斷路器靈敏度與電纜長度關(guān)系的探討

劉毅斌， 戴芳文

（湖南省建筑設(shè)計院有限公司，長沙410012）

0 引言

隨著國家城市化進(jìn)程的推進(jìn)及環(huán)保要求的提高，近年國內(nèi)新建、擴(kuò)建了大量的城市給水、污水廠。 這些工程有一些相同特點(diǎn)：廠區(qū)大、單體多、負(fù)荷分布分散且不均勻、整體負(fù)荷相對不大。 因此在變配電設(shè)計和實(shí)際項(xiàng)目中，由于變配電房（變壓器）設(shè)置數(shù)量限制，時常出現(xiàn)變配電間（變壓器）部分配電回來供電半徑較大、配電電纜較長的情況，從而導(dǎo)致一系列的問題，如末端電壓降不滿足規(guī)范要求，部分一級配電柜內(nèi)斷路器無法有效保護(hù)過長電纜等。 前者引起了大部分設(shè)計者的注意，而后者是一個很重要但又容易被忽視的問題。

1 TN 系統(tǒng)及防止間接接觸保護(hù)的要求

TN 系統(tǒng)為現(xiàn)有工程設(shè)計配電中廣泛采用的接地型式，分為3 類：（1）TN?S 系統(tǒng)，系統(tǒng)的中性線與保護(hù)線是分開的；（2）TN?C 系統(tǒng)，系統(tǒng)的中性線與保護(hù)線是合并的；（3）TN?C?S 系統(tǒng)，系統(tǒng)中性線在進(jìn)入單體或建筑物前采用TN?C 接線方式，當(dāng)進(jìn)入單體（建筑物）后，PE 線和N 線分開變成局部TN?S 系統(tǒng)。 具體可參考圖1。

污水處理廠和水廠設(shè)計中，有很多功率較大的電機(jī)，其配電是直接由變壓器下的一級配電柜饋電的，而電機(jī)負(fù)荷多采用TN?S 系統(tǒng)，根據(jù)TN 系統(tǒng)中對于PE 線和N 線分開后不能再合并，因此在水廠和污水處理廠設(shè)計中，多直接采用TN?S 系統(tǒng)，系統(tǒng)的中性（N）線與保護(hù)（PE）線是分開的。 因此本文以TN?S 系統(tǒng)為前提討論相關(guān)問題。

圖1 TN 接地系統(tǒng)示意圖

根據(jù)GB 50054－2011《低壓配電設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱“《低規(guī)》”）第5.2.8 條規(guī)定：TN 系統(tǒng)中配電線路間接接觸防護(hù)的動作特性應(yīng)符合式（1）要求。

Zs× Ia≤U0（1）

式中，Ia為保證間接接觸電器在規(guī)定時間內(nèi)切斷故障回路的動作電流，A；Zs為接地故障回路阻抗，Ω；U0為導(dǎo)體對地標(biāo)稱電壓，U0＝220V。

現(xiàn)有工程的低壓保護(hù)器件已全面實(shí)現(xiàn)斷路器化，因此本文以斷路器作為保護(hù)器件討論。 《低規(guī)》第6.2.4 條規(guī)定：當(dāng)短路保護(hù)電器為斷路器時，被保護(hù)線路末端的短路電流不應(yīng)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

1.3Izd≤Id（2）

式中，Izd為斷路器短延時電流或瞬時脫扣器整定值，A；Id為接地故障電流值，A。

2 案例分析

2.1 案例一

當(dāng)配電線路較長，僅采用斷路器的過電流脫扣器作為接地保護(hù)，可能存在難以同時滿足式（1）和式（2）的要求。

下面以某項(xiàng)目工程實(shí)際為例：某自來水廠，廠區(qū)一配電間內(nèi)設(shè)有1 臺800kVA 變壓器，該變壓器接線方式為D，yn11，uk% ＝6，相保阻抗為Rphp.T＝1.65mΩ，相保感抗為Xphp.T＝11.89mΩ，其中該變壓器下有一回路給該水廠的V 型濾池，該單體最大電機(jī)為反沖洗水泵，功率P ＝55kW，該電機(jī)正常運(yùn)行電流Ie＝110A，啟動電流按Iqd＝7Ie＝770A 計，該車間主要運(yùn)行設(shè)備及負(fù)荷計算見表1。

