基于斷路器保護的配電線路最大敷設長度研究

陳旭文

(福州市規劃設計研究院　福建福州　350108)

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基于斷路器保護的配電線路最大敷設長度研究

陳旭文

(福州市規劃設計研究院福建福州350108)

根據國家標準GB10963、GB50054、GB/T15544對斷路器短路時電磁脫扣的要求，以及結合最小短路電流計算的方法，推導出滿足斷路器短路保護要求的不同截面配電線路的最大敷設長度計算公式，計算出短路時斷路器對配電線路的最大保護長度數值。計算結果表明，低壓配電線路并不是在安裝了短路保護斷路器后就可以無限長敷設，當超過斷路器最大保護長度時，斷路器將不能可靠跳閘，線路將失去保護。

斷路器;配電線路;短路保護;最大長度; 瞬時脫扣

E-mail:xuwen.chen@qq.com

0　引言

短路分斷故障是低壓斷路器最主要的功能之一。《低壓配電設計規范》GB50054-2011要求，配電線路的最小短路電流應不小于該線路保護斷路器磁脫扣整定電流的1.3倍。然而低壓配電線路的短路電流主要取決于該配電線路的阻抗Z，它與線路的截面積S和線路敷設長度L相關。因此在選用斷路器和整定相應線路的參數(主要為截面S和敷設長度L)時，應彼此進行參數上的配合。

1　計算模型

為保證保護斷路器在最小短路電流時能可靠分斷，斷路器瞬時磁脫扣動作電流Idz應滿足[1]：

Isc(min)≥1.3Idz

(1)

Idz-斷路器瞬時磁脫扣動作整定電流，A。

Isc(min)-保護斷路器所在回路線路末端短路時最小短路電流，A。

短路電流的最小值Isc(min)，若系統有引出中性線，則一般發生在電纜末端相線對中性線(或相對地)短路；若沒有中性線引出，則發生在相間兩相短路。低壓系統的短路電流計算還基于低壓系統的以下特點[2]：

(1) 一般用電單位的電源來自地區大中型電力系統，配電變壓器的容量遠遠小于電力系統的容量，因此電路電流可按遠離發電機端，即無限大電源容量的網絡短路進行計算，短路電流周期分量不衰減。

(2) 計入短路各元件的有效電阻，但短路點的電弧電阻、導線連接點、開關設備和電器的接觸電阻忽略不計。

當電路電阻較大，短路直流分量衰減較快，一般可以不考慮直流分量。

(3) 單位線路長度有效電阻的計算溫度不同，在計算三相最大短路電流時，導體計算溫度取為20℃；在計算單相短路電流時，假設的計算溫度升高，電阻值增大，其值一般為20℃時電阻的1.5倍[2]；計算兩相短路時，電纜溫度升高，電阻增大值一般為20℃的1.25倍[2]。

(5)據IEC60909，計算220/380V低壓系統的最小短路電流時電壓系數cmin=0.95。

(6)遠離發電機端短路時，兩相短路穩態電流是三相短路穩態電流的0.866倍[2]。

根據上述的分析和假設，可推導出下列近似公式來計算最小短路電流Isc(min)：

①當電路為未引出中性線的三相三線電路時，線路末端發生兩相短路時出現最小短路電流：

Isc(min)=Isc2=0.866·Isc3，即：

(2)

式中：

Un-系統標稱電壓，V，220/380V系統為380V；

Zd-短路電路總阻抗，Ω；

Isc(min)-最小短路電流，A。

②當電路為引出中性線的三相四線電路時，線路末端發生相對中性線短路時出現最小短路電流：

(3)

式中：

Zphn-短路電路相線和中性線環路總阻抗，Ω。

對于無限大電源容量的網絡，高壓側電力系統的阻抗值Zs= 0；當三相四線回路內所有的導線都相互貼近 (通常如此)時，與電纜的電阻相比，電纜內芯線的感抗是可以忽略不計的，對 120 mm2以下的電纜這種近似算法是適用的。對于大于等于 120 mm2的電纜，電纜電抗的校正系數[4]Ks如表1：

農作物對于人類的意義是非常巨大的，因為這是人類賴以生存的根本。在這種情況下，提高農作物的產量就成為了各國農業發展中最重要的事情之一。而能夠有效的提高農業產量的主要方式，就是對種植技術的改進。這些改進，能夠更好的幫助農作物適應不同的情況，從而保證作物更好的發展。同時，種子的改良也算是種植技術中的一個環節，種子的有效改良，也能夠大幅度的提高農作物的產量。同時這也能讓我國玉米的產量獲得大大的提高。

表1　電纜電抗的截面校正系數Ks

若線路為多根導體的并聯，則每相導體的并聯數量與電纜電抗的校正系數[4]Kp如表2：

表2　每相導體的并聯數量與電纜電抗的截面校正系數Kp

根據上述假設和分析，可得：

(5)

(6)

式中：

ρ20-20℃時銅的電阻率，取為0.018Ω·mm2/m；

Sph-相線的截面積，mm2；

Sn-中性線的截面積，mm2；

L-相線的長度，m。

由式(2)、式(3)、式(5)可得未引出中性線的三相三線電路電纜最大計算長度為：

(7)

由式(2)、式(4)、式(6)可得引出中性線的三相四線電路電纜最大計算長度為：

(8)

3　典型計算結果及分析

根據式(7)可利用Excel軟件編程計算得表3的計算結果，即未引出中性線的三相三線銅芯電纜滿足短路保護要求最大敷設長度Lmax1(Kp=1)；同理根據(式8)可得表4的計算結果，即引出中性線的三相四線電路銅芯電纜滿足短路保護要求最大敷設長度Lmax2(Sph/Sn=1，Kp=1)。表3和表4計算數值可作為實際設計參考速查。

