市政電氣設計中與電纜相關的兩個問題探討

劉毅斌（湖南省建筑設計院，湖南　長沙　410000）

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市政電氣設計中與電纜相關的兩個問題探討

劉毅斌（湖南省建筑設計院，湖南長沙410000）

分析現有市政給排水（給水廠，污水廠）設計中，與電纜敷設距離較長的引發的兩個問題，并討論和指出解決對策。

TN系統；相地短路；電壓降

1　前言

近年來，隨著城市化進程的加速，國家新建，改擴建了大量的城市給水，污水廠。在市政工程本身的特殊條件和部分地區電力部門的政策，以及國家節能減排的需求等因素限制下，一些處理規模較小的新建項目和一些條件有限制的改擴建項目中，不可能像其他工廠配電設計一樣大量設置車間變電所（含變壓器）。加之廠區的面積都比較大，因此往往存在低壓電纜長距離供電的問題，本文結合一個實例對相關問題進行探討。

2　TN系統下接地故障對長距離供電的限制

在市政工程配電設計中，TN系統為廣泛采用的接地型式，據《低壓配電設計規范》（GB50054-2011）（以下簡稱《低規》）第5.2.8條規定：TN系統中配電線路間接接觸防護的動作特性應符合下式要求：

式中：Ia——保證間接接觸電器在規定時間內切斷故障回路的動作電流（A）；

Zs——接地故障回路阻抗（Ω）；

U0——導體對地標稱電壓，取U0=220V。現有工程中，多采用斷路器作為主要回路保護電氣，據《低規》第6.2.4條規定：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者短延時過電流脫扣器整定電流的1.3倍，即：

式中：Izd——低壓斷路器瞬時或短延時電流脫扣器整定值（A）；

Id——接地故障電流值（A）。當配電線路較長，而采用低壓斷路器的過電流脫扣器作為接地保護時，則可能存在難以滿足上述規范要求的情況。

如某污水處理廠，廠區某變電所下有臺SCB11-800kVA變壓器，接線方式為 D，yn11，該變壓器uk%=4，相保阻抗為Rphp.T=1.65mΩ，相保感抗為Xphp.T=11.89mΩ，該變壓器給一污泥脫水間配電，脫水間最大電機55kW，該電機正常運行電流Ie= 110A，啟動電流Iqd=7Ie=770A，該車間設備最大工況運行計算電流為325A，選用YJV-1kV-（3X185+2X95）電纜供電，供電長度350m。電纜單位相保阻抗 Rphp.L=0.420mΩ，相保Xphp.L= 0.179mΩ。

根據 《工業與民用配電設計手冊》（以下簡稱 《手冊》）式4-55知：TN接地系統的低壓網絡單相接地故障電流：

式中：Rphp，Xphp，Zphp——短路電路的相線-保護線回路 （相保，保護線包括 PE線和 PEN線）電阻、相保電抗、相保阻抗（mΩ）。

低壓斷路器采用短延時脫扣器時的整定值，根據《手冊》式11～15知：

式中：

krel2——可靠系數，取1.2；

IstM1——線路中最大一臺電機的啟動電流；

IC（n-1）——線路中除最大一臺電機以外的計算負荷電流。根據該公式可知：Iset2≥1.182kA，可取1.2kA，不滿足Izd≤1kA的條件。

低壓斷路器采用瞬時脫扣器時的整定值，根據《手冊》式11～16知：

式中：krel3——可靠系數，取1.2；

I′stM1——線路中最大一臺電機的全啟動電流，一般可取電機啟動電流IstM1的2倍（A）。

根據該公式可知：Iset3≥2.11kA，可取2.2kA，也不滿足Izd≤1kA的條件。

由上面計算可推知：TN配電系統接地故障保護，采用斷路器（熔斷器類似），受到電纜長度的限制，如果超過了斷路器的允許長度，則不能可靠及時地切斷故障回路，使接地點存在安全隱患。