濾池主要負(fù)荷清單及負(fù)荷計算表 表1

由表1 計算，可得最大計算電流值為340A（224.69kVA／（0.38kV× 3），選用YJV－1kV－（3×185＋2×95）電纜供電，電纜長度約350m。 查表可知電纜相關(guān)參數(shù)：單位相保阻抗Rphp.L＝0.420 mΩ／m，單位相保Xphp.L＝0.179 mΩ／m。 根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》（以下簡稱《手冊》）4.6.4 節(jié)（低壓網(wǎng)絡(luò)短路電流計算），TN 接地系統(tǒng)的低壓網(wǎng)絡(luò)單相接地故障電流計算式為式（3）。

式中，Rphp、Xphp、Zphp分別為短路電路的相線—保護(hù)線回路（相保，保護(hù)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(jù)《手冊》式11.3－4 有公式（4）。

將式(17)～式(20)帶入式(16)中,再將式(16)帶入式(15)中即可得到目標(biāo)的位置估計和速度估計的克拉美-羅下界。

Iset2≥krel2（IstM1＋I(xiàn)C（n－1）） （4）

式中，krel2為可靠系數(shù)，取1.2； IstM1為線路中最大一臺電機(jī)的啟動電流； IC（n－1）為線路中除最大一臺電機(jī)以外的計算負(fù)荷電流。

根據(jù)式（4）可知：Iset2≥1.2kA，取1.2kA，不滿足Izd＝1.015kA 的條件。

低壓斷路器采用瞬時脫扣器時的整定值，根據(jù)《手冊》式11.3－5 有公式（5）。

式中，krel3為可靠系數(shù)，取1.2；I′stM1為線路中最大一臺電機(jī)的全啟動電流，一般可取電機(jī)啟動電流IstM1的2～2.5 倍（A），這里按2 倍取。

根據(jù)式（5）可知：Iset3≥2.11kA，可取2.2kA，也不滿足Izd≤1.015kA 的條件。

2.2 案例一 問題分析及解決

（1）盡量減少配電電纜長度，在條件允許的情況下將變、配電間放置于配電中心（負(fù)荷中心）。 可以參考《電氣裝置應(yīng)用（設(shè)計）指南》（以下簡稱《指南》）章節(jié)G31，為滿足斷路器瞬時（短延時）脫扣靈敏度的要求，得到電纜最大長度的簡易公式為Lmax＝0.8USph／ 2ρIm（0.8 系數(shù)為電壓修正系數(shù)，考慮到了發(fā)生相地接地故障時，短路時因熱量造成的電阻增大等情況，保護(hù)電器安裝處上游的電壓損失到標(biāo)準(zhǔn)電壓的80%或更低），通常，Im的值有±20%容許偏差，因此在最壞情況下Lmax應(yīng)按Im＋20%計算，如式（6）所示。

式中，U 為相電壓，這里按230V 考慮；Sph、Spn為相線、中性線導(dǎo)線截面積，mm2；ρ 為導(dǎo)體密度，這里選取銅電線密度為0.023 Ω·mm2／m；Im為瞬時動作電流。

以50mm2銅線計，其截面積實(shí)際約為47.6 mm2，保護(hù)斷路器設(shè)定的Im為630A 帶入公式（6）得Lmax＝251.8m，取整為251m。 其他規(guī)格電纜可查表2。

通用斷路器保護(hù)電纜長度 表2

公式（6）中為了方便計算，考慮Sph＝Spn即Sph／Spn＝1，電纜材料采用銅質(zhì)，接地系統(tǒng)為TN 系統(tǒng)（或含中性線N 線），而實(shí)際情況往往有區(qū)別。 因此根據(jù)公式（6）原理，結(jié)合實(shí)際，得出最大電纜長度如式（7）所示。