表3　三相三線銅芯電纜最大敷設長度Lmax1(Kp=1)　m

表4　三相四線銅芯電纜最大敷設長度Lmax2

結合實際設計要求，表3和表4中僅給出在低壓供電半徑(250m)附近及以下范圍內的最大計算長度數值。計算數值對應的電纜截面載流量不低于斷路器的額定工作電流值。

由表3及表4計算結果可知，銅芯電纜滿足短路保護要求的最大敷設長度與線纜截面成正比與斷路器瞬時脫扣電流成反比。

由表3和表4計算結果對比可知，引出中性線的三相四線配電線路滿足短路保護要求的最大敷設長度比未引出中性線的三相三線配電線路要短，這是因為引出中性線時線路的短路電流比未引出中性線時的短路電流大，導致短路器的保護距離縮短。

在國家標準GB10963中，根據小型斷路器的脫扣特性不同分為B、C、D型斷路器。

B型：B型斷路器為阻性負載或無沖擊負載提供保護。其脫扣特性為：當實際電流等于3倍額定電流時在小于等于0.1秒內不能脫扣，當實際電流等于5倍額定電流時在小于0.1秒內必須脫扣，即Idz=5In。

C型：C型斷路器為阻性負載和較低沖擊電流的感性負載提供保護。其脫扣特性為：當實際電流等于5倍額定電流時在小于等于0.1秒內不能脫扣，當實際電流等于10倍額定電流時在小于0.1秒內必須脫扣，即Idz=10In。

D型：D型斷路器為接通時具有較高沖擊電流的負載提供保護。其脫扣特性為：當實際電流等于10倍額定電流時在小于等于0.1秒內不能脫扣，當實際電流等于20倍額定電流時在小于0.1秒內必須脫扣，即Idz=20In。

根據不同脫扣特性斷路器瞬時磁脫扣電流值Idz與其額定電流In的倍數關系，對于有引出中性線的電路可結合式(8)可以分別計算得出由B、C、D型斷路器保護的銅導線最大長度：

B型斷路器保護時：

(9)

C型斷路器保護時：

(10)

D型斷路器保護時：

(11)

對于沒有引出中性線的電路，由B、C、D型斷路器保護的銅導線最大長度修正系數[2]：Kn=1.73。

(12)

在實際設計過程中，使用較多的是C、D型脫扣特性的微型斷路器，故為方便設計速查需要，此處根據式(10)及式(11)分別計算滿足短路保護要求的由C、D型脫扣特性的微型斷路器保護的銅導線(或電纜)的最大敷設長度數據，分別如表5和表6所示。

表5　C型斷路器保護的銅導線電路的最大長度(瞬時電磁脫扣特性Idz=10In) 　m

表6　D型斷路器保護的銅導線電路的最大長度(瞬時電磁脫扣特性WIdz=20In)W　m

對于沒有引出中性線的電路，由C、D型斷路器保護的銅導線最大長度分別由表5和表6計算結果乘以修正系數1.73即可得最終結果，此處不再贅述。

4　結語

低壓配電線路并不是在安裝了短路保護斷路器后就可以無限長敷設，當電纜實際敷設長度超過斷路器對該截面電纜的最大保護長度時，斷路器將不能可靠跳閘，線路將失去保護，嚴重時會引起電氣火災。故在低壓配電系統設計時，應在整定斷路器及其相應配電線路的參數時，應對配電線路的阻抗對系統短路電流的限制進行校核，配電線路的長度應保持在斷路器最大保護范圍內，在某一截面下電纜的實際敷設長度超過斷路器對該截面電纜的最大保護長度時，應適當增大電纜截面，使得斷路器能夠保護到該電纜的末端，從而保證低壓配電系統安全可靠運行。文中的計算結果表3～表6可作為實際設計校核的速查表。

[1]國家建設部發布，低壓配電設計規范 GB50054-2011[S].

[2]中國航空工業規劃設計研究院.工業與民用配電設計手冊(第三版)[M]. 北京：中國電力出版社，2005.

[3]國家質檢總局、國家標準化委員會.三相交流系統短路電流計算 GB/T 15544.1-2013/IEC60909-0:2001[S]. 北京：中國標準出版社，2014.

[4]意大利ABB S.p.A. ABB SACE Division. 低壓配電電氣設計安裝手冊(第四版)[M].北京：機械工業出版社，2008.

[5]Schneider Electric. Electrical Installation Guide[M].北京：中國電力出版社，2006.

陳旭文(1982-)，男，工學碩士，工程師，國家注冊電氣工程師,主要從事建筑電氣，供配電系統安全方面的工作。

Research of Maximum Wire Length Base on Circuit Breaker Protection

CHENXuwen

(Fuzhou Planning Design &Research Institute, Fuzhou 350108)

In order to protect the end of wire short-circuit fault, according to the electron-releasing requirement of national standards as GB GB10963,GB50054,GB/T15544 to short-circuit breaker, and combined the method of minimum short-circuit current calculation, the formula of Maximum Wire Length for Circuit Breaker Short-Circuit Protection was deduced in the paper. Calculation results of the formula shows that the wire would lose protection when its length exceeded the maximum short-circuit protection length.

Circuit-Breaker; Distribution-Wire; Short-circuit Protection; Maximum Length; Instant-Releasing

陳旭文(1982-)，男，工程師，國家注冊電氣工程師。

2015-11-24

TU851

A

1004-6135(2016)01-0095-04