解決方案：①盡量減少供電距離，在條件允許的情況下將變電間放置于配電中心，或者考慮對較大電機采用軟啟動或者變頻啟動，以用于減小啟動電流，如上例中，如果采用變頻啟動，啟動電流按Iqd=1.5Ie=165A，則Iset2≥0.5kA，Iset3≥0.6kA即可滿足Izd≤1kA的要求；②增大保護線面積，其余同等條件下，Rphp.L=0.285mΩ，Xphp.L=0.152mΩ，則 Izd≤1.4kA；③合理選擇變壓器接線方式；④在TN-C系統采用零序電流保護，在TNS系統中采用剩余電流保護（RCD）；⑤采用帶接地故障保護的低壓斷路器。

這里簡單闡述下帶接地故障保護的斷路器如何整定：為了使接地故障脫扣器正確動作，其動作電流整定值Ig必須躲過線路中的最大不平衡電流Iph。

（1）對于單相負荷或者單相負荷比例較重的混合的動力回路，由于該回路不平衡電流較大，單相負荷重產生的諧波電流設備也日益嚴重，線路最大不平衡電流：

該式比較適合市政工程的綜合樓和機修車間等公共建構筑物。

（2）對三相負荷平衡分配或三相負荷占較大比重的動力回路：

（3）單臺電動機動力回路，其電壓不平衡度為2%時，其不平衡電流：

式中：Iph——最大不平衡電流；

Ijs——負荷計算電流；

Ie——電動機額定電流。

根據不平衡電流，可以推導出整定值

式中：Ig——接地故障電流整定值；

kset4——可靠系數，（1）、（2）兩種情況取值1.3～1.5，電機取值3～4；

結合上面實例，我們可以最終選擇帶接地故障的斷路器，采用瞬時保護，保護值Iset3=2.2kA；Ig=150A。

相比于其它的方案，采用帶接地故障保護的低壓斷路器來解決TN系統下接地故障對長距離供電的限制這個問題的方案，可能是最有效和經濟的方案。

3　供電末端電壓降的問題

據 《供配電系統設計規范》（GB50052-2009）（以下簡稱《供規》）第5.0.4條規定：正常運行情況下，用電設備端子處電壓偏差允許值宜符合下列要求：①電動機為±5%額定電壓；②照明：在一般工作場所為±5%額定電壓；對遠離變電所的小面積工作場所，難以滿足上述要求時，可為+5%，-10%額定電壓；應急照明和警衛照明等為+5%，-10%。

根據《手冊》表9-63中可得：

式中：Un——為標稱電壓（kV）；

R0、X0——三相電纜單位長度的電阻和感抗（Ω/km）；

Ijs——負荷計算電流（A）。

以前段實例為基礎，假設電纜規格為YJV-1kV-（3X150+ 2X70），電纜的電阻R0=0.145Ω/km，感抗X0=0.077Ω/km，車間為三相平衡負荷，功率因數cosφ=0.82。由式10得△u%=8.01。

根據式10，我們還可以得出下式：

式中：Pjs——負荷有功功率（kW）。

由前例已知條件可得Pjs=175.89kW，假設車間進行了就地補償后功率因數cosφ=0.95，由式11得△u%=4.5。

通過上面的兩次計算，我們可以知道改善電纜電壓降的手段可以為：①加大電纜截面，如上例將電纜截面改為185后，電壓降為4.96%；②就地補償，如采用就地補償，可以將電流值降低，以達到降低電纜壓降的目的。

4　結論

本文通過一個實例，對現有市政給排水廠電氣設計中關于電纜過長的導致的常見的兩個問題進行了闡述和討論。其實在設計中，對于第二個問題，大多數設計人員和校審人員以及現場施工人員都有相應的認識，而對于問題一的重視程度卻很不夠，這樣給整個工程的質量和安全帶來了隱患。

［1］任會元，等.工業與民用配電設計手冊（第3版）.2005，10.

［2］楊成德.TN系統接地故障保護的探討.電工技術雜志，2003（9）.

［3］王國鐘.低壓電纜的電壓損失和電壓降.電線電纜，2014（1）.

劉毅斌（1983-），男，工程師，從事市政電氣設計工作。

TU994

A

2095-2066（2016）11-0059-02

2016-1-11