瞬時整定值設定為10倍或10倍以上時，脫扣器必須設置短路短延時保護或者增大配電線路的截面，以保證斷路器脫扣器整定電流值的1.3倍大于線路末端發生短路故障時的電流。

表7　單相接地故障電流及脫扣器最大允許整定倍數

在實際工程中，為了對下級配電箱的整定保護有更好的選擇性，保證下級配電箱的配電線路發生短路故障時不至于引起變電所內的斷路器脫扣器的瞬時脫扣，變電所內的斷路器的瞬時脫扣整定值往往需要大一些[14]。所以線路末端發生短路故障時，短路電流除以1.3后，不應小于脫扣器的短路瞬時整定值。表8為脫扣器短路瞬時整定電流為脫扣器額定電流的10倍時，配電線路的最大允許距離。

表8　配電線路的最大允許距離

通過以上結果可知，當實際電纜長度大于計算得出的最大允許距離時，斷路器脫扣器需設置短路短延時保護或增大配電線路的電纜截面。

4結束語

根據國家相關規范要求，對變電所斷路器脫扣器短路保護的整定值需進行校驗，以滿足配電線路的保護要求。如果斷路器脫扣器的整定值設置不當，線路的短路故障電流無法得到及時切除，隨著故障次數增多，將引起線路老化及絕緣破壞，極端情況下將引起火災。

當斷路器脫扣器短路瞬時整定保護滿足不了配電線路的線路保護要求時，有兩個選擇：(1)斷路器脫扣器增設適當的短路短延時保護。(2)增大配電線路的截面。在實際工程中還需校驗配電線路壓降是否滿足要求，當配電線路的壓降滿足要求時，可選擇有短路短延時保護的脫扣器，并設置適當的短路短延時保護；當配電線路的壓降不滿足要求時，需增大配電線路的截面，然后重新進行線路保護的校驗。

參考文獻

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胡可峰

碩士,工程師,主要研究方向為供配電系統設計。

Discussion on Line Protection of Distribution Line in Substation

Hu Kefeng

胡可峰

(世源科技工程有限公司，北京 100142)

摘要GB 50054-2011《低壓配電設計規范》提出導體需滿足線路保護要求，線路末端短路電流值應滿足斷路器脫扣器的整定保護。根據《工業與民用配電設計手冊》相關資料，推導出了變壓器高壓側系統阻抗和變壓器阻抗的計算，分析了變壓器高壓側系統阻抗、變壓器阻抗、母線阻抗、配電線路的截面及長度對變電所斷路器脫扣器短路保護整定值的影響。

關鍵詞短路短路容量短路阻抗

Abstract‘Code for design of low voltage electrical installations’(GB 50054-2011) requires the conductor meet the requirement of distribution line protection and short-circuit current at the end of line meet the setting protection of circuit breaker tripping device. According to the ‘Industrial and Civil Distribution Design Handbook’ related information, deriving the calculation of the impedance in transformer’s high-voltage side system and transformer’s impedance, analyzing that the impedance of transformer’s high-voltage side system, transformer’s impedance, bus bar impedance, the cross section and the length of distribution line affect on the setting value of substation circuit breaker tripping device.

Keywordsshort circuit, short-circuit capacity, short-circuit impedance

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