L′max＝K1·K2·K3·Lmax（7）

式中，K1 為電纜接線方式修正系數(shù)，當(dāng)采用三相三線制和單相二線400V（無中性線）回路，無中性線時取值1.73，當(dāng)采用三相四線制或單相二線230V（含中性線）回路取值1；K2 材質(zhì)為銅時取1，為鋁時取0.62；K3 當(dāng)Sph／Spn＝1 時取1，當(dāng)Sph／Spn＝2 時取0.67。

2.3 案例二及分析

某車間有500kVA（10.5kV／0.4kV）變壓器一臺，車間采用TN?S 接地系統(tǒng)，低壓配電柜內(nèi)某回路斷路器設(shè)定（得）瞬時脫扣整定值為1.25kA，該回路電纜為YJV－1／0.6kV－3×70＋2×35，材質(zhì)為銅，長度為105m，請核實(shí)該型斷路器設(shè)定值是否滿足要求。

根據(jù)表2 可以得到Lmax＝187m。 根據(jù)公式（7），結(jié)合例子條件可得K1 ＝1，K2 ＝1，K3 ＝0.67，于是，L’max＝1×1×0.67×187 ＝125m，L’max＞105m，因此可知該斷路器瞬時整定值滿足要求。

（2）對較大電機(jī)采用軟啟動或者變頻啟動，以減小啟動電流，改變Iset2值，如例2 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。

（3）增大保護(hù)線面積，如采用240 的電纜，在其余同等條件下，Rphp.L＝0.285 mΩ，Xphp.L＝0.152 mΩ，則Izd≤1.4kA。

（4）在TN?S 系統(tǒng)采用零序電流保護(hù)，在TN?S系統(tǒng)中采用剩余電流保護(hù)（RCD）或采用帶接地故障保護(hù)的低壓斷路器。 帶接地故障保護(hù)的斷路器整定：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(fù)荷或者單相負(fù)荷比例較重的混合動力回路，由于該回路不平衡電流較大，單相負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流設(shè)備也日益嚴(yán)重，線路最大不平衡電流：Iph＝（0.4 ～0.7）Ijs， Ijs為負(fù)荷計算電流，該計算公式比較適合市政工程的綜合樓和機(jī)修車間等公共建構(gòu)筑物。

2）對三相負(fù)荷平衡分配或三相負(fù)荷占較大比重的動力回路：Iph＝（0.2～0.3）Ijs。

3）單臺電動機(jī)動力回路，其電壓不平衡度為2%時，其不平衡電流：Iph＝0.14Ie，Ie為電動機(jī)額定電流。 根據(jù)不平衡電流，可以推導(dǎo)出整定值如式（8）所示。

Ig＝kset4Iph（8）

式中，Ig為接地故障電流整定值；kset4為可靠系數(shù)，1）、2）兩種情況取值1.3～1.5，電機(jī)取值3～4。

2.4 小結(jié)

結(jié)合前面的實(shí)例，可以最終選擇帶接地故障的斷路器，采用瞬時保護(hù)，保護(hù)值Iset3＝2.2kA，Ig＝150A。

相比于其他方案，筆者認(rèn)為，采用帶接地故障保護(hù)的低壓斷路器來解決TN 系統(tǒng)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(jīng)濟(jì)的方案。

3 結(jié)束語

本文通過實(shí)例分析，對現(xiàn)有市政給排水廠電氣設(shè)計中關(guān)于電纜過長的導(dǎo)致斷路器靈敏度下降的問題進(jìn)行了闡述和討論。 其實(shí)在設(shè)計中，對于電纜過長而導(dǎo)致的其他問題（如電壓降、啟動問題等），大多數(shù)設(shè)計人員和校審人員以及現(xiàn)場施工人員都有相應(yīng)的認(rèn)識，而對于文中所提問題沒有足夠的重視，這樣會給配電系統(tǒng)帶來安全隱患。